宋濤 中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司

1 城市排水系統(tǒng)流量及節(jié)能控制單元

城市排水系統(tǒng)是排出降雨徑流、生活污水、工業(yè)廢水等，預(yù)防水體污染，促進(jìn)水資源高效循環(huán)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。城市排水系統(tǒng)一般由由排水管網(wǎng)、蓄水池、輸送管泵、污水處理廠等組成。鑒于篇幅限制，本文基于現(xiàn)行的流量計算方法，來探討排放管網(wǎng)和污水泵站的節(jié)能優(yōu)化。

1.1 污水流量計算

城市污水流量在排水系統(tǒng)中是不斷增加的，至排水終點（污水處理廠）流量達(dá)到峰值。因此，在排水系統(tǒng)中應(yīng)逐段確定管道流量。污水排放量與城市人口、經(jīng)濟(jì)水平、排水體制、污水管網(wǎng)設(shè)計參數(shù)等因素密切相關(guān)，一般是按照式⑴簡單累加計算。式⑴中的城市污水總量是假定生活污水、工業(yè)廢水等在同一時間內(nèi)都達(dá)到峰值，但這種情況發(fā)生的概率較低，故將Q作為確定污水泵站型號或污水處理廠規(guī)模時的設(shè)計依據(jù)顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

式中Q1—居住區(qū)生活污水流量，L/s；Q2—工業(yè)企業(yè)生活污水及淋浴污水流量，L/s；Q1—工業(yè)廢水流量，L/s。

1.2 降雨徑流計算

根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50014-2021），暴雨條件下的城市排水系統(tǒng)中的雨水徑流可利用式⑵最小流域面積法計算。

式中Q—雨水徑流量，L/s；Ψ—徑流系數(shù)，具體取值參考表1；F—匯水面積，ha；q—設(shè)計暴雨強(qiáng)度，L/s，與降雨歷時、降雨重現(xiàn)期等因素。

表1 徑流系數(shù)取值

1.3 流量控制單元

1.3.1 管道控制單元

流入和流出管道的污水量取決于閘門上、下游水位高差和閘門開度，兩者之間的關(guān)系基本符合式⑶。

式中q(t)—t時刻管道的污水流量，L/s；u—閘門流量系數(shù)，無量綱；f—閘門水域面積，m2；hup(t)、hdown(t)—分別為閘門上游和下游的水位高度，m。

1.3.2 水泵控制單元

水泵是一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，可將電能轉(zhuǎn)化為液體動能和勢能，以實現(xiàn)排水系統(tǒng)輸送或儲存液體的目標(biāo)。水泵類型應(yīng)結(jié)合污水性質(zhì)選擇，如酸性或腐蝕性較強(qiáng)的工業(yè)廢水，宜使用耐腐蝕泵；如污泥使用揚程較低的離心泵、軸流泵等即可。選擇水泵時，盡可能選擇性能好、效率高的設(shè)備，小型泵站配置2～3臺水泵，大中型泵站配置3～4臺水泵。同時，為了達(dá)到節(jié)能效果，水泵可采用大、小泵搭配的方案，以適應(yīng)排水系統(tǒng)內(nèi)污水流量的變化。

1.3.3 污水處理廠

污水處理廠也是排水系統(tǒng)的重要的流量控制單元，在污水處理廠只需控制其服務(wù)流域范圍內(nèi)的總污水量。一般情況下，總污水量越大，污水處理廠的耗能越高，其耗能環(huán)節(jié)主要包括包括提升系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、污水污泥處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。相關(guān)研究表明，污水提升泵房的電耗量占比全部電耗的20%左右，曝氣系統(tǒng)能耗可占到整個污水處理廠的60%～70%，均需重點關(guān)注。

2 基于分散控制的排水管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化模型

城市排水系統(tǒng)是多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，每個區(qū)域所分布的泵站排水能力差異較大。本文基于分散控制理論，在保證管網(wǎng)不出現(xiàn)溢流條件下，建立城市排水系統(tǒng)局部水泵節(jié)能優(yōu)化模型。這樣可提高排水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化的效率，降低求解復(fù)雜度。

2.1 工程概況

本文依托某城市局部區(qū)域為研究對象，針對其排水系統(tǒng)能耗進(jìn)行優(yōu)化。區(qū)域內(nèi)地勢總體較平坦，局部起伏大，水文地質(zhì)狀況良好，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候年平均降水量約989mm，降雨主要集中在6～10月區(qū)域內(nèi)的排水泵站布置見圖1。區(qū)域內(nèi)共11個泵站，編號為S1～S11。將圖中所示泵站劃分成為單環(huán)和雙環(huán)（黃色區(qū)域內(nèi)）兩種類型。假設(shè)單環(huán)為非綜合調(diào)度泵站，雙環(huán)為區(qū)域綜合調(diào)度泵站。

圖1 城市排水泵站布置

2.2 排水管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化模型

2.2.1 非綜合調(diào)度泵站節(jié)能優(yōu)化模型

非綜合調(diào)度泵站的控制目標(biāo)是使單個泵站能量消耗達(dá)到最低值，且單根管道的水位盡量接近期望水位高度。如,泵站S1和S2是非綜合調(diào)度泵站，對其采用分散控制，只需要考慮節(jié)點處水泵自身的工作情況，不必考慮該節(jié)點與其它節(jié)點水泵的相互影響。非綜合調(diào)度泵站的節(jié)能優(yōu)化模型可用式⑷表示。

