考虑全寿命周期成本的供水管网优化设计.pdf 4页

'第47卷第24期人民长江V01．47．No．242016年12月YangtzeRiverDec．，2016文章编号：1001—4179(2016)24—0060—04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071001)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(LCC)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PSO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：TU991文献标志码：ADoI：1O．16232／j．cnki．1001—4179．2016．24．O13随着爆管现象的频繁发生，供水管网的后期维修周期成本的冷冻水温度参数及保温层厚度优化设计模建设引起了社会各界的关注。由于我国正处于地下供型。本文考虑供水工程中常用管材的材料特性、投资水管网工程建设的高峰期，为了减小管网后期维护带成本和使用年限存在的不同，基于供水管网寿命周期来的不便和巨大的经济损失，在设计过程中考虑长期成本费用的定量分析，建立了以管网LCC最低为目标综合成本成为了一种必要。长期综合成本包括初始成函数的管径优化模型；并基于不同管材的管径优化结本和维修成本两部分。第一部分是指建设时的设计、果，进行LCC的对比分析，为管网设计阶段的方案选施工相关费用；第二部分包括保证达到寿命期所必须择和设计参数优化提供决策支持。的后续维护费¨。传统的供水管网设计主要常考虑1供水管网全寿命周期总费用分析初建成本，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1．1管网建造成本此本文提出基于LCC(全寿命周期成本)的供水管网管网建造成本由管网建设时产生的各项费用组优化方法，其核心是在设计阶段便考虑管网建成后的成，包括管网材料及安装费、设计费、监理费等施工费维修和管理问题，综合评估管网建造成本和维修成本，用。市政工程预算定额为单位长度管网的工程造力求达到工程全寿命周期内总费用最小。价，由于各供水管网长度不同，具体计算公式为目前将全寿命周期成本分析应用到供水管网优化P：P1+P2+P3+R+J(1)设计的研究较少。文献[6]综合考虑供热管网的初期式中，P为管网建设费用；P。管网材料及安装费；P：管建设成本和后期循环泵运营成本，通过对常用管径的网附属设施安装费用；P，为刨路费用；为设计费；J为寿命周期成本计算，得到最优设计管径。文献[7]通监理费，单位均为元。过对区域供冷供热系统进行寿命周期成本分析，指出(1)管网材料及安装费P。管网材料及安装延米影响其寿命周期成本的重要因素，并建立了考虑寿命费用A指不同口径、不同管材更换主干管时每米的平收稿日期：2016—07—07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。E—mail：majingl539l2@163．conl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。E—mail：wuxinmiao001@163．com 第24期马婧，等：考虑全寿命周期成本的供水管网优化设计61均造价，包含管网安装的主材、土方、安装、人工机械元／m，见表5；L为管网安装长度，m。本文路面等级费、打泵冲水消毒等正常施工费用，计算公式为采用普通油路。P。=AL(2)表5不同口径管网施工单位刨路费元／m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(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％。注：～表示一般不采用此种形式，所以没有价格，下同。所以，管网建造成本费用计算公式为(2)管网附属设施费用P：。管网附属设施费用P=Pl+P2+P3++在本文中主要指阀门和井室费用，包含阀门安装费、材=1．033[A+(++)0+](5)料费和砌井费，计算公式为1．2管网漏失成本P2=(++／1,)0(3)式中，为不同口径阀门的安装费用，元，见表2；为管网漏失成本包括漏失费、管理费和其他费用，其不同口径不同型号阀门材料费用，元，见表3；为不同中漏失费所占比例较大。一条管网自发生漏失后，随口径不同形式井室砌筑费用，元，见表4；0为附属设施着其漏失频率的增加，所造成的损失也会随时间逐渐数量。增加，不同管材、管径所对应的管段流量不同，漏失率表2不同口径阀门的安装费用不同，为此造成的漏失费用不同。为模拟其给供水行口径／mm安装费／元口径／ram安装费／元业和用户造成的经济损失，本文管网漏失总费用计算200419．O95002094．21公式为300975．156002781．93M=M1+2+M3(6)4001406．488004127．55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。