给水管道技术经济比较中应重视常年运行费用的量化分析

1、给水管道技术经济比较中应重视常年运行费用的量化分析                        摘要：应用达西魏斯巴赫(Darcy-Weisbach)公式，曼宁(Manning)公式及谢才(Chezy)公式，以管道的摩阻系数为其础，以塑料和钥筋混凝土两种管道为例，对“动态分析法”计算给水管道工程最低成本时的常年运行费用(30年全寿命期间、残值为零)展开量化

2、分析。 关键词：技术经济比较 常年运行费用 量化分析 折现 工程成本 水力坡降  Focus On Data Analasis Of the Cost Of Operation in ComparingWater Pipe Technical EconomyAbstract：By taking thep plastic pipe(PP) and reinforced pipe(PCP) for example，this paper is to give a data analysis with a view to the cost of operation (COO,residual

3、 value is during its 30-year life span), which is worked out by the dynamic analysis method to compute the lowest cost of water pipe project，with the employment of the eqcuations of thee:Darcy-weisbach, Manning and Chezy and the hydralic friction coefficient as the base.As the flow and pipe diameter

4、(eg.Q=100,000m3/d，DN1000)being fixed,the hydralic gradient on the calculating pipeline is analyzed order compare the difference of the COO and that of the static cost(maily refferring to the cost of the pipe material)Prior to comparision,the difference should be discounted (rate i=10%)into the cost

5、of investment for a project.Secondly,to compare the carrying capacity of pipe(CCOP) of the two kinds of pipe of the same diameter(DN1000)：provided,the outlay exceeds the COO by 18.8%,the CCOP of the PP will be 35.7 higher than the RCP；if the consumption is equal to the COO,the CCOP will be 27.5.When

6、 the CCOP ie defined as the same(Q=100,000m3/d),the diameter of the PP will be smaller than that of the RCP.Also，there will be reduction in the COO.The above said dynamic cost and static cost will have a great impact on the cost of work,and are very likely to choice of a plan.Keywords：comparing tech

7、nical economy；cost of operation(COO)；data analysis；discount；cost of work；hydraulic gradient工程设计方案技术经济比较的实质，就是各方案所体现的经济效果，即能以最少的人力、物力、财力消耗获得最佳的工程效益。为了正确评价方案经济效果的优劣，人们意识到“资金的时间价值”以后，感觉到“动态分析法”比“静态分析法”更符合客观经济规律。然而，采用了正确的评价方法，不等于评价出的结果就一定正确，因为人们往往对动态成本即常年运行费用等经常性的成本并未做出具体的量化分析，只是作出定性的说明，凭经验估计其数值的大小，缺乏足够

8、的依据，准确度低。本文针对这情况，结合工程实例，采用“最低成本法”，以两种典型管道塑性管与钢筋混凝土管为例，比较两方案的经济性。所谓“最低成本法”是“净现值法”的一种应用，对静态投资和常年运行费用折现计算，从所需费用的多少角度来评价，以成本净现值小的方案的为优。为简化计算，笔者仅对占工程成本主要部份的管道材料费、常年运行费用(能耗)的折现值差额来进行比较，为方案的整体评价提供依据。1 水力坡降计算公式的确定不同管材的水力计算应采用相应的公式，计算出的结果才与实际水力情况相吻合。、塑性管材因内壁光滑，管内壁的绝对粗糙层凸出高度完全浸没于层流边层中，粗糙面对水流阻力很小，类似于流体在完全光滑的管路

