基于再生水利用的泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率提升探討

【摘要】以遵義市播州區(qū)為例，探討再生水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率提升策略。通過(guò)優(yōu)化泵站結(jié)構(gòu)、合理配置設(shè)備、應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，以及調(diào)整管網(wǎng)系統(tǒng)的管徑和輸水路徑，顯著提高了泵站的運(yùn)行效率，降低了能耗和運(yùn)營(yíng)成本。研究結(jié)果表明，這些優(yōu)化措施不僅提升了再生水輸送系統(tǒng)的整體性能，還為再生水資源的可持續(xù)利用提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】再生水； 泵站優(yōu)化； 變頻調(diào)速技術(shù)； 管網(wǎng)系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】TU991.35【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2024-09-24

［作者簡(jiǎn)介］鄧小丹（1992—），女，本科，高級(jí)工程師，研究方向泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)。

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，水資源緊缺問(wèn)題日益突出，尤其是在水資源有限的地區(qū)，水資源的合理開(kāi)發(fā)與高效利用顯得尤為重要［1］。再生水，作為一種非常規(guī)水資源，因其能有效緩解水資源短缺問(wèn)題而受到廣泛關(guān)注。再生水利用是通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)污水處理廠處理后的水進(jìn)行進(jìn)一步處理，使其達(dá)到特定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而在工業(yè)生產(chǎn)、市政雜用、居民生活和生態(tài)補(bǔ)水等方面加以利用［2］。這一過(guò)程不僅能夠有效減少污水排放，降低環(huán)境污染，還能大幅提高水資源的利用率，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

在再生水利用系統(tǒng)中，泵站作為核心的輸配水設(shè)備，直接影響著水資源的輸送效率和系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果。泵站的合理設(shè)計(jì)和高效運(yùn)行，不僅能夠保障再生水的及時(shí)輸送，還能夠在降低能源消耗、減少運(yùn)行成本方面發(fā)揮關(guān)鍵作用［3］。然而，目前許多再生水泵站在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，如站址選擇不合理、泵站形式不適應(yīng)實(shí)際需求、運(yùn)行效率偏低等［4-5］。這些問(wèn)題不僅影響了再生水利用系統(tǒng)的效率，還增加了運(yùn)營(yíng)成本，限制了再生水資源的有效利用。遵義市播州區(qū)作為貴州省的一個(gè)重要區(qū)域，其水資源狀況具有典型的區(qū)域特征。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和工業(yè)的發(fā)展，水資源需求迅速增加，水資源供需矛盾日益突出。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，播州區(qū)積極推進(jìn)再生水的開(kāi)發(fā)與利用，通過(guò)構(gòu)建完善的再生水利用系統(tǒng)，力求緩解水資源短缺問(wèn)題。在此背景下，對(duì)再生水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率提升進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文以遵義市播州區(qū)為例，系統(tǒng)分析再生水泵站的設(shè)計(jì)理論與技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)有泵站設(shè)計(jì)中的不足，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，結(jié)合智能控制與調(diào)度優(yōu)化策略，探索提高泵站運(yùn)行效率的有效途徑。通過(guò)對(duì)典型案例的分析與驗(yàn)證，本研究旨在為再生水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)與高效運(yùn)行提供理論支持和實(shí)踐指導(dǎo)，推動(dòng)再生水資源的合理開(kāi)發(fā)與可持續(xù)利用。

1 泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.1 泵站結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1.1 泵站形式的優(yōu)化選擇

泵站形式應(yīng)根據(jù)具體的地形和用水需求進(jìn)行選擇。對(duì)于遵義市播州區(qū)的泵站，可以結(jié)合地形特點(diǎn)選擇地面泵站、地下泵站或半地下泵站。例如，在地勢(shì)較低的區(qū)域，選擇地下泵站可以減少占地面積和噪音影響；在空間充裕的區(qū)域，可以選擇地面泵站，以便于設(shè)備的安裝和維護(hù)。

1.1.2 設(shè)備配置優(yōu)化

泵站設(shè)備的選擇應(yīng)以高效節(jié)能為原則，選擇效率高、能耗低的水泵設(shè)備。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際需求，合理配置備用泵和調(diào)節(jié)裝置，以應(yīng)對(duì)不同負(fù)荷下的運(yùn)行需求。安裝變頻調(diào)速裝置，根據(jù)實(shí)時(shí)用水量調(diào)整水泵的輸出，避免能源浪費(fèi)。

