长距离输水管道工程经济管径的确定

在输水管道工程尤其是长距离输水管道工程建设中，管材投资占工程总投资的比重较大，输水管材选定后，管径大小的选择直接影响工程投资和年运行费用，确定经济合理的管径方案，对节省工程投资、方便运行管理意义重大。

1.管径与工程费用的关系

当输水管道工程设计流量确定后，管径大小的选择主要与流速有关，管径大小与流速的平方根成反比。设计流速越小，所需管径越大，管道工程投资相应增加，但由于流速减小，输水过程中的水头损失减少，泵站扬程可以降低，输水电费降低，减少了运行管理费用。反之，设计流速增加，所需管径越小，管道工程投资减少，但流速增加，输水过程中的水头损失增加，泵站扬程增加，输水电费增加，运行管理费用亦随之增加。管道工程投资随着管径增加而增加，运行费用随着管径减小而增加，工程设计中，一般通过对一系列管径进行分析，将满足管材规格要求、工程投资年折算费用与年运行费用 （年费用）之和最小的一组管径作为经济管径。管径与工程费用的关系见图1。

图1 管径与工程费用关系示意图

2.经济管径的确定方法

2.1 静态法

输水工程管径大小的确定主要与流速有关，若根据工程经验首先确定经济流速，即可求出经济管径，公式为：

式中：D—经济管径（m）；

q—设计流量(m3/s)；

v—流速(m/s)。

该方法一般在项目初期初拟管道管径时采用，由于经济流速选择带有一定的主观性，设计人员往往考虑采用流速范围偏小值，并选用计算管径向上侧规格管径，便于初期控制工程投资，同时从公式参数可以看出，静态法用单一流速进行控制，不能综合考虑具体工程项目在管材价格、施工条件、征地拆迁、水头损失、电费单价等方面因素对管径确定的影响。

2.2 动态法

动态法通过考虑工程投资和年运行费用的时间价值，折算后采用统一时间尺度，对不同管径对应的工程投资或运行费用进行比较分析。根据对工程投资和年运行费用的不同处理方式，可分为年值法和净现值法两种计算方法。

年值法：年值法是考虑工程投资的时间价值，将工程投资等值折算到工程运行年值后，再与工程年运行费相加进行比较的方法。

A=1.4QHS+[(1+i)Ni/((1+i)N-1)]C

式中：

A—单位长度管道年成本（元/m·a）；

Q—管线设计流量（m3/s）；

H—单位长度管线水头损失（m/m）；

S—电费单价（元/kW·h）；

I—投资收益率（一般取6%～8%）；

N—计算年限（可取30a或50a）；

C—单位长度综合投资（元/m）。

净现值法：净现值法是考虑年运行费的时间价值，将工程年运行费用换算为现值，再与工程投资现值相加进行比较的方法。

W=C+[((1+i)N-1)/(1+i)Ni]A

式中：

W—费用总值（元）；

C—管道工程建设总投资（元）；

A—年运行费（元）；

其余指标同前。

目前，工程设计中采用年值法较多，该方法能较好地反映电费变动。

3.工程实例

某长距离输水管道工程全长43km，由3段输水线路组成，其中输水干线16.1km，工程设计输水流量1.15 m3/s，经综合比较分析，确定选用球墨铸铁管作为输水管材、单管输水方案。根据工程总体布置方案，工程输水须采用泵站加压方式，在干线首端设加压泵站1座。

3.1 静态法初选管径

在可研阶段，采用静态法初步确定经济管径，考虑到管道流速须满足不冲不淤要求，取经济流速为0.8～1.2m/s，经计算分析，当取管径为1.2m时，管道流速1.02m/s，处于经济流速范围，初选管径为1.2m。静态法管径计算过程见表1。

3.2 动态法管径确定

在初设阶段，采用动态法对输水干线管径方案进行深入比选分析，无论是采用年值法还是净现值法，均需要对不同管径的管道工程投资进行计算，工程投资考虑管材造价、土方开挖、土方回填、征迁投资、管线附属建筑物建设及泵站工程投资等，工程运行费主要考虑电费、管理费、大修费等，投资计算单价指标应结合工程区的特点合理确定，这一实例工程分别采用净现值法和年值法进行比较分析。详见表2、表3。

表1 静态法初选管道直径计算表

由表2、表3可见，管径为DN1200时，无论是净现值法还是年值法，年值及净现值均为最低，该管径具有投资优势，且由两种方法确定的经济管径具有一致性，其费用趋势与图1所示基本一致，确定输水干线采用管径为DN1200。

表2 净现值法管道直径计算表

表3 年值法管道直径计算表

4.结语

一是在输水管道工程设计流量及管材已经确定的条件下，管径选择对管道工程投资同样影响较大，管道工程投资随管径增加而增加，运行费用随管径减小而增加。二是经济管径的确定对应相应经济流速，管道流速除考虑满足管道不冲不淤要求外，还应注意采用标准规格管径，避免采用异形管径影响工程招标及施工。三是在项目设计初期可采用静态法初拟管径，后期则应根据年费用值或年净现值最小原则合理确定经济管径，从这一工程实例可以看出，采用年现值法和净现值法确定的经济管径具有一致性，但从设计经验方面考虑，年现值法较为常用。