基于SMART原則的超大型城市排水泵站調(diào)研評估與分析

朱 潔,應(yīng) 費,季敏捷,生 駿,龔曉露,馬捷汀

(1.上海市政工程設(shè)計研究總院<集團>有限公司,上海 200092;2.上海市城市排水有限公司,上海 200233)

排水泵站是承擔(dān)區(qū)域性的防汛和污水轉(zhuǎn)輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施,作為民生保障措施,對保障城市防汛安全、提高人民生活質(zhì)量、改善投資環(huán)境等起了積極的作用。

上海的排水設(shè)施興建年代較早,最早的泵站建于20世紀(jì)50年代。截至2020年12月底,上海市排水公司管理的市屬排水泵站共有314座,總泵排流量為2 766.34 m3/s,其中污水泵站共137座,泵排流量為548.13 m3/s,防汛泵站共177座,泵排流量為2 218.21 m3/s。

排水泵站在運行初期能較好地滿足當(dāng)時條件下的排水要求,但是面對當(dāng)前的新形勢、新要求,市屬排水泵站的一些不足之處也顯露出來,如泵站機電設(shè)備效率低能耗高、自動化水平較低、泵站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低、安全設(shè)施不全、整體風(fēng)貌與周邊不協(xié)調(diào)等。為保證和維持排水泵站能力的發(fā)揮,會定期對泵站設(shè)備等進行維護保養(yǎng),但由于泵站數(shù)量巨大,評判具體某座泵站的維修必要性和優(yōu)先級是排水泵站管理單位急需解決的問題。為實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細(xì)化、科學(xué)化、智能化管理,確保新形勢下上海的城市發(fā)展需求,急需對314座泵站的現(xiàn)狀進行評估和分析,根據(jù)實際情況確定泵站大修的優(yōu)先級。

目前,文獻記載的國內(nèi)對泵站和市政排水設(shè)施進行評估研究的方法包括模糊層次分析法和質(zhì)量綜合評估法。楊露[1]使用模糊層次分析法建立了排水泵站老化評估模型,該方法采用4個主要評估指標(biāo),包括綜合管理、機電設(shè)備、建構(gòu)筑物和金屬結(jié)構(gòu),結(jié)合排水泵站實際情況,4個評估指標(biāo)下又細(xì)分為110個評估子項,確定每一個評估子項的權(quán)重并進行評分,然后通過加權(quán)平均得到泵站老化情況的評分。臧文斌等[2]以雨水市政排水設(shè)施現(xiàn)場勘查情況等可靠數(shù)據(jù)為真值,結(jié)合影響管網(wǎng)排水的關(guān)鍵因素,采用質(zhì)量綜合評估法從資料完整度和準(zhǔn)確性兩方面評估雨水排水設(shè)施現(xiàn)狀。

SMART原則[S=Specific(具體的)、M=Measurable(可衡量的)、A=Attainable(可實現(xiàn)的)、R=Relevant(相關(guān)的)、T=Time-based(有時限的)]是用于目標(biāo)管理和考核的經(jīng)典方法,與模糊層次分析法和質(zhì)量綜合評估法類似,都是通過確定評價因子和因子權(quán)重,對評價因子賦予分值后進行加權(quán)平均,得到綜合評分。本文為首次基于SMART原則對314座上海市屬排水泵站進行調(diào)研評估與定量分析,根據(jù)評估結(jié)果確定泵站大修的優(yōu)先級,為編制上海市屬排水泵站大修十四五規(guī)劃提供規(guī)劃依據(jù)。

1 評估方法

首先,分析影響泵站安全運行的因素,包括泵站使用年限、主要設(shè)備使用年限和性能、建筑結(jié)構(gòu)安全狀況等,明確影響泵站安全運行的主要因素及其影響程度所占比例,從而確定評價因子和因子權(quán)重;然后,根據(jù)排水泵站現(xiàn)狀設(shè)施實際狀況對每座泵站的評價因子賦予不同的分值;最后,應(yīng)用基于SMART原則的“綜合評價體系”(因子加權(quán)打分法),得到泵站最終評分。

1.1 確定評價因子和因子權(quán)重

排水泵站劃分為雨水泵站、污水泵站以及合流泵站,排水泵站內(nèi)主要建構(gòu)筑物包括進水閘門井、格柵井、泵房、出水閘門井、變配電間和管理用房等,防汛泵站還有回籠水設(shè)施和截流設(shè)施等。參考《大型泵站設(shè)備設(shè)施運行標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-2045—2022)、《泵站安全鑒定規(guī)程》(SL 316—2015)和《上海市城鎮(zhèn)公共排水泵站檢查內(nèi)容及評分標(biāo)準(zhǔn)》,綜合考慮后,最終確定評價因子為:建設(shè)年代、泵站規(guī)模、運行情況、機械設(shè)備(機械設(shè)備維修情況和水泵運行效率)、電氣及自控系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)、安全和標(biāo)準(zhǔn)化以及周邊環(huán)境敏感度。