1.1.3 儲(chǔ)水池與管道布置

合理布置泵站內(nèi)的儲(chǔ)水池和管道系統(tǒng)，確保水流順暢，減少水頭損失。儲(chǔ)水池的容積應(yīng)滿足調(diào)節(jié)需求，管道布局應(yīng)盡量減少?gòu)澋篮头种В档退髯枇?。此外，管道材質(zhì)應(yīng)選擇耐腐蝕、耐壓性能良好的材料，以延長(zhǎng)使用壽命和保證水質(zhì)。

1.2 管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化

輸水管網(wǎng)是連接泵站與用水點(diǎn)的紐帶，其設(shè)計(jì)直接影響輸水效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)可以有效減少水頭損失和漏損，確保再生水的高效輸送。根據(jù)再生水的特性和輸水需求，選擇合適的管道材質(zhì)和規(guī)格。管道材質(zhì)應(yīng)具備良好的耐腐蝕性和抗壓性，以應(yīng)對(duì)再生水中可能存在的化學(xué)成分和輸水壓力。管道規(guī)格應(yīng)根據(jù)輸水量進(jìn)行合理選擇，避免因管道過(guò)細(xì)導(dǎo)致的水頭損失或因管道過(guò)粗導(dǎo)致的投資浪費(fèi)。輸水路徑應(yīng)盡量選擇直線布置，避免不必要的彎曲和繞行，以減少摩擦阻力。同時(shí)，在地形起伏較大的區(qū)域，可以利用地勢(shì)高差合理設(shè)計(jì)管道坡度，實(shí)現(xiàn)自流輸水，降低泵站的加壓需求。

2 泵站運(yùn)行效率提升策略

2.1 泵站運(yùn)行模式分析

提升泵站的運(yùn)行效率是確保再生水輸送系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵。首先，泵站的運(yùn)行模式直接影響其能源消耗和輸水效率。通過(guò)分析不同工況下的運(yùn)行模式，優(yōu)化泵站的工作狀態(tài)，可以顯著降低能耗。例如，在用水需求波動(dòng)較大的情況下，可以采用分時(shí)段調(diào)度的運(yùn)行模式，避免泵站在低負(fù)荷時(shí)的頻繁啟動(dòng)和停機(jī)，從而減少不必要的能源浪費(fèi)。

2.2 智能控制與調(diào)度優(yōu)化

泵站的智能控制和調(diào)度優(yōu)化是提升運(yùn)行效率的重要手段?，F(xiàn)代智能控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵站的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的輸出功率，確保泵站始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)，泵站可以根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)一步降低能耗，提高運(yùn)行效率。同時(shí)，通過(guò)對(duì)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析和反饋，智能系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)未來(lái)的用水需求，并提前調(diào)整泵站的運(yùn)行策略，避免突發(fā)情況下的能源浪費(fèi)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 運(yùn)行效率優(yōu)化方案

通過(guò)使用高效節(jié)能的水泵設(shè)備，結(jié)合科學(xué)的調(diào)度策略，可以大幅度提升泵站的整體運(yùn)行效率。具體來(lái)說(shuō)，在泵站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備的匹配性和協(xié)調(diào)性，確保各設(shè)備在不同運(yùn)行工況下能夠發(fā)揮最大的效能。此外，定期的設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)分析也是提升泵站效率的重要措施。通過(guò)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的定期監(jiān)測(cè)和分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的運(yùn)行問(wèn)題，確保泵站始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)。

3 遵義市播州區(qū)優(yōu)化案例分析

3.1 工程背景

龍坑污水處理廠是遵義市播州區(qū)再生水利用項(xiàng)目的核心組成部分，主要負(fù)責(zé)將處理后的污水進(jìn)一步凈化，供給城市雜用水和生態(tài)補(bǔ)水等用途。該處理廠日處理規(guī)模為30 000 m3，服務(wù)范圍覆蓋播州區(qū)城區(qū)的北部和南部的部分區(qū)域。龍坑污水處理廠再生水主要用于播雅濕地公園的綠地灌溉和公廁沖洗，以及湘源注水點(diǎn)的補(bǔ)水需求。然而，原有的泵站設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，包括站址選擇不合理、能效較低、設(shè)備維護(hù)困難等，導(dǎo)致再生水輸送效率較低，運(yùn)行成本較高。

