河北科技大学 建投水务一体化优化1.docx
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河北科技大学建投水务一体化优化1
沧州东部地区饮水安全工程方案优化
技术路线目录
1.城乡一体化供水的意义1
1.1解决农村吃水难1
1.2改善村民饮水水质1
1.4遏制地质环境的持续恶化1
1.5贯彻科学发展观和建设社会主义新农村2
1.6解决沧州东部地区饮水安全工程正式启动2
2.供水方式的选择2
2.1水库边建净水厂的供水方式2
2.2中心城镇建净水厂的供水方式3
2.3村镇分散建净水厂的供水方式3
3.供水安全的保障措施3
3.1水质保障措施3
3.2双管线输水4
3.3环状供水4
3.4调蓄工程的建设4
3.5双水源供水4
4.水处理工艺的选择4
4.1国家新饮用水标准的实施4
4.2传统的水处理工艺5
4.3深度处理工艺5
4.4以膜技术为代表的第三代水处理工艺5
4.5小型一体化超滤膜供水装置5
5.输配水管网的优化6
5.1各种供水管材的造价分析6
5.2各种管材的经济流速8
5.3管材性能比较8
5.4年费用折算值法进行输配水方案的经济评价10
6.供水成本与水价分析13
6.1供水成本的构成13
6.2固定成本分析13
6.3可变成本分析15
6.4年供水总成本与水量规模的关系15
6.5单位供水成本的构成15
6.6单位售水水价的构成16
6.7水价构成的分析16
7.工程设计规模的控制16
7.1需水量预测的误区16
7.2达不到设计规模对经营效益的影响17
7.3以容量水价有效控制工程设计规模17
8.方案优化的结论18
8.1供水方式的优化18
8.2水处理工艺的选择18
8.3输配水管线方案的优化18
8.4容量水价办法的实行19
沧州东部地区饮水安全工程方案优化的
技术路线
1.城乡一体化供水的意义
1.1解决农村吃水难
沧州东部沿海地区素有“九河下梢”之称,河网纵横、渠道密布。
近年来,各个河道来水受中上游制约严重。
随着中上游拦蓄能力的提高,地区内主要承接上游来水的河系南排河、宣惠河水量逐年减少,对地下水的补给越发困难。
地表水和浅层地下水已不能满足用水需要,转向深层地下水开采。
由于地下水的超量开采致使地下水位持续下降,水源井被不断报废,东部地区很多村镇已出现村民吃水难。
1.2改善村民饮水水质
沧州东部沿海地区区内浅层地下水埋深0-20米,大部分地区为矿化度大于3g/L的咸水,最高矿化度达40g/L。
坑塘等受地面水长期淋滤的地区,为矿化度小于2g/L的淡水和微咸水;深层地下水埋深20-600米,均为承压水,埋深100米以内的地下水水质极差,矿化度15-40g/L,埋深100-200米处的地下水为矿化度大于3g/L的微咸水,东部地区各县的很多村镇多年饮用苦咸水。
多年水资源匮乏使供需矛盾逐年加剧。
沧州东部地区在200-600米深处矿化度为1-3g/L,是淡水的开采区,而氟含量2-7mg/l。
由于深层地下水含氟量超过国家饮用水标准(0.5-1mg/l),因长期饮用高氟地下水,90%的孩子长了氟斑牙,35%的成年人不同程度的患有氟骨病。
1.4遏制地质环境的持续恶化
随着地方经济的发展,近乎疏干性的开采使地质环境遭到严重破坏,地下水位急剧下降,水源井不断报废,地下漏斗不断扩展,地面沉降加剧。
在沧州市大浪淀水库和改水降氟工程正式供水以前,沧州市区2003年第Ⅲ含水组水位已降至100.8米(-94.41米),50米漏斗面积6814平方公里,2002年地面沉降量已达2.236米,年均100.4毫米。
1.5贯彻科学发展观和建设社会主义新农村
科学发展观要求统筹城乡经济社会发展。
