市政排水泵站水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定

張曉琳

摘要在以往的市政排水泵站設(shè)計(jì)中，水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程大多按集水池的最低水位與出水河道的最高水位差加上水泵及管路的水頭損失和一定的安全水頭確定。這樣確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程的選泵方法導(dǎo)致水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的往往高于實(shí)際運(yùn)行的揚(yáng)程，水泵長(zhǎng)期不在最佳工況點(diǎn)運(yùn)行，水泵效率低下、水泵電機(jī)裝機(jī)容量大、利用率低、電耗增加等一系列問(wèn)題。為了改善這些問(wèn)題，提出了通過(guò)不同設(shè)計(jì)參數(shù)水泵的組合來(lái)適應(yīng)泵站運(yùn)行中的揚(yáng)程變化，提高泵站的整體效率。

關(guān)鍵詞水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程

0 引言

市政排水泵站是城市排水系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它的職責(zé)是將城市的污水通過(guò)提升送到污水處理廠進(jìn)行處理，將雨水提升后排入河流湖泊。因此市政排水泵站在整個(gè)城市排水系統(tǒng)中扮演著重要的角色。在市政排水泵站設(shè)計(jì)中選泵是關(guān)鍵，水泵是泵站的核心，選泵的好壞將直接影響泵站的是否能夠正常、高效的運(yùn)行。

選泵首先應(yīng)根據(jù)泵站性質(zhì)、設(shè)計(jì)水量和預(yù)計(jì)的水泵臺(tái)數(shù)計(jì)算出單臺(tái)水泵的設(shè)計(jì)流量，再根據(jù)泵站進(jìn)出水水位的分析及水泵運(yùn)行中水頭損失的計(jì)算，確定水泵的最高、最低揚(yáng)程和設(shè)計(jì)揚(yáng)程。要求所選水泵的性能曲線應(yīng)該在設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程的工況點(diǎn)處于或接近最佳效率點(diǎn)，在最高和最低揚(yáng)程時(shí)能夠安全、穩(wěn)定高效的運(yùn)行。因此，選泵應(yīng)根據(jù)最高和最低揚(yáng)程綜合確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

1 市政排水泵站最高和最低揚(yáng)程的確定

對(duì)于市政雨污水泵站的最高和最低揚(yáng)程，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（50014-2006）》的條文解釋中有明確的說(shuō)明。雨水泵站水泵的最高揚(yáng)程為集水池最低水位與受納水體高水位或防汛水位之差加上管路的水頭損失；水泵的最低揚(yáng)程為集水池最高水位與受納水體低水位或平均水位之差加上管路的水頭損失。對(duì)于污水泵站而言，水泵的最高揚(yáng)程為設(shè)計(jì)最大流量時(shí)出水管渠水位與集水池最低水位之差加上管路的水頭損失和安全水頭；水泵的最低揚(yáng)程為設(shè)計(jì)最小流量時(shí)出水管渠水位與集水池最高水位之差加上管路的水頭損失和安全水頭。

根據(jù)以上說(shuō)法，雨污水泵站水泵的最高和最低揚(yáng)程與集水池的設(shè)計(jì)最高和最低水位有關(guān)。這是為什么呢？首先說(shuō)明一下雨污水泵站集水池最高、最低水位在泵站運(yùn)行中所起的作用。集水池的設(shè)計(jì)最高水位是進(jìn)水達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)的集水池的水位，是泵站自控運(yùn)行時(shí)水泵全部開(kāi)啟的水位。在此工況下，泵站來(lái)水量與泵站設(shè)計(jì)總排水量基本相同，集水池內(nèi)的水位不再上升，因此是水泵在設(shè)計(jì)工況下的理論最高運(yùn)行水位。集水池的設(shè)計(jì)最低水位是水泵的停泵水位，是水泵在設(shè)計(jì)工況下的最低運(yùn)行水位。因此，水泵運(yùn)行的最高和最低揚(yáng)程需通過(guò)集水池的最高和最低水位計(jì)算確定。