3.2 現(xiàn)有泵站設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

遵義市播州區(qū)的再生水泵站設(shè)計(jì)結(jié)合了區(qū)域內(nèi)水資源的特點(diǎn)和用水需求，采用了多種形式的泵站配置，以適應(yīng)不同區(qū)域的再生水輸送任務(wù)。然而，在現(xiàn)有的泵站設(shè)計(jì)中仍存在一些不足之處，例如站址選擇不夠優(yōu)化，導(dǎo)致部分泵站能耗較高，運(yùn)行效率較低；某些泵站的設(shè)計(jì)形式與區(qū)域地形不完全匹配，造成了不必要的水頭損失和輸水管道的冗長(zhǎng)。這些問(wèn)題在一定程度上限制了再生水利用系統(tǒng)的整體效率，增加了運(yùn)營(yíng)成本。以某泵站為例，該泵站配備了3臺(tái)單機(jī)離心泵，依據(jù)GB/T 30948-2021《泵站技術(shù)管理章程》計(jì)算，該泵站各離心泵耗電量如表1所示。

由表1可知，在離心泵運(yùn)行過(guò)程中由于設(shè)備老化實(shí)際效率較低，均低于80%。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3臺(tái)離心泵的實(shí)際年耗電量約為4 694.0萬(wàn) kW·h。并且隨著年限的增加，實(shí)際耗電量會(huì)逐漸增加。因此，需要從泵站設(shè)備優(yōu)化以及管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化等角度，對(duì)該泵站進(jìn)行升級(jí)改造。

3.3 泵站結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.3.1 選址及高效能泵的選用

針對(duì)龍坑污水處理廠泵站存在的問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，泵站的站址進(jìn)行了調(diào)整，靠近濕地公園和主要用水點(diǎn)，減少了輸水距離和水頭損失。此外，泵站形式由原先的地面泵站改為地下泵站，這不僅減少了占地面積，還降低了對(duì)周?chē)h(huán)境的噪音影響。設(shè)備方面，泵站引入了高效節(jié)能的水泵設(shè)備。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范，潛水電泵能效限定值及能效標(biāo)準(zhǔn)中所述，對(duì)于額定功率是1 200 kW的離心泵，其效率應(yīng)不小于80%。本次泵站優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能需求，選擇泵的效率達(dá)到85%以上。按此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出的年耗電量為4 402萬(wàn) kW·h，實(shí)現(xiàn)總節(jié)能約為292萬(wàn) kW·h。

3.3.2 變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用

變頻調(diào)速技術(shù)在泵站優(yōu)化運(yùn)行中起到了關(guān)鍵作用。該技術(shù)通過(guò)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)流量和揚(yáng)程的精確控制。與傳統(tǒng)的固定速運(yùn)行相比，變頻調(diào)速技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)際的用水需求動(dòng)態(tài)調(diào)整泵站的輸出功率，大幅降低了能耗，提升了泵站的整體運(yùn)行效率。在遵義市播州區(qū)泵站的優(yōu)化過(guò)程中，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用尤為顯著。泵站安裝了高效的變頻器和調(diào)速電機(jī)，使得水泵可以在不同負(fù)荷下保持最佳的工作狀態(tài)。例如，在用水需求較低的時(shí)段，變頻器會(huì)自動(dòng)降低水泵的轉(zhuǎn)速，減少能量的浪費(fèi)；而在用水高峰期，系統(tǒng)則會(huì)提高水泵的轉(zhuǎn)速，確保供水的穩(wěn)定性。通過(guò)安裝變頻調(diào)速器，得到泵站節(jié)能效果如表2所示。數(shù)據(jù)表明通過(guò)應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，泵站的能耗得到了顯著降低。1#離心泵在變頻調(diào)速后的功率從1 200 kW降低至1 056 kW，每年節(jié)約了295.2萬(wàn)kW·h的電能；2#離心泵分別在1 020 kW和960 kW的功率下節(jié)約了324.0萬(wàn)kW·h和432.0萬(wàn)kW·h的電能。變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整泵站的運(yùn)行功率，使得泵站能夠更高效地響應(yīng)實(shí)際的用水需求，避免了不必要的能量浪費(fèi)。