1.1.1 建設(shè)年代

泵房是泵站的主體構(gòu)(建)筑物之一,構(gòu)(建)筑物的結(jié)構(gòu)安全是泵站安全運行的基礎(chǔ)。二十世紀(jì)七八十年代以前建造的泵站,上部結(jié)構(gòu)多為磚混或框架結(jié)構(gòu),下部多為水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于建設(shè)年代較久和地面沉降等原因,主體結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)裂縫、缺損、滲漏、變形等外觀缺陷,砼表面可能會出現(xiàn)無蜂窩、麻面、露筋等缺陷等,需做裂縫修補、防腐或加固。

1.1.2 泵站規(guī)模

泵站按照規(guī)?？煞譃榇笮?、中型和小型泵站,泵站規(guī)模越大,其服務(wù)范圍越大,承擔(dān)的區(qū)域安全排水的責(zé)任越重,因而重要性越大。

1.1.3 泵站設(shè)備運行情況

排水泵站的機械設(shè)備主要包括閘門、格柵、螺旋壓榨輸送機、水泵和拍門、起吊設(shè)備和垃圾清撈攔截系統(tǒng)等。泵站的核心部分是水泵,污水通過水泵提升后排入下游管網(wǎng)。水泵是泵站機電設(shè)備中最為重要的設(shè)備,是發(fā)揮泵站排水功能的重要保障。泵站投入使用后,在長期的運行中,機電部件出現(xiàn)老化,機組故障時有發(fā)生,備品備件不易取得,維修周期長、費用高等,影響了泵站的排水能力和安全運行。

水泵的效率是水泵的重要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),是指水泵的有效功率與軸功率之比的百分?jǐn)?shù),它標(biāo)志著水泵能量轉(zhuǎn)換的有效程度,可以衡量水泵性能。

水流的沖刷使得水泵流道內(nèi)壁和葉輪過水面變得粗糙不平,水泵內(nèi)流道的摩阻系數(shù)增大,水頭損失增加,導(dǎo)致水力效率降低。泵殼內(nèi)嚴(yán)重積垢或腐蝕,水泵加工工藝造成的鑄造缺陷、汽蝕、磨蝕、腐蝕和化學(xué)浸蝕等原因造成泵流道內(nèi)產(chǎn)生空洞或裂縫,水流動時產(chǎn)生漩渦而造成能量損失,葉輪表面的氣蝕,機械磨損產(chǎn)生漏失和阻力增大等,都會導(dǎo)致容積效率和水力效率降低[3-5]。

1.1.4 電氣及自控系統(tǒng)

排水泵站電氣設(shè)備包括變配電設(shè)施、水泵電機、控制柜和照明系統(tǒng)等,電氣設(shè)備確保泵站內(nèi)用電安全以及機電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn),在泵站運行中具有不可或缺的作用。經(jīng)過多年運行,泵站設(shè)施老化、泵站中電氣設(shè)備的安全性及穩(wěn)定性下降,多數(shù)設(shè)備的絕緣性能及可靠性能不足、電線電纜使用時間過長,安全隱患較多,不利于整個泵站系統(tǒng)的安全運行。

泵站宜按“少人值守,數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳”的控制原則設(shè)置自動化控制系統(tǒng),有條件的泵站可按照全自動控制的方式考慮,所有工藝設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,可做到正常運行時現(xiàn)場無人值守,有人值守時通過計算機或觸屏操控。自控系統(tǒng)是泵站內(nèi)設(shè)備安全運行的保障,也是自動化運行、遠(yuǎn)程監(jiān)控的重要手段[6]。

1.1.5 建筑和結(jié)構(gòu)安全

二十世紀(jì)七八十年代的泵站建筑大多都是平頂,由于結(jié)構(gòu)沉降不均和屋面防水材料的使用年限等各種原因,雨水滲漏問題嚴(yán)重,而且保溫性能也不好,冬冷夏熱。因此,后期改造都要求建筑屋頂平改坡。此外,泵站建筑風(fēng)格應(yīng)和周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),宜形式簡潔、色彩明快、具有現(xiàn)代美感。