雨污水泵站集水池設(shè)計(jì)最高水位很容易確定，可按《室外排水規(guī)范規(guī)范》和《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)5》執(zhí)行，即雨水泵站按進(jìn)水管管頂高程減去了過(guò)柵損失選??；污水泵站按進(jìn)水管設(shè)計(jì)充滿度水位高程減去了過(guò)柵損失選取。而集水池的設(shè)計(jì)最低水位的確定則相對(duì)復(fù)雜一些，這是因?yàn)榧氐淖畹退恍韪鶕?jù)水泵吸水喇叭口的安裝條件和葉輪的淹沒(méi)深度、集水池的容積、管道及泵站的養(yǎng)護(hù)管理、水泵的運(yùn)行等條件綜合確定?！督o水排水設(shè)計(jì)手冊(cè).第05冊(cè).城鎮(zhèn)排水》給出的集水池最低水位為一般雨水按最小一臺(tái)水泵流量時(shí)進(jìn)水干管充滿度的水位，污水按管底或低于管底的高程確定最低水位。工程實(shí)踐證明如果機(jī)械的把雨水按最小一臺(tái)水泵流量時(shí)進(jìn)水干管充滿度的水位作為集水池的設(shè)計(jì)最低水位，在泵站的運(yùn)行中會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題：

（1）最低水位的確定跟水泵的臺(tái)數(shù)有關(guān)，如果設(shè)計(jì)水泵臺(tái)數(shù)較多，單泵流量就較小，集水池最低水位稍高于管底；但如果設(shè)計(jì)水泵臺(tái)數(shù)較少的情況下，單泵流量較大，集水池的最低水位就高于管底很多（如果設(shè)計(jì)2臺(tái)水泵，集水池的設(shè)計(jì)最低水位甚至在進(jìn)水管管中的高程）。在集水池最高水位一定的情況下，水泵臺(tái)數(shù)的多少將影響集水池最低水位的高程以及集水池有效容積的大小。

（2）如果集水池的最低水位高于管內(nèi)底高程，這樣進(jìn)水管內(nèi)長(zhǎng)期會(huì)存有一定深度的雨水，減少了進(jìn)水管道的過(guò)水?dāng)嗝妫档土斯艿肋^(guò)流能力。

（3）如果集水池的最低設(shè)計(jì)水位定在低于管底的高程，雖然可增加集水池的有效容積，但會(huì)增加泵站的埋深，導(dǎo)致投資的增加。而水泵揚(yáng)程的運(yùn)行區(qū)間也會(huì)加大，這樣將導(dǎo)致水泵在運(yùn)行過(guò)程中，高效區(qū)很難覆蓋整個(gè)揚(yáng)程運(yùn)行區(qū)間，導(dǎo)致水泵工作效率下降。

因此從提高泵站的有效容積而又不過(guò)多增加泵站埋深、保持泵站進(jìn)水管的100%過(guò)流量，充分發(fā)揮泵站的作用以及在工程設(shè)計(jì)中便于操作的角度考慮，雨污水泵站集水池的設(shè)計(jì)最低水位可按進(jìn)水管管底高程減去過(guò)柵損失選定。

2 市政排水泵站水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定

在以往的市政排水泵站設(shè)計(jì)中，雨水泵站水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程往往根據(jù)集水池的最低水位與受納水體的高水位之差加上管路水頭損失及一定的安全水頭確定；污水泵站水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程按集水池最低水位與出水管水位之差加上管路水頭損失及安全水頭確定。這樣選出來(lái)的水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程往往高于實(shí)際工況下的工作揚(yáng)程（雨水泵站的水泵揚(yáng)程的運(yùn)行區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于污水泵站，所以雨水泵站上述問(wèn)題更加突出），導(dǎo)致水泵運(yùn)行時(shí)偏離高效區(qū)，水泵效率下降明顯，水泵電機(jī)利用效率低，裝機(jī)和電耗不經(jīng)濟(jì)。下面以某雨水泵站設(shè)計(jì)的工程實(shí)例具體說(shuō)明：

某雨水泵站，設(shè)計(jì)流量為18m3/s，進(jìn)水管為雙排3.5m*2.8m方涵，進(jìn)水方涵涵底高程為-3.0米，出水河道高水位為2.5米。設(shè)計(jì)為8臺(tái)潛水軸流泵，單泵流量為2.25 m3/s。以往水泵設(shè)計(jì)選型過(guò)程及方法如下：

（1）集水池的最高水位為-0.3米（進(jìn)水方涵涵頂高程減去過(guò)柵損失0.1m），集水池的最低水位為-2.75米（按單臺(tái)水泵流量時(shí)進(jìn)水方涵充滿度的水位減去過(guò)柵損失）。

（2）通過(guò)計(jì)算水泵及管路的損失為2.6米，安全水頭取0.5米

（3）水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程?。篐=2.5-（-2.75）+2.6+0.5=8.35m

所選水泵參數(shù)為Q=2.25 m3/s，H=8.3m，葉片角度為-2°，電機(jī)功率為250KW，其性能曲線見(jiàn)圖1。由圖可見(jiàn)，所選水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程8.35米時(shí)，效率為84%。

