考虑全寿命周期成本的供水管网优化设计.pdf

第 4 7卷 第 2 4期 2 0 1 6年 1 2月 人 民 长 江 Ya ng t z e Riv e r V0 1 47 No 2 4 De c ， 2 01 6 文章编 号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 6 ) 2 4 0 0 6 0 0 4 考虑全寿命周期成本 的供水管网优化设计 马 婿 ， 吴 鑫 淼， 郄 志 红 ( 河北农业大学 城 乡建设 学院， 河北 保定 0 7 1 0 0 1 ) 摘要 ： 针对城 市管网的传统优化设计 中仅考虑初 始投 资而没有 考虑运行 过程 中维修 管理成 本的 问题 ， 提 出了 基于全寿命周期成本 ( L C C ) 的管 网优化模型和计 算方法。通过 对管 网建造成本及 运行阶段 维修 管理成 本的 定量分析 ， 建立 了以全寿命 周期总 费用 最低 为 目标 的优 化模型 ， 并利 用 P S O算法对 管径进行优 化设计 。通过 实例 分析 ， 分 别得到 两种常用管材的最优 管径 ， 并基于寿命 周期成本 对 比分析 为管 网设计 阶段 的方案 选择 和 优 化 设 计 提 供 了依 据 。 关键词 ： 全 寿命 周期 ； 成 本构成 ；费用模 型；供水 管网 中图法分类号 ： T U 9 9 1 文献标志码 ：A D oI ： 1 O 1 6 2 3 2 j cn k i 1 0 0 1 4 1 7 9 2 0 1 6 2 4 O 1 3 随着爆管现象的频繁发生， 供水管网的后期维修 建设引起了社会各界的关注 。由于我 国正处于地下供 水管 网工 程建设 的高 峰 期 ， 为 了减 小 管 网后 期 维 护 带 来 的不便 和 巨大 的经 济 损 失 ， 在 设 计 过 程 中考 虑 长期 综合 成本 成 为 了一 种 必要 。长 期综 合成 本包 括初 始成 本和维修成本两部分。第一部分是指建设 时的设计 、 施工相关费用 ； 第二部分包括保证达到寿命 期所必须 的后续维 护费 。传统 的供水管 网设计 主要常考 虑 初建成本 ， 而忽略 了工程投入使用后 的维护费用 。实 践证明 ， 这种做法在技术和经济上都是不合理 的。 由 此 本文 提 出基 于 L C C( 全 寿 命 周 期 成 本 ) 的供 水 管 网 优化方法 ， 其核心是在设计 阶段便考虑管 网建成后的 维修和管理问题 ， 综合评估管网建造成本和维修成本， 力求达到工程全寿命周期 内总费用最小 。 目前将 全 寿命周 期成 本分 析应 用 到供 水管 网优 化 设计 的研究较少 。文献 6 综合考虑供热管网的初期 建设成本和后期循环泵运营成本 ， 通过对 常用管径 的 寿命周 期 成 本 计 算 ， 得 到 最 优 设 计 管 径 。 文 献 7 通 过对区域供冷供热系统进行 寿命周期成本分析 ， 指 出 影响其寿命周期成本的重要 因素 ， 并建立 了考虑寿命 周期成本 的冷冻水温度参数及保温层厚度优化设计模 型。本文考虑供水工程 中常用管材的材料特性 、 投资 成本和使用年限存 在的不 同， 基 于供水管 网寿命周期 成本 费用 的定量 分析 ， 建立 了 以管 网 L C C最 低 为 目标 函数的管径优化模型 ； 并基于不 同管材 的管径优化结 果 ， 进行 L C C的对 比分析 ， 为管 网设计 阶段的方案选 择和设计参数优化提供决策支持。 1 供水管网全寿命周期总费用分析 1 1 管网建造成本 管 网建造成本 由管网建设 时产生 的各 项费用组 成 ， 包括管 网材料及安装 费、 设计 费 、 监理费等施 工费 用 。市政工程预算定额 为单位长度管 网的工程造 价 ， 由于各供水管网长度不同， 具体计算公式为 P ：P1 +P 2+P 3+R +J ( 1 ) 式中， P为管网建设费用 ； P 。 管网材料及安装费 ； P ：管 网附属设施安装费用 ； P ， 为刨路费用 ； 为设计费 ； J 为 监理费 ， 单位均为元。 ( 1 )管网材料及安装费 P 。 管网材料及安装延米 费用 A指不 同 口径 、 不 同管 材 更 换 主 干管 时 每 米 的 平 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 7 0 7 作 者简介 ： 马 婧 ， 女 ， 硕士研 究生， 研 究方向为水 工建物 与水利 工程信 息化技 术 。Ema il： ma j i n g l5 3 9 l2 1 6 3 co n l 通讯作者 ： 吴鑫淼 ， 女 ， 教授 ， 博 士 ， 硕士 生导师， 研 究方 向为 水利 水电工程。Ema il： w u x i n mi a o 0 0 1 1 6 3 co m 第 2 4期 马 婧 ， 等 ： 考 虑全 寿命周 期成本的供水管 网优化设计 6 1 均造价 ， 包含管 网安装 的主材、 土方 、 安装 、 人工机械 费、 打泵冲水消毒等正常施工费用 ， 计算公式为 P。=A L ( 2 ) 式 中， A为不 同管 径不 同管材 的管网安装延米 费用， 元 m， 见 表 1 ； L为管 网安 装长 度 ， m。 表 1 不 同口径管网安装延米 费用 元 m 注 ： 表 示 一般 不 采 用 此 种 形 式 ， 所 以没 有 价 格 ， 下 同 。 ( 2 )管网附属设施 费用 P ： 。管 网附属设施费用 在本文 中主要指阀门和井室费用 ， 包含阀门安装费 、 材 料费和砌井费 ， 计算公式为 P 2= ( + + 1 , ) 0 ( 3 ) 式 中， 为不 同口径阀门的安装费用 ， 元 ， 见表 2 ； 为 不同 口径不 同型号 阀门材料费用 ， 元 ， 见表 3； 为不同 口径不 同形式井室砌筑 费用 ， 元 ， 见表 4； 0为附属设施 数量。 表 2不 同 口径 阀门的安装 费用 口径 m m 安装 费 元 口径 r a m 安装费 元 2 0 0 41 9 O 9 5 0 0 2 0 9 4 2 1 3 0 0 9 75 1 5 6 0 0 2 7 8 1 9 3 4 0 0 1 4 0 6 48 8 0 0 4 1 2 7 5 5 表 3不 同 口径不 同型号 阀门材料费用 表 4不 同 口径不 同形式 井室砌 筑费用 ( 3 )管 网施工单位刨路费 P 。城市管 网建设中， 管网开挖 的刨路费根据道路等级 的不 同占有不同的比 重 ， 随着城市道路建设 的发展 ， 刨路 费也在 随之增加 ， 所 以本模 型 将刨 路 费列 出 ， 计 算 公式 为 P 3=T L ( 4 ) 式 中，y为 不 同 口径不 同路 面 等级 的 刨路 费单 价 ， 元 m， 见表 5 ； L为管网安装长度 ， m。本文路面等级 采用普通油路。 表 5 不 同口径管 网施 工单位刨 路费 元 m ( 4 )设 计 费 。 按 相 关 规 定 ， 设 计 费 为 前 三 项 的 1 8 。 ( 5 )监理 费 ， 。 按 相关规定 ， 监理费为前 三项 的 1 5 。 所 以， 管网建造成本费用计算公式为 P = Pl + P2+ P3+ + =1 0 3 3 A +( + + ) 0+ ( 5 ) 1 2管网漏失成 本 管 网漏失成本包括漏失费 、 管理费和其他费用 ， 其 中漏失费所 占比例较大。一条管网 自发生漏失后 ， 随 着其漏失频率的增加 ， 所造成 的损失也会随时间逐渐 增加 ， 不同管材 、 管径所对应 的管段 流量不 同， 漏失率 不同 ， 为此造成的漏失费用不 同。为模拟其给供水行 业和用户造成的经济损失 ， 本文管 网漏失总费用计算 公 式 为 M =M1+ 2+M3 ( 6 ) 式 中， 为管网漏失总费用 ； 为漏失费用 ； M：为管 理费用 ； 为其他费用 ， 单位均为元。 ( 1 )管 网漏 失 费用 。 漏 失 费用 主要包 含漏 失 水 量 营业 损失 费用 ， 计算 公式 为 M1= Q =k r q T ( 7 ) 式 中， k为水价系数 ， 取 2 5元 t ； Q为推算的漏失水 量 ， m h ； r 为漏损率 ， 铸铁管 和塑料管分别取 5 4 和 1 2 ； g为 管段 流量 ， m 。 