1.1.6 周邊環(huán)境敏感度

上海城區(qū)分為內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)和郊環(huán),對應(yīng)的人口密度和建筑密度依次下降。人口密度越大,建筑密度越高,區(qū)域排水安全敏感度越高,排水泵站故障造成的區(qū)域排水除澇風(fēng)險越高。因此,按照內(nèi)環(huán)內(nèi)、內(nèi)中環(huán)間、中外環(huán)間、外郊環(huán)間和郊環(huán)外,將泵站所在的位置進行劃分,位于內(nèi)環(huán)內(nèi)的泵站對周邊環(huán)境影響大,因子賦予的分值越低,中環(huán)地區(qū)的泵站對周邊環(huán)境影響較大,因子賦予的分值較低,依次類推,郊環(huán)外對周邊環(huán)境影響最小,因子賦予的分值最高。

根據(jù)現(xiàn)有泵站運行規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),同時結(jié)合泵站運行單位的經(jīng)驗,根據(jù)各個因子在實際運行中的重要性確定權(quán)重系數(shù)如表1所示。

表1 評價因子及權(quán)重Tab.1 Evaluation Factor and Weight

1.2 確定因子評分規(guī)則

各因子評分為1～5分,分?jǐn)?shù)越低表明泵站情況越差,需要大修的迫切性越高(表2)。

表2 泵站大修評價-單因子評分表Tab.2 Evaluation of Pumping Station Overhaul-Single Factor Rating Scale

泵站建設(shè)年代越早,泵站構(gòu)建筑物老化越嚴(yán)重,大修迫切性越高,因此,建筑年代越早,評分越低。泵站規(guī)模越大,服務(wù)范圍越大,泵站排水安全影響的區(qū)域越大,泵站重要性越大,因此,泵站規(guī)模越大,大修的迫切性越高,評分越低。泵站運行過程中,設(shè)備故障率越高,大修迫切性越高,因此,評分越低。

水泵效率越低,污水實際輸送量與設(shè)計輸送量的比值越低,即能耗不變的情況下,水泵輸送相同規(guī)模的雨污水所需的能耗越高。因此,水泵運行效率越低,評分越低。

根據(jù)《泵站更新改造技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50510—2009),更新改造是指泵站因原規(guī)劃設(shè)計所依據(jù)的基本情況改變、工程設(shè)施設(shè)備老化或損壞等,對機電設(shè)備進行的更新或技術(shù)改造,建筑物的除險加固或工程的配套、拆除重建等所進行的技術(shù)性活動。因此,機電設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)等設(shè)備設(shè)施更新改造次數(shù)越少,評分越低。

按照內(nèi)環(huán)內(nèi)、內(nèi)中環(huán)間、中外環(huán)間、外郊環(huán)間和郊環(huán)外,將泵站所在的位置進行劃分,位于內(nèi)環(huán)內(nèi)的泵站對周邊環(huán)境大,因子賦予的分值越低。

根據(jù)每個泵站的實際情況,對每個泵站進行各項因子打分,各個因子得分乘以因子權(quán)重,加權(quán)計算后得到每個泵站評分。評分越低,大修的迫切性越高。

2 泵站現(xiàn)狀評估

2.1 建設(shè)年代

137座污水泵站中,78座泵站建于2000年以前,59座泵站建于2000年以后。177座防汛泵站中,74座泵站建于2000年以前,103座泵站建于2000年以后(圖1)。

圖1 泵站建設(shè)年代分析Fig.1 Analysis of Pumping Station Construction Time

排水泵站設(shè)備設(shè)施與排水泵站同時投入使用,根據(jù)《泵站安全鑒定規(guī)程》(SL 316—2015),泵站投入運行25年后,主機組及主要電機設(shè)備已經(jīng)歷多次大修,開始進入老化期。美國、加拿大、日本等國的調(diào)查和統(tǒng)計說明,服役期限為10～20年的電動機,絕緣故障顯著上升,許多絕緣故障與老化一起發(fā)生,降低可靠性,并導(dǎo)致強迫停機,增加維修工作量和修理費用。排水泵站中其他機電設(shè)備和電氣設(shè)備均有一定的使用年限,一般設(shè)備使用超過20年,認(rèn)為開始出現(xiàn)安全問題,需要及時更換設(shè)備。

