張曉琳

摘要在以往的市政排水泵站設(shè)計中，水泵的設(shè)計揚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)計揚程的選泵方法導(dǎo)致水泵設(shè)計揚程的往往高于實際運行的揚程，水泵長期不在最佳工況點運行，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題。為了改善這些問題，提出了通過不同設(shè)計參數(shù)水泵的組合來適應(yīng)泵站運行中的揚程變化，提高泵站的整體效率。

關(guān)鍵詞水泵設(shè)計揚程

0 引言

市政排水泵站是城市排水系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它的職責(zé)是將城市的污水通過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、高效的運行。

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

1 市政排水泵站最高和最低揚程的確定

對于市政雨污水泵站的最高和最低揚程，《室外排水設(shè)計規(guī)范（50014-2006）》的條文解釋中有明確的說明。雨水泵站水泵的最高揚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。對于污水泵站而言，水泵的最高揚程為設(shè)計最大流量時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；水泵的最低揚程為設(shè)計最小流量時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)以上說法，雨污水泵站水泵的最高和最低揚程與集水池的設(shè)計最高和最低水位有關(guān)。這是為什么呢？首先說明一下雨污水泵站集水池最高、最低水位在泵站運行中所起的作用。集水池的設(shè)計最高水位是進(jìn)水達(dá)到設(shè)計流量時的集水池的水位，是泵站自控運行時水泵全部開啟的水位。在此工況下，泵站來水量與泵站設(shè)計總排水量基本相同，集水池內(nèi)的水位不再上升，因此是水泵在設(shè)計工況下的理論最高運行水位。集水池的設(shè)計最低水位是水泵的停泵水位，是水泵在設(shè)計工況下的最低運行水位。因此，水泵運行的最高和最低揚程需通過集水池的最高和最低水位計算確定。

雨污水泵站集水池設(shè)計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)計手冊5》執(zhí)行，即雨水泵站按進(jìn)水管管頂高程減去了過柵損失選??；污水泵站按進(jìn)水管設(shè)計充滿度水位高程減去了過柵損失選取。而集水池的設(shè)計最低水位的確定則相對復(fù)雜一些，這是因為集水池的最低水位需根據(jù)水泵吸水喇叭口的安裝條件和葉輪的淹沒深度、集水池的容積、管道及泵站的養(yǎng)護(hù)管理、水泵的運行等條件綜合確定?！督o水排水設(shè)計手冊.第05冊.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水泵流量時進(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。工程實踐證明如果機(jī)械的把雨水按最小一臺水泵流量時進(jìn)水干管充滿度的水位作為集水池的設(shè)計最低水位，在泵站的運行中會帶來一些問題：

（1）最低水位的確定跟水泵的臺數(shù)有關(guān)，如果設(shè)計水泵臺數(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)計水泵臺數(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2臺水泵，集水池的設(shè)計最低水位甚至在進(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)長期會存有一定深度的雨水，減少了進(jìn)水管道的過水?dāng)嗝?，降低了管道過流能力。

（3）如果集水池的最低設(shè)計水位定在低于管底的高程，雖然可增加集水池的有效容積，但會增加泵站的埋深，導(dǎo)致投資的增加。而水泵揚程的運行區(qū)間也會加大，這樣將導(dǎo)致水泵在運行過程中，高效區(qū)很難覆蓋整個揚程運行區(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多增加泵站埋深、保持泵站進(jìn)水管的100%過流量，充分發(fā)揮泵站的作用以及在工程設(shè)計中便于操作的角度考慮，雨污水泵站集水池的設(shè)計最低水位可按進(jìn)水管管底高程減去過柵損失選定。

2 市政排水泵站水泵設(shè)計揚程的確定

在以往的市政排水泵站設(shè)計中，雨水泵站水泵設(shè)計揚程往往根據(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)計揚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。這樣選出來的水泵設(shè)計揚程往往高于實際工況下的工作揚程（雨水泵站的水泵揚程的運行區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于污水泵站，所以雨水泵站上述問題更加突出），導(dǎo)致水泵運行時偏離高效區(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)計的工程實例具體說明：

某雨水泵站，設(shè)計流量為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)計為8臺潛水軸流泵，單泵流量為2.25 m3/s。以往水泵設(shè)計選型過程及方法如下：

（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柵損失0.1m），集水池的最低水位為-2.75米（按單臺水泵流量時進(jìn)水方涵充滿度的水位減去過柵損失）。

（2）通過計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)計揚程?。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，其性能曲線見圖1。由圖可見，所選水泵在設(shè)計揚程8.35米時，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)計流量時，集水池水位為-0.3米，此時工況下水泵工作揚程為：H=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m

當(dāng)泵站達(dá)到設(shè)計流量時，水泵的工作揚程為5.9米，根據(jù)所選水泵的性能曲線看，水泵的運行工況點與選泵時的設(shè)計工況點偏移較大，此時8臺水泵的理論工作效率為從84%下降至77%左右，水泵運行已經(jīng)偏離了高效區(qū)。揚程的降低會導(dǎo)致水泵的軸功率降低，因此250KW的電機(jī)功率浪費很多?？梢娝迷O(shè)計揚程偏高對泵站實際運行效率的影響是非常大的。

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

①水泵最高揚程H1（集水池最低設(shè)計水位時即單臺水泵流量時）為：H1=2.5-（-2.7）+2.6+0.5=8.3m

②水泵最低揚程H2（集水池最高設(shè)計水位時即達(dá)到設(shè)計流量時）為：H2=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m

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