给水管网工程设计ppt课件

第六章 给水管网工程设计,6.1 设计用水量及其调节计算 6.2 设计流量分配与管径设计 6.3 泵站扬程与水塔高度设计 6.4 管网设计校核,6.1 设计用水量及其调节计算,一、最高日设计用水量计算 1.最高日设计用水量定额 1）居民生活用水 城市居民生活用水量的主要影响因素： 城市人口； 每人每日平均生活用水量； 城市给水普及率等。 影响生活用水量的因素很多，设计时，如缺乏实际资料，则居民生活用水定额和综合生活用水定额可参照室外给水设计规范的规定。,一、最高日设计用水量计算 2）工业企业生产用水和生活用水 工业生产用水 工业生产用水一般是指工业企业在生产工程中用于冷却、空调、制造、加工、净化和洗涤方面的用水。在城市给水中，工业用水占很大比例。 设计年限内生产用水量的预测方法： 根据工业用水的以往资料，按历年工业用水增长率以推算未来的水量；根据单位工业产值的用水量、工业用水量增长率与工业企业产值的关系来推算； 根据单位产值用水量与用水重复利用率的关系加以预测。 工业用水指标一般是以万元产值用水量表示。 影响因素：类别不同；同类别，管理水平、工艺条件和产品结构的变化；重复利用率。,一、最高日设计用水量计算 2）工业企业生产用水和生活用水 工业企业内工作人员生活用水 工业企业内工作人员生活用水量和淋浴用水量可按工业企业设计卫生标准(GBI 1-2002)。工作人员生活用水量应根据车间性质确定，一般车间采用每人每班25L，高温车间采用每人每班35L（附表2）。 生产用水量通常由企业的工艺部门提供。在资料缺乏时，可参考同类型企业用水指标。在估计工业企业生产用水量时，应按当地水源条件、工业发展情况、工业生产水平，预估将来可能达到的重复利用率。,一、最高日设计用水量计算 3）消防用水量 消防用水量、水压和火灾延续的时间等，应按照现行的建筑设计防火规范(GB 50016-2006)和高层民用建筑设计防火规范(GB 50045-95)等执行。 4）其它用水 道路和绿地用水量应根据路面种类、绿化面积、气候和土壤等条件确定。浇洒道路用水量一般为每平方米路面每次1-2L，每日2-3次；大面积绿化用水量可采用 。 城市未预见水量和管网漏失水量可按最高日用水量的合并计算(15%25%)，工业企业自备水厂的上述用水量可根据工艺和设备情况确定。,一、最高日设计用水量计算 2. 最高日设计用水量计算 城市最高日设计用水量计算时，应包括设计年限内该给水系统所供应的全部用水：居民区综合生活用水、工业企业生产用水和职工生活用水、消防用水、浇洒道路和绿地用水、城市未预见水量和管网漏失水量，但是不包括工业自备用水量所供应的水量。 设计用水量应先分项计算，最后进行汇总。由于消防用水量是偶然发生的，不累计到设计用水量中，仅作为设计校核使用。,一、最高日设计用水量计算 4）浇洒道路和大面积绿化用水量 5） 未预见水量和管网漏失水量 6）消防用水量 7）最高日设计用水量,二、设计用水量变化及其调节计算,1. 设计用水量变化规律的确定 用水量变化规律可以用变化系数或变化曲线表示。为了计算给水管网各部分的设计流量，必须给出最高日用水量的变化规律。 粗略方法 只确定最高日总用水量的变化系数，或分大项用水量确定变化系数，用水量变化曲线则参考本市历史实测资料或相近地区实测资料； 精确方法 逐项用水量计算它们在最高日各小时量，最后累计出最高日总用水量分配在各小时的量，从而绘制出最高日用水量变化曲线。,下面给出若干建议和资料，供设计人员在资料缺乏时参考： 1）室外给水设计规范规定，城市供水中，时变化系数、日变化系数应根据城市性质、城市规模、国民经济与社会发展和城市供水系统并结合现状供水曲线和日用水变化分析确定；在缺乏实际用水资料情况下，最高日城市综合用水的时变化系数宜采用1.31.6，日变化系数宜采用1.11.5，个别小城镇可适当加大； 2）室外给水设计规范规定，工业企业内工作人员的生活用水时变化系数为2.53，淋浴用水量按每班延续用水1小时确定变化系数； 3）工业生产用水量一般变化不大，可以在最高日内各小时均匀分布。,二、设计用水量变化及其调节计算,2.