增壓泵站工程節(jié)能優(yōu)化設(shè)計策略

張 馳

（福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

城市供水的增壓泵站水泵機組負(fù)載主要以電機為主，若泵站的水泵工作效率較高，則可以減少電力消耗。由于前期規(guī)劃原因，泵站水泵因供水量與水泵額定流量不匹配，水泵輸出功率較小，經(jīng)常處于低效區(qū)域；其次，泵站運行模式不科學(xué)、不合理也會導(dǎo)致泵站運行效率低下。

泵站水泵工作中巨大的電力損耗原因有兩個：一是水泵的使用調(diào)整不當(dāng)。主要是指在水泵運轉(zhuǎn)時，為了使水泵的出水量能與外部環(huán)境的需求相匹配，需調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和流量[1]。二是水泵的配套電機選用不當(dāng)，導(dǎo)致了大馬拖小車。因此，本文將結(jié)合實際工程案例，對增壓泵站工程建設(shè)過程中的設(shè)備選型配置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行介紹。

1 增壓泵站工程概況

福州市晉安區(qū)楊廷村泉頭片區(qū)位于晉安區(qū)山北路南側(cè)，北向二通道東側(cè)，該片區(qū)地形標(biāo)高起伏很大，標(biāo)高在58～90m左右，共有4個地區(qū)共計5個擬新建住宅小區(qū)以及1座養(yǎng)老院需申請用水，地塊地勢西低東高，東側(cè)及南側(cè)環(huán)山，北側(cè)為楊廷水庫。

泉頭片區(qū)目前屬于新店泵站供水范圍，新店片區(qū)年平均日供水量約5.4萬m3/d。根據(jù)現(xiàn)場實測，泉頭地塊附近絕對水壓約為0.53MPa。而綠城柳岸曉風(fēng)地塊標(biāo)高58.35～63.65m，龍湖璟宸苑地塊標(biāo)高61.30～72.00m，世貿(mào)云圖一期地塊標(biāo)高69.15～72.55m，世貿(mào)云圖二期地塊標(biāo)高79.65～86.45m，保利熙悅府地塊標(biāo)高69.50～96.10m。目前依靠市政壓力自來水無法供至5個項目地塊。

由于新店高區(qū)增壓泵站出廠水壓力不足，無法供至泉頭片區(qū)綠城柳岸曉風(fēng)、龍湖璟宸苑、世貿(mào)云圖一期、世貿(mào)云圖二期、保利熙悅府地塊，故在晉安區(qū)綠城柳岸曉風(fēng)地塊西北側(cè)綠地建設(shè)泉頭增壓泵站（見圖1），泵站供水規(guī)模6000m3/d，使其作為新店高區(qū)供水后二次加壓泵站，主要為泉頭片區(qū)上述5個地塊共計6422戶住戶供水。

圖1 泉頭泵站區(qū)位示意圖

總體布局的主要思路是：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在滿足各種功能需求的同時，盡可能做到美觀、經(jīng)濟(jì)、節(jié)約用地、節(jié)約投資（見圖2）?？紤]到供水片區(qū)內(nèi)各地塊高程相差較大，故泵站采用高低區(qū)兩套機組供水，綠城柳岸曉風(fēng)、龍湖璟宸苑、世茂云圖一期為低區(qū)增壓泵供水；世貿(mào)云圖二期、保利熙悅府為高區(qū)增壓泵供水。低區(qū)供水總量為2709m3/d；高區(qū)的供水量為3288.7m3/d。

圖2 泵站平面布置圖

在泵站建成后投入實際運行時，綠城柳岸曉風(fēng)、世茂云圖一期已售出約50%，入住率均不足15%，其余三個地塊尚未交房，低區(qū)用戶用水量極小，造成泉頭增壓泵站低區(qū)水泵出水流量較小，水泵運行效率低下。根據(jù)泵站運行報表，21∶00～次日07∶00流量區(qū)間大部分在11～13m3/h，07∶00～21∶00流量區(qū)間大部分在12～18m3/h。當(dāng)出現(xiàn)小區(qū)生活水箱補水時，泵站流量范圍在50m3/h左右，極個別時間點（如在2022年1月3日18∶15）出現(xiàn)流量極值為118m3/h，持續(xù)時間約2min。