水泵性能曲線圖1（Q=2.25 m3/s，H=8.3m）

當(dāng)泵站在達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，集水池水位為-0.3米，此時(shí)工況下水泵工作揚(yáng)程為：H=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m

當(dāng)泵站達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，水泵的工作揚(yáng)程為5.9米，根據(jù)所選水泵的性能曲線看，水泵的運(yùn)行工況點(diǎn)與選泵時(shí)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)偏移較大，此時(shí)8臺(tái)水泵的理論工作效率為從84%下降至77%左右，水泵運(yùn)行已經(jīng)偏離了高效區(qū)。揚(yáng)程的降低會(huì)導(dǎo)致水泵的軸功率降低，因此250KW的電機(jī)功率浪費(fèi)很多?？梢?jiàn)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程偏高對(duì)泵站實(shí)際運(yùn)行效率的影響是非常大的。

在雨水泵站設(shè)計(jì)中，為使雨水泵站水泵適應(yīng)揚(yáng)程的變化，在運(yùn)行中始終保持高效、穩(wěn)定運(yùn)行的方法主要有增加調(diào)速裝置的變速調(diào)節(jié)法和通過(guò)不同設(shè)計(jì)參數(shù)水泵的組合達(dá)到適應(yīng)泵站揚(yáng)程變化等方法。下面結(jié)合以上舉例的雨水泵站設(shè)計(jì)介紹一下通過(guò)不同設(shè)計(jì)參數(shù)水泵組合達(dá)到適應(yīng)泵站揚(yáng)程變化的水泵選型方法。首先確定水泵的最高、最低揚(yáng)程。

①水泵最高揚(yáng)程H1（集水池最低設(shè)計(jì)水位時(shí)即單臺(tái)水泵流量時(shí)）為：H1=2.5-（-2.7）+2.6+0.5=8.3m

②水泵最低揚(yáng)程H2（集水池最高設(shè)計(jì)水位時(shí)即達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)）為：H2=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m

從泵站水泵運(yùn)行的情況看，水泵的開(kāi)停是通過(guò)浮球閥自動(dòng)控制的，當(dāng)集水池的水位達(dá)到預(yù)定的開(kāi)泵水位時(shí)，水泵依次啟動(dòng)開(kāi)車。從第一臺(tái)水泵的開(kāi)啟到進(jìn)水達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)水泵全部開(kāi)啟，在這個(gè)過(guò)程中，水泵的工作揚(yáng)程是一個(gè)逐漸變化的過(guò)程，但每臺(tái)水泵工作揚(yáng)程的變化區(qū)間是不一樣的。第一臺(tái)開(kāi)啟的水泵工作揚(yáng)程的變化區(qū)間最大，從水泵最高揚(yáng)程H1到水泵最低揚(yáng)程H2，區(qū)間范圍為8.3-5.9=2.4米；最后一臺(tái)開(kāi)啟的水泵工作揚(yáng)程變化區(qū)間最小，區(qū)間范圍為0。由于設(shè)計(jì)雨水泵站水泵臺(tái)數(shù)較多為8臺(tái)，如果統(tǒng)一按一個(gè)參數(shù)工況進(jìn)行水泵選型，很難保證每臺(tái)水泵在運(yùn)行過(guò)程中都處于高效區(qū)。但如果按多個(gè)參數(shù)工況進(jìn)行水泵選型，又不利于泵站的維護(hù)和管理。因此從保證大多數(shù)水泵在運(yùn)行中處于最佳工況點(diǎn)，少數(shù)水泵在揚(yáng)程的大范圍變化中始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行為原則，按工作揚(yáng)程的區(qū)間范圍將8臺(tái)水泵分為2組，前兩臺(tái)開(kāi)啟水泵為第一組，其工作揚(yáng)程區(qū)間范圍為5.9～8.3米；后六臺(tái)開(kāi)啟水泵為第二組，其工作揚(yáng)程區(qū)間范圍為5.9～7.6（第三臺(tái)水泵開(kāi)啟的水位）米。兩組水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程可以分別按最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程選取，即第一組水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程按最高揚(yáng)程8.3米選型（按集水池最低水位計(jì)算的最高揚(yáng)程），第二組水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程按5.9米選型（按集水池最高水位計(jì)算的最低揚(yáng)程）。第一組水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為Q=2.25 m3/s，H=8.3m，葉片角度為-2°，電機(jī)功率為250KW（性能曲線見(jiàn)圖1），水泵臺(tái)數(shù)為2臺(tái)。第二組水泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為Q=2.25 m3/s，H=5.9m，葉片角度為+2°，電機(jī)功率為160KW（性能曲線見(jiàn)圖2），水泵臺(tái)數(shù)為6臺(tái)。