供水泵站供水流量设计 供水设计的原则是： 1)设计供水总流量必须等于设计用水量，即： 2)对于多水源给水系统，由于有多个泵站，水泵工作组合方案多，供水调节能力比较强，所以一般不需要在管网中设置水塔或高位水池进行用水量调节，设计时直接使各水源供水泵站的设计流量之和等于最高时用水流量，但各水源供水量的比例应通过水源能力、制水成本、输水费用、水质情况等技术经济比较确定。,二、设计用水量变化及其调节计算,3）对于单水源给水系统，可以考虑两种方案： 管网中不设水塔（或高位水池），供水泵站设计供水流量为最高时用水量； 或设置水塔（或高位水池），应先设计泵站供水曲线，具体要求： 泵站供水一般分二级，如高峰供水时段分一级，低峰供水时段分一级，最多可以分三级，即在高峰和低峰供水量之间加一级，分级太多不便于水泵机组的运转管理； 泵站各级供水线尽量接近用水线，以减少水塔或高位水池的调节容积，一般各级供水量可以取相应时段用水量的平均值； 分级供水时，应注意每级能否选到合适的水泵，以及水泵机组的合理搭配，并尽可能满足目前和今后一段时间日用水量增长的需要； 必须使泵站24小时供水量之和与最高日用水量相等，如果在用水量变化曲线上绘制泵站供水曲线，各小时供水量也要用其点最高日总水量（也就是总供水量）的百分数表示，24小时供水量百分数之和应为100%。,二、设计用水量变化及其调节计算,3.调节容积计算 取水和给水处理系统按日平均流量设计，供水泵站按用水量工作（无水塔或高位水池时）或按接近用水量的2-3级供水（有水塔或高位水池时），这使给水处理系统与给水管网之间存在流量差。为了调节流量差，必须建造清水池。 无论是清水池或水塔，调节构筑物的共同特点是调节流入和流出的两个流量之差，其调节容积为：,二、设计用水量变化及其调节计算,4.清水池和水塔容积设计 清水池中除了贮存调节用水量以外，还存放消防用水量和给水处理系统生产自用水量，因此，清水池有效容积为： W1清水池调节容积，m3； W2消防贮备水量，m3，按2h室外消防用水量计算； W3 给水处理系统生产自用水量，m3，一般取最高日用水量的5%-10%； W4安全储备水量，m3。 在缺乏资料，不能进行水量调节计算的情况下，一般清水池容积可按最高日用水量的10%-20%设计。工业用水可按生产上的要求确定清水池容积。,二、设计用水量变化及其调节计算,水塔除了贮存调节用水量外，还需要贮存室内消防用水量，因此，水塔设计有效容积为： 式中 W1 水塔调节容积， W2 室内消防贮备水量，按10min 室内消防用水量。 在缺乏资料，不能进行水量调节计算的情况下，一般水塔容积可按最高日用水量的2.5%-3%至5%-6%计算，城市用水量大时取低值。工业用水可按生产上的要求（调节、事故和消防）确定水塔容积。,二、设计用水量变化及其调节计算,例题6.1 如图按6.1所示用水量变化曲线及泵站供水曲线，分别计算管网中设水塔和不设水塔时的清水池调节容积，以及水塔调节容积。,清水池与水塔调节容积计算表,6.2 设计流量分配与管径设计,一、节点设计流量分配计算 1.用水量的分配 1）用户分类 集中用水户 集中用水户-集中流量 分散用水户 分散用户-沿线流量： 集中流量的取水点一般就是管网的节点，或反过来说，有集中流量的地方，必须作为节点；沿线流量则认为是从管段的沿线供应。,一、节点设计流量分配计算 2）集中流量的计算 集中流量一般根据集中用水户在最高日的用水量及其时变化系数计算，应逐项计算，即： 3）沿线流量的计算 沿线流量一般按管段配水长度分配计算，或按配水管段的供水面积分配计算，即： 或,各集中用水户的集中流量,时变化系数,各集中用水户最高日用水量,各管段沿线流量,按管段配水长度分配沿线流量的比流量；,各管段沿线配水长度,按管段供水面积分配沿线流量的比流量,各管段供水面积,一、节点设计流量分配计算 注意： 配水长度不一定是实际管长 两侧无用水的输水管，配水长度为零；单侧用水管段的配水长度取其实际长度的；只有部分管长配水的管段按实际比例确定配水长度；只有当管段两侧全部配水时管段的配水长度才等于其实际长度。 供水面积的计算 当管段供水区域内用水密度较大时，其供水面积值可以适当调大；反之，当管段供水区域内用水密度较小时，其供水面积值可以适当调小。 