在城镇和农村建设统一的供水和污水处理设施,将极大改善村镇的基础设施建设水平,促进投资环境的改善和区域经济结构的调整,为地区经济发展提供有力的保障,同时满足实现区域经济社会可持续发展的要求。
1.6解决沧州东部地区饮水安全工程正式启动
杨埕水库的建设在为渤海新区提供用水保障的同时,也为沧州东部地区的供水奠定了基础。
沧州市人民政府高瞻远瞩,关心人民群众的疾苦,为一方百姓办实事,以位于沧州东部地区的大浪淀水库和杨埕水库为供水水源,解决沧州东部地区饮水安全工程于2010年10月28日正式启动。
作为国内最大规模和最为完整的城乡供水一体化项目,解决沧州东部地区饮水安全工程,由河北建投集团控股的沧州供排水集团负责水厂以上部分工程的建设,沧州东部地区12个县市与市政府签订责任状,负责将水供至各村镇。
2.供水方式的选择
2.1水库边建净水厂的供水方式
即将净水厂建于水库附近,净化、消毒后的水由泵站加压,通过净水管线向各乡镇供水。
这种供水方式的优点在于:
(1)水厂建设由于规模效应,单位工程造价较低;
(2)水厂征地费用较低;
(3)管线输水为净水,设计水量略小,造价稍低;
(4)输水管线沿途可就近接水,直接使用。
缺点:
(1)净水输水线路长,水质不易保障,个别城镇需进行二次消毒;
(2)值班工人上班条件略差。
2.2中心城镇建净水厂的供水方式
即将净水厂建于重点乡镇,净化、消毒后的水通过分支管网再向各乡镇供水。
这种供水方式的优点是:
(1)管理体制较顺,便于和现有体制接轨;
(2)工人值班位于城镇附近,条件较好;
缺点:
(1)因规模小、地价高,水厂单位工程造价较高;
(2)输水工程费用略高,沿途用户不能直接使用;
(3)配水管线重复,线路较长。
(4)输水、配水两套管网,相对提高了事故发生的频率。
2.3村镇分散建净水装置的供水方式
即从水库取水,由管网直接将原水供至各村镇,各村镇通过小型供水设备净化后,实现村镇的集中供水。
这种供水方式点多、面广,按照传统的水处理模式,此方案经济性差、管理不便、成本高,但随着当前高新技术的发展,由于一体化膜水厂的推出,使这一供水方式成为可行,采用我国膜技术的一体化净水厂,已在日本的村镇供水中大规模使用,可供我们所借鉴。
(1)由于膜技术的单元式结构,使工程造价的规模效应大为弱化,水厂的单位造价并不高;
(2)膜技术的采用和管网停留时间短,过程中水始终处于密闭状态,保障了供水水质;
(3)全自动运行,无人值守,降低了运行费用。
3.供水安全的保障措施
3.1水质保障措施
面对目前我国地表水源水质富营养化的现实,首先要努力保障水库原水水质达到国家饮用水水源地水质标准,对微污染原水,要优化水处理工艺,针对不同的水质特点,适当采取气浮、臭氧、活性炭、二氧化氯、高锰酸钾等深度处理工艺,以及以膜技术为核心的第三代水处理工艺,强化消毒,确保水质达到国家GB5749-2006新的水质标准。
3.2双管线输水
对于原水输水管线,按照设计规范的要求,要采取双管线输水,并采取分段等措施,在单条管线事故时,达到规范要求的最低水量要求,对于达不到设计规范要求的,则需采取其它的工程措施。
3.3环状供水
对于城镇净水管网,为提高用户的供水保障率,要适当采取环状供水的方式,一旦某一管段漏水后,不至于影响其他用户,但要注意环的设置也不要过多,设置过多则隐患也会增加。
对于直接向乡村供水的单条管线净水或原水管网,也可尽力设置成为环状。
3.4调蓄工程的建设
调蓄工程的建设如以调蓄水源为目的,按季节性引水,则库容会很大,输水管线口径也会很大,造价非常高,否则达不到引水调蓄水源的效果,鉴于大浪淀和杨埕两座水库尚有一定的调蓄能力,新水库的建设应慎重比选后确定。
对于单条管线供水,或达不到安全供水要求的输水工程,可适当进行调蓄水库的建设,调蓄容积需满足管线事故期间的供水要求。