h ， 可 根 据各 节 点 要 求 出 流量及管径 由水力学计算程序得 到； T为管 网漏损时 间， 假设管网每半年检修一次 ， 即管网的漏损时间取最 长漏水时间为半年。 ( 2 )管理费用 ： 。 管理费用包含 ： 检测 费用 ， 包 括工 人 的劳动 费用 、 检漏 设备 器材 费用 、 交通 费用 和 通讯费用 ； 维护信息传递调度系统费 ； 漏损资料 记录整 理报告 费。 按规 定管理 费取管 网漏 失费用 的 20 。 ( 3 )其他费用 M。 。其他 费用指管 网漏失造成的 对居民的淹泡赔偿 、 绿地 的赔偿和现场的清洁费等其 他 可能发 生 的 费 用 以及 另 外 的 不 可 预见 的 费 用 。另 外 ， 漏失还会带来一系列的间接损失费用 ， 例如企业名 誉 、 服务 中断 带来 的不 良影 响和对 环境 噪音 尘土 污染 。 根据经验取为漏失费用 的 1 0 。 所以， 管网漏失总费用计算公式为 6 2 人 民 长 江 M =M1+ 2+M3=1 3 M1=1 3 k r I q T( 8 ) 1 3 全 寿命周期成本 工程中常用的两种管材 ( 铸铁 管和塑料管 ) 的最 低使用年限分别为 5 0 a和 3 0 a 。 。 。本 文将设计年 限 定为 5 0 a ， 假设铸铁管在相应的使用年 限中每隔 1 0 a 漏损 的管 道 占原始 管 网 的百 分 比 Ix 分别 为 1 0 ， 2 5 ， 4 5 ， 7 0 和 1 0 0 ； 塑料 管 的 IX 分别 为 2 0 ， 5 0 和 1 0 0 。所以，铸铁管每 1 0 a内管 网的漏损程 度( 漏损管网占管 网的百分 比) i可 由 表示 ， 计算 公 式为 Yi IXf+ Ylo l l0 + T2 0 。0 1 2 0 + y 3 0 a i一 3 o+y 4 o f 4 0 ( 9 ) 同理可 以计算塑料管在 5 0 a内的漏损程度。 假设设计年限内的管材物价保持不变 ， 通过资金 等值换算到全寿命周期初时的成本为 F= 尸+ 5 0 N = 1 0 1 ( 1 。 ) 一( + 式 中， 为折现率 ， 取 3 o ； N为管材设计年限。 2 基 于 P S O算法的管径优 化 P S O算法最早是 由 K e n n e d y 等借鉴鸟类寻找食物 的过程提出的一种基于种群的随机全局优化技术。作 为一种进化计算技术 ， P S O与传统的优化算法相 比， 能 搜索非线性多峰的复杂空 间， 同时能处理参数空间变 化的优化问题 ， 更快达到全局最优 ， 且基本不受 问题维 数的限制 。有约束条件的 P S O算法先是初始化一 群随机粒子( 潜在解 ) ， 然后粒子通过跟踪个体极值和 全局极值来迭代更新 ， 挑选约束违反度 V io le n t 为零 的 粒子 ， 比较适应度函数 fit n e s s的大小来寻找最优解 。 2 1 目标 函数 以 L C C为 目标函数 ， 费用最小者为最优方案。 2 2 设 计变量 以管径为设计变量 ， 城市管网标准管径为离散值 ， 并 且 只能在 一 定范 围 内选取 。工程 上可 用 的最大 管径 为 D N 1 4 0 0， 室外管网的最小管径一般 为 D N 5 0 。作 为工程中常用的两种管材 ， 铸铁管常用管径为 D N 3 0 0 DN1 2 00 7 3 ，塑 料管 常用 管径 为 D N 2 0 0 D N 6 0 0 。 2 3 约束条件 以管网的最长输水管网压力损失 为约束条件 ， 其 中沿 程水 头损 失 与管 网的 糙 率 系 数 和 长度 有 关 ， 局部 水头损 失 取 为 沿 程 水 头 损 失 的 1 0 ， 其 计 算 公 式 为 。 A H = 1 3 3 3 5 8 4 0 0 凡 。 ( 1 1 ) D了 式 中， 为考虑局部水头损失后的系数 ， 取 1 1 ； n为糙 率系数 ； D为管径 ， i n 。 