目前在鵝峰片區(qū)（山北路以北、楊廷路以東）有中加學(xué)校、楊廷村、三盛國際劍橋區(qū)、鵝峰村、三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區(qū)、崇福寺、新嘉小區(qū)、人才公寓二期、華僑產(chǎn)業(yè)園、五四北嶺下公租房、人才公寓一期。該片區(qū)現(xiàn)狀由新店高區(qū)供水，新店高區(qū)供水壓力不足以供至三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區(qū)、崇福寺，在鵝峰村現(xiàn)狀有1座80t中繼增壓泵站，用于供給三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區(qū)、崇福寺用水，通過鵝峰片區(qū)2021年全年用水量統(tǒng)計可得，該片區(qū)全年平均日用水量為2105.6m3/d，日變化系數(shù)取1.1，可得該片區(qū)最高日用水量為2316.2m3/d，取2316m3/d。

由于近期泉頭片區(qū)小區(qū)入住率較低，用水量少，導(dǎo)致泉頭增壓泵站低區(qū)水泵供水規(guī)模遠(yuǎn)低于設(shè)計值，造成水泵效率低下；高區(qū)水泵閑置。為解決這一問題，結(jié)合現(xiàn)狀供水存在的問題，考慮將鵝峰片區(qū)用戶納入泉頭泵站低區(qū)供水范圍（見圖3），鑒于目前三盛拾光里、森林消防總隊、警森苑水量、水壓不足，改由泉頭增壓泵站供水后可解決供水不足問題，同時泉頭增壓泵站低區(qū)水泵供水量加大，水泵得以高效運行，可謂一舉兩得[2]。

圖3 泵站供水區(qū)域示意圖

2 增壓泵站的設(shè)計要點

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照國家相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)計基準(zhǔn)期50年，設(shè)計壽命50年。建筑工程的環(huán)境分類：地下和暴露的混凝土屬于二級甲類，其他為一級類；儲水構(gòu)筑物的環(huán)境分類屬于二級B類（考慮到防腐蝕設(shè)計，符合《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》），地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級；抗震設(shè)防烈度為7度，基礎(chǔ)地震加速度為0.10g，地震動響應(yīng)頻譜特性周期為0.45s，按3組劃分。

該增壓泵的結(jié)構(gòu)由泵室和清洗槽組成。泵站采用全埋地池結(jié)構(gòu)，配電室采用地上單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。泵房地基深度較大，已經(jīng)達(dá)到了持力層，配電室為獨立的鋼筋混凝土地基，地基下沉到持力層[3]。該清水池是一種完全埋入地下的鋼筋混凝土池，其地基深度已經(jīng)達(dá)到了持力層。所用的鋼筋為HRB400，其強度為360N/mm2，所有構(gòu)（建）筑物的水泥用P·O42.5級水泥。C30級鋼筋混凝土，C20級襯砌混凝土；房屋樓板和水池的防滲等級都是P8；對于鋼材，選用Q235鋼；E50是焊條中除了HRB335外，其他焊條均為E43。所有裸露的鋼材都要涂上防腐蝕涂層。普通的蓄水結(jié)構(gòu)在其迎面用1∶2防水的水泥砂漿粉20mm或聚合物水泥灰漿；外墻地板下面用高分子水泥砂漿；外壁上部用1∶2水泥砂漿20mm厚。

2.2 電氣設(shè)計

該項目的電氣設(shè)計范圍為：泵站變電站的電氣設(shè)計，以10kV高壓進(jìn)線柜的電源入戶電纜端部為界。電纜端頭和電纜端頭以上（含10kV高壓電纜）屬于供電外線項目，由業(yè)主自行設(shè)計；電纜端頭以下的部位屬于本工程的設(shè)計范疇。

根據(jù)負(fù)載的重要程度，以及對電力系統(tǒng)的破壞或影響，將該項目的電力負(fù)荷劃分為第二級。該項目的電力等級為2級，采用10kV線路供電，配有一臺柴油機作為后備電源；根據(jù)二次負(fù)載的供電需求，本項目的電力供應(yīng)必須采用雙回供電；采用10kV線路供電，配有一臺柴油機作為后備電源；每個電源都能承受100%的負(fù)載。該項目的增壓泵站需要向電力公司申請1回路10kV的電源，電力線將由電纜鋪設(shè)。