9、中流动，被认为是水力光滑管。因此，其水力坡降只与液体性质、温度、流速、管径有关，而与表面粗糙度无关。故采用达西魏斯巴赫(DarrcyWeisbach)公式及雷诺(Reynolds)公式计算水力坡降。达西魏斯巴赫公式； i=d-1v2/2g式中：i水力坡降；摩阻系数；d管子的计算内径(m)；V平均水流速度(皿/s)；g重力加速度，为9.81(m/s2)。应用公式(1)时，应先确定系数入值，对于各种材质的塑性管(硬聚氯乙烯管、聚丙烯管、聚乙烯管等)摩阻系数定为：雷诺公式：=0.25/Re0.226 (2)式中：Re雷诺数；Re=vd/Y (3)其中：Y液体的运动粘滞系数(n2/s)，当Y=1.3&

10、#215;10-6/s(水温为10时)，将公式(2)和(3)中求得中求得的值代入公式(1)中，进行整理后得到：i=0.000915×Q1.774/d4.774 (4)式中：Q计算流量(m3/s) 、d管子的计算内径(m)、钢筋混凝土管、铸铁管、钢管(水泥砂将衬里)等因表面粗糙度较大一般均超出层流边层液面对流体形成阻力作用，因此采用曼宁(Mannins)公式和谢才(Chezy)公式计算水力坡降。谢才公式：v=CRJ(5)曼宁公式：C=1/n×R1/6 (6)其中：v平均水流速度(m/s);C一谢才系数;R水力半径(m)；J水力坡降；n粗糙系数。将公式(6)代入公式(5)及R-

11、1/4Xd(其中d-管子计算内径(m)v=1/n×R1/6RJ整理得到：J=44/3×n2×v2/d4/3=10.29(nQ/D8/3)2 (7)钢筋混凝土管，满流时n=0.013。(4)式中i与(7)式中J同义，均为水力坡降。本文仅取塑性管与钢筋混凝土管(以下简称钢砼管)为例作量化分析。2 设管道流量一定(取Q=100000n3/d)、选用相同管径(DNl000)时，常年运行费用的分析2.1 水头损失Q=100000 m3/d=1.157 m3/s塑料管水利坡降：i=0.000915×Q1.774/d4.774 =0.000915×1.157

12、1.774/d4.774 =1.19钢砼管水利坡降：i=10.29(nQ/d8/3)2 =10.29(0.013×1.157/18/3)2 =2.33两种管道的水头损失差值：hf=hf砼-hf墨=1000.L(J-I)(mH2O)式中：L计算管段长度(km)若取L=3.5(km)，则hf=3.5×1000×(2.33-1.19)=3.99(mH2O)即，在此3.5km长的DNl000管段上当流量为10000m3/d时，两种管材的沿程水头损失差值为3.99mH2O柱2.2常年运行费用(能耗)差额管网常年运行费用是通过泵站电能消耗来维持的，因此两种管材的常年运行费用的

13、差额即泵站电能消耗的差额。E=0.994QChf/(K)其中：E两种管材常年运行费用的差额(万元)；Q计算平均流量(m3/d)；C电价(元/KWh)；hf水头损失差值(mH2O)；电机水泵联合工作效率；K供水时变化系数。 按东台地区及东台市南苑水厂实际运行情况确定上述参数：Q=100，000m3/dC=0.649元/KWh=65.7K=.3则：E=0.994×100000×O.649×3.99/(0.657×1.3) =30.14(万元/年)2.3常年运行费用差额折现在目前各种管材的服务寿命无权威资料明确说明的情况下，取管道全寿命期均为n=30年，折现率

14、i=10，残值为零，管道按当年投资当年运行计算。则：E=E×1+1/(1+i)+1/(1+i)2+1/(1+i)3+1/(1+i)29 =30.14×1+1/(1+10%)+1/(1+10%)2+1/(1+10%)3+1/(1+10%)29 =312.54(万元)结果表明，当同用DNl000钢砼管与塑性管，保证100000 m3/d的输水状况下，钢砼管在全寿命期间比塑性管多支出的常年运行费用(电耗)折现值为312.54万元。2.4两种管材的静态费用(主要指管材成本，塑性管以PE管为例)比较DN1000塑性管1200元/mDN1000钢砼管513元/mDN1200塑性管120