3.5双水源供水
村镇供水需水量小,目前大部分村镇建有地下水为水源的自来水供水系统,一体化供水后,将原有水井进行保留,则形成双水源供水,可有效解决单条输水管线达不到供水安全要求的问题。
4.水处理工艺的选择
4.1国家新饮用水标准的实施
卫生部和国家标准委联合发布的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006),总指标从以前的35项增加到106项。
新国标的实施要求在2007年7月1日执行常规项目42项,全部指标最迟于2012年7月1日必须实施。
4.2传统的水处理工艺
我国迄今95%以上数千城市水厂仍使用常规工艺,由于水质标准的提高,对于采用微污染水源的水厂,传统的第一代水处理工艺,即混凝、沉淀、过滤工艺已难以达到106项的标准要求。
4.3深度处理工艺
为满足新标准的要求,对传统的地表水厂,就需要在强化传统水处理工艺的基础上,采用深度水处理工艺进行升级改造,对于微污染和高藻水水源需选择采用第二代水处理工艺,包括投加高锰酸钾、臭氧预氧化、气浮、投加粉末活性碳、活性炭滤池、臭氧、二氧化氯消毒等,以及以膜技术为代表的第三代水处理工艺,以达到国家新的水质标准的要求。
4.4以膜技术为代表的第三代水处理工艺
膜技术在水处理技术中的应用,可有效保障水质,膜技术已日臻成熟,但由于其昂贵的价格前些年一直被束之高阁。
膜技术的国产化打破了国外膜厂家对世界水务市场的垄断,作为世界PVC超滤膜开发应用的先行者,海南立升公司颠覆了膜技术的贵族身份,价格降低至传统的水处理工艺造价之下,成为可以广泛推广的平民化产品。
采用国产PVC合金超滤膜技术的10万立米/日东营水厂于2009年底正式运行,出水水质全部达到106项的国家水质标准要求,吨水造价不足300元,运行成本仅为0.1元/立米,国产PVC合金超滤膜技术在给水处理中的应用拉开帷幕,随着下一个30万立米/日膜法水厂的投产,将被广泛应用。
南通市自来水厂的改造,国产PVC合金超滤膜置于沉淀池中,跨越了滤池,其成功应用将为给水处理提供新的思路。
采用膜技术,缩短了整个水处理工艺的流程,出水水质达到国家106项饮用水水质标准,而工程总投资基本控制在不突破传统的水处理工艺。
4.5小型一体化超滤膜供水装置
超滤膜的模块特性,使小型化的一体化供水装置成为可行,由立升生产的小到单户的净水器,在世博会上向游客供应直饮水;村镇规模的小型一体化膜水厂,以超滤膜为核心,自动投加药剂和消毒,远程调度、无人值守、全自动运行,在汶川地震救援中,几十套一体化膜水厂支援灾区用水;出口日本800套,为日本的村镇供应优质的自来水。
膜技术在小规模的乡镇供水中应用,具有非常广阔的发展前景。
5.输配水管网的优化
5.1各种供水管材的造价分析
对于各种管径、管材的管线,根据实际工作的经验,分别运行市政工程概预算系统,结合当地实际情况,采用一公里管线进行虚拟预算,得出各种管径、不同材质管线的造价。
各种管径、管材的管线造价如表1:
表1不同管材、管径管线造价(元/米)
管径
DN150
DN200
DN300
DN400
DN500
DN600
DN800
DN1000
DN1200
球墨铸铁管
323.80
384.10
503.60
637.50
817.60
1061.50
1547.60
1956.70
2338.90
玻璃钢管
339.70
405.80
505.70
606.20
765.30
1006.80
1480.50
1891.10
2261.50
钢管
276.90
388.70
563.60
714.20
919.10
1131.20
1552.00
1980.00
2781.20
管线造价近似符合以下关系式:
C=a+bDα
式中C——管线造价(元/米)
D——管径(米)
a、b和α——系数
取对数后:
造价与管径成为直线关系式,采用最小二乘法[38]进行曲线的拟合。
本软件编制了一段最小二乘法的小程序,将管线造价输入后,自动运行计算,得出较精确的a、b和α数值,见图1。
对于球墨铸铁管:
对于玻璃钢管:
图1球墨铸铁管的造价拟合曲线
图2不同管材的造价曲线
5.2各种管材的经济流速
对于压力输水管网,参照《给水工程》,经济因素f,经济管径Di为:
式中E——电价(分/千瓦时)
k——1.743×10-9
m——5.33
p——折旧和大修费(%)
t——投资偿还期(年)
γ——供水能量变化系数
η——泵站效率
微机程序运行后,弹出对话框,确定几个主要参数,通过输入电价、折旧年限等数值,计算出当地合理的经济流速值。
按沧州市现行材料价格,经计算球墨铸铁管经济流速见表2。
表2球墨铸铁管经济流速
管径
经济流量
Q(l/s)
经济流速
v(l/s)
DN200
32
1.02
DN300
78
1.11
DN400
148
1.18
DN600
362
1.28
DN800
682
1.36
DN1000
1116
1.42
5.3管材性能比较
(1)PE管
PE管(高密度聚乙烯管)具有较高的强度及刚度,还具有良好的柔性和抗蠕变性能,易于对口焊接,接缝不会由于土壤移动或载荷的作用而断开,目前已广泛用于中小口径的供水管道上。
(2)UPVC管
UPVC管通常可用粘接剂粘接,也可用胶圈柔性连接。
多用于DN≤200mm的配水管道上,替代传统的灰铸铁管及镀锌钢管,UPVC管材具有材质轻,搬运、装卸便利的特点,具有良好的耐酸、耐碱、耐腐蚀性,适用于土壤盐碱化地区。
其管壁面光滑,对流体阻力小,其粗糙系数较其他管材低,施工方便,工程造价低。
但UPVC管有易老化,对地基及回填土要求严格等特点,处理不好容易出现爆管或裂管现象。
(3)预应力砼管
包括一阶段管、三阶段管。
一阶段管的特点是强度及抗渗性较好,管壁较薄,但外模合缝处容易漏浆,修补率高。
三阶段管抗渗性能差,修补率高,管体笨重。
因预应力砼管造价低,目前还多用于经济欠发达地区的长输管线工程中。
(4)球墨铸铁管
球墨铸铁管是近年来发展起来的管材,球墨铸铁管具有铁的本质,钢的性能,强度高、韧性好、耐腐蚀,是传统铸铁管和普通钢管的更新换代产品。
球墨铸铁管直线性好、表面光洁、尺寸准确、壁厚均匀、机械性能好、涂层粘附牢固。
球墨铸铁管安装方便、容易切割,采用T型承插式柔性接口,胶圈密封,接口在10°范围内自由活动时不至于破裂或渗漏。
对管道基础可不做特殊要求,从而加快了施工进度,降低了工程成本。
在运行过程中维修方便,尤其适用于不断水现场开孔作业。
(5)PCCP管
PCCP管(薄壁钢筒预应力混凝土管)发挥了混凝土管与钢管的优点,又弥补了各自的不足。
PCCP管中间很薄的钢套筒能阻断管道内水在高压作用下的外渗,同时管子内外层的混凝土增加了刚度并起了防护作用。
其抗腐蚀性和抗外压能力高,PCCP管内壁较钢管和球墨铸铁管光滑,水力特性好,且管材的单位重量较重。
(6)钢管
钢管应用的历史久,范围广,特点是适应性强,承受内压高、材质较轻、加工使用灵活方便、特殊地段例如过河、市区路口过路段、顶管施工使用更适宜,但也有其缺点,如钢管的焊接接头施工难度大,焊接需要高度熟练的技术工人,焊接工作时间长而且焊接受自然气象条件影响较大,同时需进行内外防腐处理。
(7)夹砂玻璃钢管
夹砂玻璃钢管是一种质轻、强度适合、耐腐蚀、水力特性好的管材。
该管材管内壁光滑,不易结垢,在相同的输水负荷下可节约输水能耗或缩小一档管径,目前已在我市西环路、东外环等多条路段应用。