3.4 管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

遵義市播州區(qū)的再生水泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)中，管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化主要包括管道材質(zhì)于規(guī)格的優(yōu)化以及輸水路徑的優(yōu)化。

管道材質(zhì)的選擇應(yīng)考慮耐腐蝕性、抗壓性和使用壽命等因素。再生水中可能含有一定的化學(xué)物質(zhì)，因此管道材質(zhì)應(yīng)具備良好的耐腐蝕性。因此選擇采用聚氯乙烯（PVC）或高密度聚乙烯（HDPE）等材料，這些材料不僅具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，還能在高壓下保持穩(wěn)定性；輸水路徑的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少?gòu)澋篮头种?，以降低水流阻力和水頭損失。在實(shí)際應(yīng)用中，采用直線布局是最優(yōu)選擇，這可以最大限度地減少管道的摩擦阻力，從而提高輸水效率。在地形復(fù)雜的區(qū)域，可以利用地勢(shì)高差，通過(guò)自然重力實(shí)現(xiàn)部分輸水，減少泵站的加壓需求。此外，應(yīng)合理規(guī)劃管道的走向，避開(kāi)建筑物和其他地下設(shè)施，確保管網(wǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)如表3所示。

表3中的4個(gè)管段（A段、B段、C段、D段）在優(yōu)化后，管徑均發(fā)生了變化。通過(guò)優(yōu)化，管段A和管段B的管徑從1.2 m和1.0 m分別縮小至1.0 m和1.1 m，而管段C和管段D的管徑則分別增大至1.5 m。這種調(diào)整表明，通過(guò)合理調(diào)整管徑，可以更好地適應(yīng)水流的需求，減少摩擦損失，提高輸水效率。

綜合來(lái)看，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的管徑優(yōu)化和摩擦損失控制，顯著提高了管網(wǎng)系統(tǒng)的輸水效率，減少了泵站的能耗。管段C的優(yōu)化效果最為顯著，說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)增大管徑可以顯著降低摩擦損失，提高節(jié)能效果。此外，表格中的數(shù)據(jù)表明，即使是微小的管徑調(diào)整和摩擦損失的降低，也能帶來(lái)可觀的節(jié)能效益，為管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究以遵義市播州區(qū)為例，深入探討了再生水泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行效率提升策略。通過(guò)對(duì)泵站結(jié)構(gòu)、管網(wǎng)系統(tǒng)以及運(yùn)行模式的綜合優(yōu)化，顯著提升了再生水泵站的整體運(yùn)行效率，降低了能耗，并為再生水資源的有效利用提供了堅(jiān)實(shí)保障。首先，在泵站結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，合理的站址選擇、高效能泵的引入以及變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，有效減少了水頭損失和能源消耗，實(shí)現(xiàn)了泵站運(yùn)行的節(jié)能增效。其次，通過(guò)優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)的管徑和輸水路徑，進(jìn)一步提高了輸水效率，顯著降低了摩擦損失，尤其是管段C的優(yōu)化效果尤為突出。

綜合來(lái)看，泵站和管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能有效提高再生水的輸送效率，還能顯著降低運(yùn)營(yíng)成本，為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用奠定了基礎(chǔ)。此類優(yōu)化策略在其他地區(qū)的再生水利用系統(tǒng)中同樣具有推廣應(yīng)用的潛力。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步結(jié)合智能控制技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析，持續(xù)提升泵站系統(tǒng)的運(yùn)行效率，為城市水資源管理提供更為高效和智能化的解決方案。

參考文獻(xiàn)

［1］ 李金偉， 李江奇. 昆明市水資源短缺問(wèn)題及解決措施［J］. 四川建筑， 2016， 36（6）： 22-25.

［2］ 高賽君. 市政再生水逐級(jí)處理分質(zhì)利用的實(shí)踐探索［J］. 四川建材， 2024， 50（8）： 235-237.

［3］ 陳飛華. 用于自然河道的再生水補(bǔ)水泵站設(shè)計(jì)研究［J］. 城市道橋與防洪， 2018（5）： 177-179+19.

［4］ 徐靜蓉. 城市再生水利用輸水形式分析研究［J］. 水利水電技術(shù)， 2015， 46（10）： 105-110.

［5］ 陳銀川. 產(chǎn)城融合背景下城市新區(qū)污水再生利用規(guī)劃研究［J］. 江西建材， 2022（5）： 274-275+278.