10kV輸電系統(tǒng)采用線路變壓器組接線，進(jìn)線配有高電壓負(fù)載的開關(guān)柜，并用真空負(fù)載開關(guān)-保險絲相結(jié)合的電氣設(shè)備進(jìn)行安全防護(hù)。在電力斷電情況下，可以實現(xiàn)手動起動柴油發(fā)電機并投入使用。15kW以上的電動機全部采用軟啟動，其他低功耗設(shè)備全部按全壓起動，只有工藝操作需要調(diào)速的設(shè)備采用變頻控制。低壓開關(guān)柜啟動時的匯流電壓不小于技術(shù)指標(biāo)[4]。

電氣設(shè)備可在現(xiàn)場控制柜箱及機邊按鈕箱上操作，實現(xiàn)了微機自動化控制和人工操作兩方面的要求。電氣照明主要采用普通照明，部分采用混合照明。除了常規(guī)的工作燈光以外，在變電所和控制室都有備用的燈光。

2.3 抗震設(shè)計

在地震防護(hù)措施的選取上，采用內(nèi)徑60mm以上的電力管道和重力不低于150N/m的電纜橋架，并對母線進(jìn)行抗震加固。緊急照明和有關(guān)人員撤離的設(shè)施必須在附近安裝緊急電力設(shè)施。配電房、控制室等應(yīng)設(shè)于地震作用下位移不大的地方。

變壓器安裝完畢后，必須進(jìn)行可靠的焊接，并將內(nèi)圈與變壓器外殼的支撐結(jié)構(gòu)緊密連接；變壓器的支撐表面要加寬，并有一個限位裝置，以阻止它的運動和傾覆；為插入和接收柔性導(dǎo)線預(yù)留了一定的位移空間。

蓄電池必須安裝在防震支架上，電池之間的導(dǎo)線要用軟導(dǎo)體，端子電池要用電纜做引線，當(dāng)蓄電池的重心比較高時，要采取防傾覆的措施。

配電柜（柜）、通訊設(shè)備的安裝螺栓或焊接強度要符合地震規(guī)定，柜體的底板要牢固，底部的螺栓或焊接強度不足時，要把頂板與墻面相結(jié)合，如果柜體不是緊貼墻面，則要用金屬膨脹螺栓或焊接等方法進(jìn)行固定。

電力線路不能跨越防震縫，如果不得不通過時，要盡量接近建筑物的下部，并在防震縫的兩邊分別設(shè)置一根軟管接頭。電纜橋架、母線槽在地震縫的兩邊都要有伸縮節(jié)，在抗震接頭的兩端要有抗震支承節(jié)點，并且要與結(jié)構(gòu)牢固地聯(lián)接。電纜采用金屬導(dǎo)管、剛性塑料導(dǎo)管、電纜梯架、電纜槽箱等電纜時，必須采用剛性支架，不宜采用懸掛式[5]。

2.4 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

增壓泵站的自動化設(shè)計原理是：按工藝和設(shè)備的操作需要，配置液位、流量、水質(zhì)分析等儀器，并設(shè)有現(xiàn)場控制臺和控制中心（設(shè)在東區(qū)水廠的中控室），實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信號和數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示和控制。整個系統(tǒng)采取了集中式、分布式、現(xiàn)場控制、分布式智能監(jiān)控方式，控制層次從高到低分別是：就地控制、中央控制。采用租用數(shù)字線路與東城區(qū)自來水廠的中央控制室相連，利用以太網(wǎng)與現(xiàn)場控制臺構(gòu)成SCADA監(jiān)測系統(tǒng)，對整個泵站進(jìn)行實時監(jiān)測，并對設(shè)備進(jìn)行管理。根據(jù)工藝結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)備的布局，在各個控制臺上設(shè)有一個人機界面-觸摸屏，能對各個工藝裝置的運行狀態(tài)、水質(zhì)信號進(jìn)行實時的顯示[6]。

3 結(jié)束語

通過實際工程案例，分析了增壓泵工程的設(shè)計要點。在設(shè)計過程中，尤其要做好以下幾方面優(yōu)化設(shè)計，以有效控制泵站系統(tǒng)能耗：

（1）根據(jù)工程的實際情況，選擇合適的泵站負(fù)載設(shè)備是整個系統(tǒng)能耗控制的基礎(chǔ)；

（2）采用變頻調(diào)速、軟啟動，對供水系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)整，節(jié)能效果明顯；

（3）根據(jù)片區(qū)現(xiàn)狀實際需水量，選擇合適的供水范圍，有助于提高水泵工作效率，減少電力消耗。