15、0元/m DN500钢砼管182元/mDN900塑性管1000元/mDN500塑性管330元/m(上述主材价格为笔者收集)DN1000塑性管管材成本F1=1200元/m×3500m=420万元，DN1000钢砼管管材成本F2=513元/m×3500m=179.55万元则静态费用塑性管多支出：F=F1-F2 =420-179.55=240.45(万元)2.5两种管道成本净现值比较两种管材的常年运行费用差额折现值与主材成本差额值存在下列关系：F-E=240.45-312.54 = -72.09(万元)这表明虽然管道的主材费用塑性管比钢砼管多支出240.45万元，但塑性管每年节约

16、常年运行费用30.14万元，将其折现为工程建设时的值为312.54万元，在全寿命期间塑性管在工程总造价中会比钢砼管降低成本72.09万元，所以应优先选采用塑性管材2.6由于塑性管水力坡降较小，相对于其它管材而言在出厂水压相同时，在管网上相同的地点上用户水压会高于钢砼管，可以保证更多的用户对水压的要求。此项分析，将在后文的例题中阐述。                       

17、      3 当常年运行费用(即水力坡降、能耗)、管径相同时的输水能力分析。设定管径为DN1000(d=1.0)对钢砼管：n=0.013Q2=1.157m3/sv2=1.474m/sJ=10.29×n2Q22/d16/3=0.001739Q22=0.00233对塑性管：i=0.000915×Q1.7741/d4.774由i=J求得：Q=100000×2.0/1.474=13.57(万m3/d)(13.57/10-1)×100=-35.7上述计算表明在管径相同的情况下塑性管材可有提高输水能力，如

18、DN1000管道可提高输水能力达35.7，这为将来城市发展后的供水留下相当大的容量、为水厂的扩建推迟了很长的时间。校核当v=2.0 m/s时塑性管的实际水力坡降：i=0.000915×1.571.774=2.042.33则当Q1=13.57万m3/d时，两种管道消耗的常年运行费用差额为：E=0.994C(Q1f1-Q2f2)/K =0.994C(Q1i塑-Q2i砼)L/K =0.994×0.649×(135700×2.04-100000×2.33)/(0.657×1.3) 3.31(万元年.km)其中L计算管段长度(km)提高数额的百

19、分比为：3.31×1.3×0×657/(0.994×0.649×2.33×100000)×100=18.89即在提高输水能力35.7时，仅需多提供18.8的常年运行费用，其经济效益显而易见。在相同计算管线上，若常年运行费用相同时，应满足下列关系：Q1f1-Q2f2=0，即，0.00915Q12.774-0.001793Q23=0Q1=1.9Q23，Q2=1.57(m3/s)得：Q1=1.476(m3/s)=12.75(万m3/d)其输水能力提高：(12.75/10-1)×10027.5K所以，当常年运行费用相同时，

20、塑性管的输水能力会提高27.5，可提供12.75(万m3/d)流量，其水力坡降为：i=0.000915×Q11.774/d4.774=0.000915×1.4761.774=1.83常年运行费用为：E=0.994CQ1i/k =0.994×0.649×127500×1.83/(0.657×1.3) =17.62(万元年.km) 4 流量、常年运行费用相同时，两种管材的管径比较常年运行费用相同，即水力坡降相同。钢砼管：J=10.29×n2Q22/d16/3 =0.001739Q22 =0.00233塑性管：i=0.000915/Q11.774/d4.774由i=J,取钢砼管：d2=1.0mn=0.013Q=1.157m3/s得，d14.774=0.000915/10.29Q0.226n2=0.000915/10.29×1.1570.226×0.0132=0.5091(m)求得：d1=0.868(m)若取d1=0.8(m)，则v1=4Q/d12=2.30(m/s)2.0(m/s)故取d1=0.9(m)，则v1=1.82(m/s)2.0(m/s)现校核水力坡降：