表3不同口径不同型号阀门材料费用(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=krqT(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12％；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为管网漏损时表4不同口径不同形式井室砌筑费用间，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：①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；②维护信息传递调度系统费；③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(3)管网施工单位刨路费P。城市管网建设中，对居民的淹泡赔偿、绿地的赔偿和现场的清洁费等其管网开挖的刨路费根据道路等级的不同占有不同的比他可能发生的费用以及另外的不可预见的费用。另重，随着城市道路建设的发展，刨路费也在随之增加，外，漏失还会带来一系列的间接损失费用，例如企业名所以本模型将刨路费列出，计算公式为誉、服务中断带来的不良影响和对环境噪音尘土污染。P3=TL(4)根据经验取为漏失费用的10％。式中，．y为不同口径不同路面等级的刨路费单价，所以，管网漏失总费用计算公式为 62人民长江M=M1+2+M3=1．3M1=1．3krIqT(8)式中，为考虑局部水头损失后的系数，取1．1；n为糙1．3全寿命周期成本率系数；D为管径，in。工程中常用的两种管材(铸铁管和塑料管)的最3实例分析低使用年限分别为50a和30a¨。。。本文将设计年限以某供水管网为例，管网布置如图1所示。定为50a，假设铸铁管在相应的使用年限中每隔10a漏损的管道占原始管网的百分比Ix分别为10％，25％，45％，70％和100％；塑料管的IX分别为20％，50％和100％。所以，铸铁管每10a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YiIXf+Ylo‘l—l0+T20。0[1—20+y30·ai一3o+y4o·f40(9)图1各管段编号及计算模型同理可以计算塑料管在50a内的漏损程度。该模型管网共有22个管段(其中，1～20号管段假设设计年限内的管材物价保持不变，通过资金是铸铁管或塑料管；21，22号管段为当量水管)，14个等值换算到全寿命周期初时的成本为节点。其中管网分为两类：铸铁管(糙率系数采用nF=尸+∑50N一／=10(1‘(1。)+‘’=0．012)，塑料管(糙率系数采用n=0．009)。两个泵式中，为折现率，取3％o；N为管材设计年限。站水源，一个水塔水源，水塔水面标高为74in。3．1管网各参数的优化设计2基于PSO算法的管径优化在各节点出流量、管长已知的情况下，利用有约PSO算法最早是由Kennedy等借鉴鸟类寻找食物束条件的PSO算法对以LCC为目标函数，压力损失为的过程提出的一种基于种群的随机全局优化技术。作约束条件的该管网模型进行优化，分别得到铸铁管、塑为一种进化计算技术，PSO与传统的优化算法相比，能料管的最优管径D如图2，3所示。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PSO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Violent为零的粒子，比较适应度函数fitness的大小来寻找最优解。2．1目标函数以LCC为目标函数，费用最小者为最优方案。2．2设计变量图2铸铁管各管段尺寸及各节点出流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DN1400，室外管网的最小管径一般为DN50]。作为工程中常用的两种管材，铸铁管常用管径为DN300～DN120073，塑料管常用管径为DN200～DN600。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10％，其计算公式图3塑料管各管段尺寸及各节点出流量为[。3．2全寿命周期成本的计算AH=133358400凡。(11)D了室外供水管网采用直埋的方式敷设，其管网建造 第24期马婧，等：考虑全寿命周期成本的供水管网优化设计63成本可根据市政工程预算定额计算；管网维修成本受计过程中，并对两种常用管材进行基于寿命周期成本管材的质量及当地的土质条件等影响，主要包括漏失的管径优化。通过对比分析不同管材在采用最优管径费用、管理费用及其他费用，可由漏损率及表6中各管情况下的寿命周期成本，说明了传统管网优化设计只段流量计算得到，其中表6由各节点要求出流量及两考虑初始建设投资的不合理性。在供水管网设计方案种管材的最优管径通过C语言编制管网水力学计算选择阶段应考虑工程整个寿命期所需费用，旨在使供程序得到；将管网建造成本和维修成本通过资金换算水管网的LCC最小，为供水管网的应用提供一定的理相加得到管网全寿命周期成本，计算结果见表7。论支持。