其缺点是目前尚不能带水补漏、维修困难,玻璃钢管件种类相对较少,尤其无法实施不断水开孔作业。
综合考虑上述因素,从我市实际情况出发,可得出如下结论:
DN300及以下的管道,一般应优先选用PE管和UPVC管,其价格低,防腐性能好,使用较可靠。
DN400-DN800mm的管道,球墨铸铁管是理想的管材,特殊地段可选用钢管,同时质量好的预应力钢筋混凝土管仍是经济的管材。
DN800mm以上的管道,PCCP管的性能和价格方面相对都具有一定的优越性。
5.4年费用折算值法进行输配水方案的经济评价
输配水系统造价在整个给水工程中占有很高的比例,在首先达到设计技术要求的前提下,进行经济分析非常必要,利用微机快速计算的优势,多方案优化得出最佳方案。
长距离输水管线工程往往投资规模较大,安全可靠性要求较高,工程方案设计合理与否十分关键,对整个工程影响很大,因此在工程设计中,首先建立很严密的技术和经济模型,采用适当的各种优化设计方法,通过充分的技术经济比较,求出最优设计方案。
技术经济比较方法实际上是把技术方案的经济衡量标准,同技术经济比较原理结合起来,并进一步具体化。
技术经济比较的方法主要分:
静态分析法和动态分析法,静态分析法对工程方案进行评价时,由于没有考虑资金的时间价值,只适用于某些时间较短、投资规模比较小的工程项目的技术经济评价;而动态分析法在计算比较方案时,充分考虑了资金的时间价值,可以适应技术方案、技术经济情况的各种变化,并反映技术方案的动态变化情况,便于发现问题,从而对技术方案进行深入的技术经济分析,全面真实地反映投资与运行效果,也更符合现代经济投资体制。
在输水管线优化设计中,常用的动态分析法是最小费用法中的年费用折算值法。
首先,初步确定若干个备选的工程方案,分别计算各方案的年费用折算值AC,在确保工程方案技术上合理、可行的前提下,以AC值最小的方案为最佳方案。
年费用折算值AC由资金恢复费用M和年度使用费N两部分构成,
AC=M+N
(1)
资金恢复费用M是指工程的原始费用即管线造价扣除预计净残值后分摊到使用各年的费用,计算公式如下:
M=
式中P——管线造价(原始费用)
F——预计净残值,F=P×预计净残值率
n——使用年限(项目计算期)
i——年利率(折现率)
管线造价P系根据各备选方案的具体情况,结合当地的市场价格,套用相关的工程概预算定额,并综合考虑征地、赔偿、拆迁等因素,应用引进的“工程概预算系统”软件计算而来,计算结果可直接输入,或由“工程概预算系统”直接传输过来。
对输水管线工程而言,年度使用费N由年运行电费N1+年维修费N2构成,
即:
N=N1+N2
(2)
N1=单位电价C×年耗电量W
式中Q——流量(L/S)
η——取水泵站机组效率
H——水泵扬程(米)
首先计算出各备选方案中输水管线的水头损失,从而初步确定取水泵站出口压力,选择水泵型号,建立各种运行工况下的水泵方程及管道系统特性曲线方程,联立两个方程式解出Q和H值,求出W值和N1值。
N2=P×
式中K——管线维修费用系数,一般工程可取15%;
P、n——意义同前。
将N1、N2计算结果代入公式2,即可得出年度使用费N值,将M、N值代入公式1,得出年费用折算值AC。
图3同一管材不同管径的年费用折算值
根据已建立起来的输水管线阻力方程式,确定拟选择的管材、管径,不同管材、管径串联,水头损失相加,并联则采用复合管径进行计算。
根据设计水量,计算出输水管线总水头损失,初选水泵。
然后调出或建立起水泵的Q-H、Q-η方程式,对水泵和输水管线的两个Q-H方程式进行求解,可得出该方案的运行工况。
根据求出的输水流量Q、水泵扬程H和水泵效率η值,对所选水泵进行校核。