4）所有集中流量和沿线流量计算完后，应核算流量平衡，即 如果有较大的误差，则应检查计算过程中的错误；如误差较小，可能是计算精确度误差，可以直接调整某些项集中流量和沿线流量，使流量达到平衡。,一、节点设计流量分配计算 2.节点设计流量计算 为了便于分析计算，对抽象的给水管网管网图有一个基本假设，即所有流量只允许从节点处流出或流入，管段沿线不允许有流量进出。 节点流量计算原则： 1）集中流量可以直接加到所处节点上； 2)沿线流量则可以按前面论述的水力等效的原则，将它们转移到管段两端的节点上。具体就是将沿线流量一分为二，分别加到两端节点上。 3）供水泵站或水塔的供水流量也应从节点处进入管网系统，其方向与用水流量方向不同，应作为负流量。,一、节点设计流量分配计算 节点设计流量是最高时用水集中流量、沿线流量（转移后）和供水设计流量之和，假定流出节点为正向，则用下式计算：,节点j的节点设计流量,最高时位于节点j的集中流量,位于节点j的（泵站或水塔）供水设计流量,最高时管段的沿线流量,节点j的关联集,在计算完成节点设计流量后，应验证流量平衡，因为供水设计流量应等于用水设计流量，而两者只能从节点进出，显然有：,二、管段设计流量分配计算,1. 树状管网管段流量分配计算 在树状管网中，从水源到各节点，只能循一个方向供水。因此各管段的流量等于该管段以后（顺水流方向）所有节点流量总和。 可以看出：树状网的流量分配很简单，易于确定各管段的计算流量，并且只有唯一的一个数值。 2. 环状管网管段流量分配计算 在环状网中，流量分配比较复杂，因各管段的流量与以后各节点流量没有直接联系，并且在一个节点上连接几条管段，因此任一节点的流量包括该节点流量和流向以及流离该节点的几条管段流量。环状网流量分配时，必需保持每一节点的水流连续性，即满足。,环状管网流量分配的步骤一般为： 1）按照管网的主要供水方向，初步拟定各管段的水流方向，并选定整个管网的控制点。 2）从管网起端的节点开始，顺水流方向按照每一节点符合水流的连续性，进行流量分配； 3）多水源管网，应由每一水源的供水量定出大致的供水范围，初步确定各水源的供水分界线，然后从各水源开始，循供水主要方向，按每一节点符合水流连续性条件，以及经济和安全供水考虑，进行流量分配。,三、管段直径设计,确定管段的直径是给水管网设计的主要课题之一，管径与设计流量的关系为： 从上式可知，管径不但和管段设计流量有关，而且和设计流速的大小有关，如管段的设计流量已知，但是设计流速未定，管径还是无法确定。因此要确定管径必须先选定设计流速。 因此，一般采用优化设计方法求得设计流速或管径的最优解，在数学上表现为求一定年限年（称为投资偿还期）内管网造价和管理费用（主要是电费）之和为最小流速，称为经济流速，以此来确定的管径称为经济管径。,三、管段直径设计,设管网一次性投资的总造价为C，每年的管理费用为Y，则管网每年的折算费用为： 其中每年的管理费用一般分两项计算：,Y1管网每年折旧和大修费用，该项费用约与管网建设投资费用成比例； Y2管网年运行费用，主要考虑泵站的年运行总费用，其它费用相对较少，可忽略不计； p管网年折旧和大修费率（%）。,由上两式得：,式中C和Y2都与管径和设计流速有关，前者随着管径的增加或设计流速的减小而增加，后者则随着管径的增加或设计流速的减少而减少。,三、管段直径设计,选取经济流速和确定管径时，可以考虑以下原则： 1)大管径可取较大的经济流速，小管径可取较小的经济流速； 2）管段设计流量占整个管网供水流量比例较小时取较大的经济流速，反之取较小的经济流速； 3）从供水泵站到控制点（即供水压力要求较难满足的节点，可能有多个）的管线上的管段可取较小的经济流速，其余管段可取较大的经济流速； 4）管线造价较高而电价相对较低时取较大的经济流速，反之取较小的经济流速；,三、管段直径设计,5）重力给水时，各管段的经济管径或经济流速按充分利用地形高差来确定，即应使输水管渠和管网通过设计流量时的水头损失总和等于或略小于可以利用的水压标高差； 6）根据经济流速计算出的管径如果不符合市售标准管径时，可以选用相近的标准管径； 7）当管网有多个水源或设有对置水塔时，在各水源或水塔供水的分界区域，管段设计流量可能特别小，选择管径时要适当放大，因为当各水源供水流量比例变化或水塔传输（即进水）时，这些管段可能需要输送较大的流量； 8）重要的输水管，如从水厂到用水区域的输水管，或向远离主管网大用户供水的输水管，在未连成环状管网且输水末端没有保证供水可靠性的贮水设施时，应采用平行双条管道，每条管道直径按设计流量的50%确定。