该方法的缺点在于管网LCC的量化计算是表6不同管材所对应的管段流量m／h基于一些经验或统计数据，而没有考虑各种参数的随管段管段流量管段管段流量机性以及材料、施工质量和周期环境影响的不确定性编号铸铁管塑料管编号铸铁管塑料管对成本的影响¨，在以后的研究中应考虑各因素影响1462．69423．89ll6O．4248．76的计算误差。2l71．42154．121260．8875．97参考文献：352．6940．281381．3273．38[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4123．9613O．971463．1457．02技术，2002，33(4)：254—257．5329．78323．231515．3722．216254．85233．431641．6334．88[2]昊鑫淼．基于寿命周期成本理论的水if-结构设计与维修计划优化781．5576．78173O．3222．45[D]．天津：天津大学，2008．893．6888．4ll849．2835．31[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9168．95155．541942．0O85．88长江，2016，47(12)：63—66．l0124．43111．1l2036．28l32．53[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，2016，47(s1)：127—129．表7管网全寿命周期成本元[5]JacobChandapillai，SudheerKP，SaseendranS．DesignofWaterDis—tributionNetworkforEquitableSupply[J]．WaterResourcesManage—ment。2012，26(2)：391—406．[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，2011，41(9)：44—47．[7]张朝辉．区域供冷供热方案的LCC评价及关键参数分析[D]．大通过以上对比分析，可以看到塑料管的管径小，初连：大连理工大学，2007．始投资相对较少，但使用年限短，漏损率大，导致后期[8]傅玉芬．城市供水管网漏损控制[D]．天津：天津大学，2004．[9]CJJ92—2002城市供水管网漏损控制及评定标准[s]．维护费用大；而铸铁管管径较大，初始投资较塑料管[10]崔晓芸．城市供水管网系统方案优选研究[D]．重庆：重庆大学，大，使用年限长，漏损率相对较小，后期维修费用较小，2007．LCC较塑料管小。综上所述，虽然塑料管的初始投资[11]苏海锋，张建华，梁志瑞，等．基于LCC和改进粒子群算法的配相对较小，但后期维修成本较高，致使LCC较铸铁管电网多阶段网架规划优化[J]．中国电机工程学报，2013，33高。(4)：118—125，136．[12]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4结语水排水，2011，27(16)：30—33．(编辑：胡旭东)本文将全寿命周期理论引入到供水管网的优化设OptimizationdesignofwatersupplynetworkbasedonLifeCycleCostMAJing，WUXinmiao，QIEZhihong(InstituteofUrbanandRuralConstruction，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071001，China)Abstract：Intraditionalurbanwatersupplynetworkoptimizationdesign，weonlytaketheinitialinvestmentintoaccountbutneglectthemaintenancemanagementcost．Forthiscase，anoptimalnetworkmodelandmethodbasedOilLifeCycleCost(LCC)wasproposed．Throughthequantitativeanalysisofthepipelineconstructioncostandoperationmaintenancecost，anoptimizationmodelthatistominimizethetotalcostofLCCwassetup．Meanwhile，PSOalgorithmwasalsousedtooptimizethepipediameterdesign．Byinstanceanalysis，optimaldiametersoftwokindspipesareobtainedrespectively．BasedoncomparisonoftheLCCandtraditionalcost，theresultcanprovidereferenceforschemeselectionandoptimizationdesignofwatersupplynetwork．Keywords：LifeCycleCost；costcomposition；costmodel；watersupplynetwork'