根據(jù)運營單位相關(guān)的泵站運行經(jīng)驗,污水泵站運行超過20年,設(shè)施設(shè)備性能急劇下降,產(chǎn)生較多問題,如水泵效率降低造成泵站排水能力不足、水泵電機振動現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重、閘門啟閉困難等,使泵站管理難度大大增加,給泵站運行帶來安全隱患。我國20世紀(jì)80年代以前的泵站由于歷史的原因,質(zhì)量普遍較差,機電設(shè)備老化嚴(yán)重。至今已運行25年以上,應(yīng)根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求進行大修。20世紀(jì)80年代及以后所建設(shè)的泵站,建筑物和機電設(shè)備質(zhì)量相對要好得多,但泵站運行20年及以上,大部分的設(shè)備已達(dá)到或超過使用年限,構(gòu)(建)筑物也有不同程度的老化或損壞,維修頻率加快,維修費用逐年增加。從泵站安全、高效運行和經(jīng)濟角度考慮,由于污水泵站連續(xù)運轉(zhuǎn),對設(shè)備投入運行15年,構(gòu)筑物使用達(dá)到20年以上的泵站進行大修是比較合適的[5]。

2.2 泵站規(guī)模

137座污水泵站中,泵排流量最小值為0.07 m3/s,泵排流量最大值為65 m3/s。177座防汛泵站中,泵排流量最小值為0.96 m3/s,泵排流量最大值為34.2 m3/s。泵站規(guī)模分析如圖2所示。

注:Q為流量。圖2 泵站規(guī)模分析Fig.2 Analysis of Pumping Station Capacity

根據(jù)《城市排水泵站設(shè)計規(guī)程》,排水泵站根據(jù)規(guī)模分為4級。1級為特大泵站:雨水泵站設(shè)計流量>25 m3/s,污水泵站、合流泵站設(shè)計流量>8 m3/s。2級為大型泵站:雨水泵站設(shè)計流量為15～25 m3/s,污水泵站、合流泵站設(shè)計流量為3～8 m3/s。3級為中型泵站:雨水泵站設(shè)計流量為5～15 m3/s,污水泵站、合流泵站設(shè)計流量為1～3 m3/s。4級為小型泵站:雨水泵站設(shè)計流量<5 m3/s,污水泵站、合流泵站設(shè)計流量<1 m3/s。

由上文可知,約92%的污水泵站規(guī)模<8 m3/s,約8%的污水泵站屬于特大泵站。約14%的防汛泵站屬于小型泵站,約57%的防汛泵站屬于中型泵站,約29%的防汛泵站屬于大型和特大型泵站。污水泵站由小到大分為局部泵站、中途泵站和總泵站,將污水逐級輸送至污水處理廠。防汛泵站越大,區(qū)域的排水需求越大。

2.3 水泵運行效率

水泵的效率是水泵的有效功率與軸功率之比的百分?jǐn)?shù),水泵軸功率即水泵輸入功率,是動力機通過傳動設(shè)備輸送給泵軸的功率。水泵有效功率即水泵輸出功率,即水泵內(nèi)水流所得到的功率。一般水泵的效率需要通過第三方專業(yè)鑒定機構(gòu)進行測定,實際操作較為耗時,為了考察水泵的運行效率,本文用水泵的實際輸送量與設(shè)計輸送量的比值,即水泵的輸送效率來表征水泵的運行效率,結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泵輸送效率分析Fig.3 Analysis of Pump Transport Efficiency

由圖3可知,大部分水泵的輸送效率在60%～85%,其中水泵輸送效率在80%以上的大部分為較新安裝的水泵。運行過程中水泵性能會變差,通常會降低2%～5%,嚴(yán)重的會降低10%以上。這是因為水流的沖刷會使水泵流道內(nèi)壁和葉輪過水面變得粗糙不平,水泵內(nèi)流道的摩阻系數(shù)增大;水泵泵殼內(nèi)的積垢和腐蝕也會增加水頭損失;在電化學(xué)腐蝕作用下,水泵葉輪表面的氣蝕嚴(yán)重,也會增加機械磨損,這些都會降低水泵的運行效率[7]。此外,水泵加工工藝差異、水泵材質(zhì)差異,還有運行條件和運行時間差異等因素最終造成水泵輸送能力下降程度有差異。

2.4 泵站設(shè)施更新改造情況

314座泵站中,已進行機械設(shè)備改造的泵站有217座,已進行電氣自控改造的有202座,已進行除臭系統(tǒng)改造的有121座,已進行建筑結(jié)構(gòu)維修的有154座,另有11座泵站尚未進行過任何改造。