另外，对于较长距离的输水管，中间应设置两处以上的连通管（即将输水管分未3段以上），并安装切换阀门，以便事故时能够局部隔离，保证到达规范要求的70%以上供水量要求。,三、管段直径设计,6.3 泵站扬程与水塔高度设计,在根据管段设计流量和经济流速选定管径后，接着应确定泵站的设计扬程和水塔高度，以便进行泵站选泵。 一、设计工况水力分析 给水管网的设计工况即最高日最高时的用水工况，对此工况进行水力分析所得的管段流量和节点水头等一般都是最大值，用它们确定泵站扬程和水塔高度通常是安全的。但是，在泵站扬程和水塔高度未确定之前，对设计工况的水力分析有两个前提条件不满足，需要进行预处理。 1. 泵站所在管段的暂时删除,一、设计工况水力分析 2.假设控制点 按照管网水力分析的前提条件，管网中必须至少有一个定压节点，才可以恒定流方程组可解。但是，对于设计工况水力分析而言，由于泵站所在管段的暂时删除，则清水池所在的节点已经与管网分离，加之水塔的高度还未确定，所以管网中没有一个已知节点水头的节点，即没有一个定压节点。 节点服务水头: 即节点地面高程加上节点处用户的最低供水压力。 控制点:即给水管网用水压力最难满足的节点。 如果管网中不设水塔而由泵站直接供水时，应使二级泵站的扬程满足离泵站最远和地形高的地点，达到规定的最小服务水头，这个地点即为控制点。,二、泵站扬程设计 管道沿程水头损失可以根据管段设计流量（即泵站设计流量）和管径等计算，局部水头损失一般可以忽略不计，则上式可以写成：,管道i的沿程水头损失,终端节点水头,管道i的沿程水头损失,管段i起始端节点水头,泵站扬程,三、水塔高度设计 为了安全起见，此式所确定的水塔高度应作为水塔水柜的最低水位离地面的高度。在考虑水塔传输（进水）条件时，水塔高度还应加上水柜设计有效水深。,水塔所在节点水头,水塔高度,地面高程,6.4 管网设计校核,给水管网按最高日最高时用水流量进行设计，管段直径、水泵扬程和水塔高度等都是按此时的工况设计的，虽说它们一般都能满足供水要求，但有一些特殊情况，它们不一定能保证供水。 1）管网出现事故造成部分管段损坏； 2）管网提供消防灭火流量； 3）管网向水塔传输流量等。 因此对它们相应的概况进行水力分析，校核管网在这些工况下能否满足供水流量与水压要求。通过校核，有时需要修改管网中个别管段直径，也有可能需要另选合适的水泵或改变水塔的高度等。由于供水流量和压力是紧密联系的，所以，校核指标同时包括供水流量和压力两个方面。,为了校核进行水力分析有两种方法： 1）水头校核法 即假定供水流量要求可以满足供水，通过水力分析求出供水压力，校核其是否可以满足要求。 2） 流量校核法 即假定供水压力要求可以满足，通过水力分析求出供水流量，校核其是否可以满足要求。 由于流量与压力的关联关系，只要一者不满足要求，实际上两者都不能满足要求。,一、消防工况校核,为了安全起见，要按最不利的情况即最高时用水量加上消防流量的工况进行消防校核，但节点服务水头只要求满足火灾处节点的灭火服务水头，而不必满足正常用水的服务水头。 在计算消防流量时： 1）如果只考虑一处火灾时，消防流量一般加在控制点上； 2）当考虑两处或两处以上同时火灾时，另外几处分别放在离供水泵站较远、靠近大用户、居民密集区或重要的工业企业附近的节点上； 3）对于未发生火灾的节点，其节点流量与最高时相同。,一、消防工况校核,灭火处节点服务水头按最低压消防考虑，即10米的自由水压。 消防工况校核一般采用水头校核法，即先按上述方法确定各节点流量，通过水力分析，得到各节点水头，判断各灭火节点是否满足消防服务水头。 虽然消防时比最高时用水时所需服务水头要小得多，但因消防时通过管网的流量增大，各管段的水头损失相应增加，按最高用水时确定