3 实例分析 以某供水管网为例， 管网布置如图 1所示 。 图 1各 管 段编 号 及 计 算 模 型 该模型管 网共有 2 2个管段 ( 其 中， 12 0号管段 是 铸铁 管或 塑料 管 ； 2 1 ， 2 2号 管 段 为 当量 水 管 ) ， 1 4个 节点。其中管网分为两类 ： 铸铁管 ( 糙 率系数采用 n = 0 0 1 2 ) ， 塑料管 ( 糙率系数采用 n=0 0 0 9 ) 。 两个泵 站水源， 一个水塔水源 ， 水塔水面标高为 7 4 i n 。 3 1 管 网各参数 的优化设计 在各节点出流量、 管长 已知的情况下 ， 利用有约 束条件 的 P S O算法对以 L C C为 目标函数 ， 压力损失为 约束条件的该管网模型进行优化 ， 分别得到铸铁管 、 塑 料 管 的最 优管 径 D如 图 2 ， 3所 示 。 图 2 铸 铁管各管段尺寸及各节点 出流量 图 3 塑料 管各 管段 尺寸及各节点 出流量 3 2 全寿命周期成本 的计算 室外供水管网采用直埋 的方式敷设 ， 其管网建造 第 2 4期 马 婧 ， 等 ： 考 虑全 寿命 周期成本 的供水管 网优化设计 6 3 成本可根据市政工程预算定额计算 ； 管网维修成本受 管材 的质量及当地的土质条件等影响 ， 主要包括漏失 费用 、 管理费用及其他费用 ， 可由漏损率及表 6中各管 段流量计算得到 ， 其中表 6由各节点要求 出流量及两 种 管 材 的最 优 管 径 通 过 C语 言 编 制 管 网水 力 学 计 算 程序得到； 将管网建造成本 和维修成本通过资金换算 相加得到管网全寿命周期成本 ， 计算结果见表 7 。 表 6 不 同管材所对应的管段流量 m h 管段 管段流量 管段 管段流量 编号 铸铁管 塑料管 编号 铸铁管 塑料管 1 46 2 6 9 4 2 3 8 9 l l 6 O 4 2 4 8 7 6 2 l71 4 2 1 5 4 1 2 1 2 6 0 8 8 7 5 9 7 3 5 2 6 9 4 0 2 8 1 3 8 1 3 2 7 3 3 8 4 1 2 3 9 6 1 3 O 9 7 1 4 6 3 1 4 5 7 0 2 5 3 2 9 78 3 2 3 2 3 1 5 1 5 3 7 2 2 2 1 6 2 5 4 8 5 2 3 3 4 3 1 6 4 1 6 3 3 4 8 8 7 8 1 5 5 7 6 78 1 7 3 O 3 2 2 2 4 5 8 9 3 6 8 8 8 4l l 8 4 9 2 8 3 5 3 1 9 1 6 8 9 5 1 5 5 5 4 1 9 4 2 0 O 8 5 8 8 l0 1 2 4 43 1 1 1 1 l 2 0 3 6 2 8 l 3 2 5 3 表 7 管 网全 寿命 周期成本 元 通 过 以上对 比分 析 ， 可 以看到 塑 料管 的管 径小 ， 初 始投资相对较少 ， 但使用年限短 ， 漏损率大 ， 导致后期 维护费用大； 而铸铁管 管径较大 ， 初 始投资较 塑料管 大 ， 使用年限长 ， 漏损率相对较小 ， 后期维修费用较小 ， L C C较塑料管小 。综 上所述 ， 虽然塑料管 的初始投资 相对较小 ， 但后期维修成本较高 ， 致使 L C C较铸铁管 高。 4 结 语 本文将全寿命周期理论引入到供水管 网的优化设 计过程 中， 并对两种常用管材进行基于寿命周期成本 的管径优化 。通过对 比分析不 同管材在采用最优管径 情况下 的寿命周期成本 ， 说 明了传统管网优化设计只 考虑初始建设投资的不合理性 。在供水管网设计方案 选 择 阶段应 考虑 工程 整 个 寿 命 期所 需 费 用 ， 旨在 使 供 水管网的 L C C最小 ， 为供水管网的应用提供一定 的理 论支持 。该方法的缺点在于管网 L C C的量化计算是 基于一些经验或统计数据 ， 而没有考虑各种参数 的随 机性以及材料、 施工质量 和周期环境影响的不确定性 对成本的影响 ， 在 以后的研究中应考虑各因素影响 的计算误差。 