将水泵Q-H方程式与管道系统特性曲线方程联立,求出不同方案运行状态下的泵站扬程H、总流量Q总以及单台泵流量Q单,将Q单值分别求出代入公式(7-20),求出水泵效率η,估算电动机效率,得出机组效率η′,将H、Q总、η′值代入公式,得出年耗电量W值,进而计算出年费用折算值AC,作为以后进行多方案技术经济分析的基础。
重复以上步骤,选择不同的管线组合方案、不同的水泵组合方案,进行组合,比较各工程方案的AC值,最后确定最佳方案。
表3XX输水管线工程各方案情况表
方案名称
流量(l/s)
水泵扬程(m)
水泵效率(%)
机组效率(%)
年耗电量(万千瓦时)
年费用折算值(万元)
方案一
2691
29.9
0.796
0.72
959.7
1350.24
方案二
2351
33.9
0.875
0.79
866.4
1914.72
方案三
2375
33.4
0.873
0.78
873.4
1447.02
方案四
2650
30.4
0.811
0.73
947.7
2661.4
方案五
2691
29.9
0.796
0.72
959.7
1643.85
方案六
2718
29.5
0.786
0.71
969.9
1943.76
方案七
2356
33.9
0.874
0.79
868.2
251.51
6.供水成本与水价分析
6.1供水成本的构成
根据《财务会计规章制度》第七章,成本和费用的第48~55条的有关规定,参照《给水排水设计手册》第十册7.4.3,给水工程制水成本计算的有关内容,以给水工程制水成本为基础进行成本的分析。
结合建投集团统一的财务报表中利润表的基本格式,参照国家发展改革委关于《城市供水定价成本监审办法(试行)》中的有关规定,按照城市供排水水务一体化的发展模式,将具有专业特色的主营业务成本结合水务特点予以细化,将成本费用拆解为10个子项,分为可变成本和固定成本两类,水务供水成本的基本构成见表4,图4。
6.2固定成本分析
固定成本主要包括:
职工薪酬、固定资产折旧、检修维护费、其它制造费用、管理费用、销售费用和财务费用等。
其特点是年总成本的费用和供水量关系不大,总额基本固定,单位成本费用随着供水量的增加而降低。
降低固定成本可有两个途径:
一、降低固定成本的总费用,同时使单位固定成本降低。
二、通过增加供水量,加大分母,使单位固定成本降低。
通过规模效应使固定成本在总成本中所占的比重降低,从而降低总成本。
表4XX工程规划总供水成本估算表
序号
费用名称
总成本费用
单位成本费用
所占百分比
(万元)
(元)
(%)
一
可变成本
540627
1.624
42.20
1
原水费
411308
1.236
32.11
2
动力费
115341
0.347
9.00
3
药剂费
13978
0.042
1.09
二
固定成本
740388
2.225
57.80
4
职工薪酬
35200
0.106
2.75
5
固定资产折旧
128000
0.385
9.99
6
大修理费
32000
0.096
2.50
7
检修、维护费
32000
0.096
2.50
8
管理及销售费用
115174
0.346
8.99
9
财务费用
65200
0.196
5.09
10
污水处理费
332814
1.000
25.98
总经营成本
755001
2.269
58.94
总供水成本
1281015
4.811
总售水成本
5.530
图4XX规划成本构成图
6.3可变成本分析
可变成本主要包括:
用于购买地表水的原水费或地下水水资源费,用于提升和加压的动力费即电费,用于水处理的混凝剂、消毒剂等药剂费,以及部分管理费用。
其特点是单位成本基本不变,总成本随着供水量的增大而增加。
降低可变成本,主要在
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