排水泵站中設(shè)備設(shè)施都需要定期維護和檢修,根據(jù)《大型泵站設(shè)備設(shè)施運行標(biāo)準(zhǔn)》(DG/TJ 08-2045—2022),干式離心泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達(dá) 4 000 h或距上次檢修已36個月;干式軸流泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達(dá) 3 000 h或距上次檢修已 48 個月;潛水離心泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達(dá) 4 000 h或距上次檢修已 12 個月;潛水軸流泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達(dá) 3 000 h或距上次檢修已 18 個月;水泵定期檢修時將水泵全部解體。但隨著設(shè)備設(shè)施的老化程度不斷加深,其維修費用也相應(yīng)增加,降低了其維護和修理的效益。考慮到維修費用和經(jīng)濟效益,一般認(rèn)為設(shè)施設(shè)備維修費用超過同一時期同等產(chǎn)品價格的40%,就需要對設(shè)施設(shè)備進行更換。

2.5 泵站周邊環(huán)境敏感度

314座泵站中,位于內(nèi)環(huán)的有59座,中環(huán)99座,外環(huán)100座,郊環(huán)46座,郊環(huán)外10座(圖4)。泵站位置越靠近市中心,住宅及人口密度越大,周邊環(huán)境敏感度越高,泵站大修的緊迫性越強。

圖4 泵站地理位置分布統(tǒng)計Fig.4 Distribution Statistics of Pumping Station Geographical Location

上海城區(qū)分為內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)和郊環(huán),內(nèi)環(huán)人口密度和建筑密度最大,郊環(huán)及郊環(huán)外建筑和人口密度都相對較低。內(nèi)環(huán)和中環(huán)是城市的中心,區(qū)域排水安全敏感度較高,排水泵站故障造成的區(qū)域排水除澇風(fēng)險較高,排水泵站的重要性越大。因此,按照泵站所在的位置進行劃分,確定泵站的周邊環(huán)境敏感度,位于內(nèi)環(huán)的泵站環(huán)境敏感度高,泵站大修迫切性評分越低。

3 泵站評估結(jié)果

對137座污水泵站和177座防汛泵站按照SMART原則進行綜合打分,最終評分結(jié)果如圖5所示。

圖5 泵站評分結(jié)果Fig.5 Scoring Results of Pumping Stations

根據(jù)評分結(jié)果,將泵站大修級別分為5級,按照緊急程度依次為“特別緊急”“緊急”“較緊急”“一般”和“良好”(表3)。

表3 泵站大修評價結(jié)論Tab.3 Evaluation Conclusions of Pump Station Overhaul

由上文可知,144座污水泵站中,65座污水泵站評分結(jié)果集中在0～4分。屬于“特別緊急”待修的泵站有28座,屬于“緊急”待修的泵站有10座,“較緊急”的15座,“一般”的12座,“良好”的72座。177座防汛泵站中,17座防汛泵站評分結(jié)果主要集中在1～3分。屬于“特別緊急”的泵站有6座,屬于“緊急”的泵站有11座,“較緊急”的6座,“一般”的4座,“良好”的150座,其中評價結(jié)論良好的泵站絕大多數(shù)均為2000年以后建設(shè)的泵站。按照泵站打分結(jié)果作為泵站大修優(yōu)先級的排序,為制定“十四五”泵站大修規(guī)劃提供規(guī)劃依據(jù)。

4 結(jié)論

排水泵站是承擔(dān)區(qū)域性的防汛和污水轉(zhuǎn)輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施,為實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)精細(xì)化、科學(xué)化、智能化管理,確保新形勢下上海的城市發(fā)展需求,應(yīng)用基于SMART原則的“綜合評價體系”對上海市屬314座排水泵站進行評估,結(jié)果如下。

(1)建設(shè)年代、泵站規(guī)模、運行情況、機械設(shè)備(機械設(shè)備維修情況和水泵運行效率)、電氣及自控系統(tǒng)、建筑結(jié)構(gòu)、安全和標(biāo)準(zhǔn)化以及周邊環(huán)境敏感度是影響泵站安全運行的重要因素,其中機械設(shè)備的維修和運行情況直接關(guān)系泵站的排水效能,權(quán)重最高。

(2)建設(shè)年代越久,泵站規(guī)模越大,設(shè)備故障率越高,更新改造次數(shù)越少,周邊環(huán)境敏感度越高,泵站因子評分越低。

(3)根據(jù)泵站的運行狀況和設(shè)施情況對各因子進行打分,最后將各個泵站的各因子評分進行加權(quán)平均得到最終評分,將打分從低到高排序,作為泵站大修優(yōu)先級的排序,為制定“十四五”泵站大修規(guī)劃提供規(guī)劃依據(jù)。