参 考文 献 ： 1 洪乃丰 钢筋混凝土基础设施 的腐蚀与全寿命经济分析 J 建筑 技 术 ， 2 0 0 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 2 5 4 2 5 7 2 昊鑫淼 基 于寿命周期成本理论的水i f - 结构设计与维修 计划优化 D 天津： 天津大学， 2 0 0 8 3 王文芬， 陈晨 泵站加压 式树状供 水管 网优化 设计研 究 J 人 民 长 江 ， 2 0 1 6 ， 4 7 ( 1 2 ) ： 6 3 6 6 4 洪涛， 王新坤 ， 朱 燕翔 基 于模拟退火遗传算法的 自压微 灌干管管 网优 化 J 人 民长 江， 2 0 1 6 ， 4 7 ( s 1 )： 1 2 71 2 9 5 J a co b C h a n d a p i ll a i， S u d h e e r K P， S a s e e n d r a n S D e s i g n o f Wa t e r D i s t r i b u t i o n N e t w o r k f o r E q u i t a b l e S u p p l y J Wa t e r R e s o u r ce s M a n a g e me n t 。 2 0 1 2 ， 2 6( 2 ) ： 3 9 1 4 0 6 6 王梅 杰， 熊翰林 ， 王延可 基 于全寿命周期的供 热管网管径优 化设 计 方法 J 暖通空调 ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 9 ) ： 4 4 4 7 7 张朝辉 区域供冷供热方案 的 L C C评价 及 关键 参数分析 D 大 连 ： 大连理工大学， 2 0 0 7 8 傅 玉芬 城市供 水管网漏损控制 D 天津 ： 天津大学， 2 0 0 4 9 C J J 9 2 2 0 0 2城 市供 水管网漏损控制及评定标准 s 1 0 崔晓芸 城 市供水管 网系统方案优 选研 究 D 重 庆： 重庆大学 ， 2 0 0 7 1 1 苏海锋 ， 张建华 ， 梁志瑞 ， 等基 于 L C C和改进粒 子群算 法的配 电网多阶段 网 架规 划优 化 J 中国 电机 工 程 学报 ， 2 0 1 3， 3 3 ( 4 ) ： 1 1 81 2 5， 1 3 6 1 2 舒诗 湖 供 水管网系统不确定性 分析的理论 与发展 J 中国给 水排 水， 2 0 1 1 ， 2 7 ( 1 6) ： 3 03 3 ( 编辑 ： 胡旭 东) O p t im iz a t io n d e s ig n o f wa t e r s u pp ly n e t wo r k b a s e d o n Lif e Cy cle Co s t MA J in g ， WU X in m ia o ， Q I E Z h i h o n g ( I n s t i t u t e o f U r b a n a n d R u r a l C o n s t r u ct i o n ， A g r i cu lt u r a l U n i v e r s it y of H e b e i， B a o d in g 0 7 1 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： I n t r a dit io n a l u r ba n wa t e r s up p ly n e t wo r k o pt imiz a t io n d e s ig n，we o n ly t a k e t he init ia l inv e s t me nt in t o a cco u n t bu t n e g le ct t h e ma i n t e n a n ce ma n a g e m e n t co s t F o r t h i s ca