式中vi(t)—管道i在t時刻的儲水量；vi(t+1)—管道i在t+1時刻的儲水量；qex、i(t)—t時刻的降雨在節(jié)點處產(chǎn)生的流量；qup、i(t)—上游管道匯進(jìn)該管道的流量；qu、i(t)—節(jié)點處水泵的控制出水量。

2.2.2 區(qū)域綜合調(diào)度泵站節(jié)能優(yōu)化模型

對于有分支的綜合調(diào)度泵站，為了更加精確地預(yù)測各分支上的泵站在將來某一時刻t流量，可將調(diào)度泵站與分支泵站構(gòu)建成區(qū)域子系統(tǒng)（如S3和S7、S9節(jié)點為一個子系統(tǒng)），將子系統(tǒng)視為一個整體，統(tǒng)一進(jìn)行節(jié)能控制，其節(jié)能控制目標(biāo)是在子系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點不溢流的前提下，子系統(tǒng)的總耗能最低。區(qū)域綜合調(diào)度泵站的節(jié)能優(yōu)化模型可用式⑸表示。

式中vm(t)—第i在區(qū)域子系統(tǒng)在t時刻的儲水量；vi(t+1)—第i在區(qū)域子系統(tǒng)在t+1時刻的儲水量；qex、m(t)—t時刻的降雨區(qū)域子系統(tǒng)處產(chǎn)生的流量；qup、m(t)—上游管道匯進(jìn)區(qū)域子系統(tǒng)的流量；qu、i(t)—區(qū)域子系統(tǒng)控制出水量。

2.3 排水管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化結(jié)果

利用上述排水管網(wǎng)節(jié)能優(yōu)化模型（分散優(yōu)化）和傳統(tǒng)集中優(yōu)化模型分別計算了排水系統(tǒng)在180s內(nèi)的能量消耗。由計算結(jié)果可知，排水系統(tǒng)在傳統(tǒng)集中優(yōu)化模型下，能耗隨排水時間變化較大，呈先增加后減小的趨勢，在排水時間為58s左右能耗達(dá)到峰值，總能耗為1.58kWh；分散優(yōu)化模型在排水過程中的能耗波動較小，排水能耗基本維持在0.05 kWh左右，總能耗為1.43 kWh。相對于傳統(tǒng)優(yōu)化模型，分散優(yōu)化模型節(jié)能效果提升了9.5%，且整個排水系統(tǒng)的耗能更加穩(wěn)定。

3 城市排水系統(tǒng)中的泵站能耗控制措施

目前，城市排水系統(tǒng)泵站普遍存在工作效率低下，能源消耗量大，運行成本高等問題。同時，排水系統(tǒng)中的水泵經(jīng)過長時間運行，其工況可能嚴(yán)重偏離設(shè)計工況。因此，本文基于泵站的實際運行工況對其能耗進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的節(jié)能措施，確保泵站處于良好的運行狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能目標(biāo)。

3.1 排水系統(tǒng)泵站運行工況

水泵在選型時通常是基于最嚴(yán)重工況，再乘以一個安全系數(shù)，使得水泵功率、揚程大大增加，造成一定的能源浪費。但在實際排水系統(tǒng)中，由于泵站流量的不確定性，泵站的工作狀態(tài)可劃分為流入泵站流量＞泵出流量、流入泵站流量＜泵出流量、流入泵站流量=泵出流量3種。泵站所處工況不同，耗能大小不同，對整體排水系統(tǒng)的影響也有一定程度的差異。

3.1.1 流入泵站流量＞泵出流量

當(dāng)泵站處于Q流入＞Q泵出工況下，會使泵站進(jìn)水口污水井水位升高，水泵的排流量增大。然而，水泵在某一轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)流量的能力并不是無限大的，且水泵排流量過大可能會引起出水口產(chǎn)生滯流，形成附加水柱△H（相當(dāng)于增加了污水泵揚程），增加能力消耗，十分不利于泵站系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。

3.1.2 流入泵站流量＜泵出流量

在泵站處于Q流入＜Q泵出工況下，泵站進(jìn)水口污水井水位迅速下降，水泵的排流量減小，水泵工作效率就會降低。隨著流入泵站流量的減小，進(jìn)水口出現(xiàn)回流和漩渦，隨后水泵進(jìn)入“馬鞍型QH特性曲線”。如果流入泵站流量過小，達(dá)到臨界淹沒水位，應(yīng)立即停機(jī)。需注意，啟停機(jī)次數(shù)不得大于水泵所允許的次數(shù)，否則可能損壞水泵。

3.1.3 流入泵站流量=泵出流量

當(dāng)Q流入=Q泵出，此時進(jìn)出口的水位均是理想水位，水泵揚程減小，泵站運行效率高（運行狀態(tài)最佳），節(jié)能效果最好，污水對整個排水系統(tǒng)的污染也較小。

3.2 排水系統(tǒng)泵站節(jié)能措施

3.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)

以圖3所示的軸流泵工作特性曲線為例開展分析，排水流量Q=Q0時，水泵工作效率η達(dá)到峰值，一旦排水流量偏離Q0，水泵工作效率η會快速下降。由于排水系統(tǒng)中的流量是動態(tài)變化的，水泵固定高效率區(qū)運行難度大。使機(jī)泵在高效區(qū)運行，比較困難。基于上述工作特性，污水泵站可利用變頻調(diào)速技術(shù)來節(jié)約電能消耗。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)一般是由變頻器、控制器、傳感器、切換接觸器等裝置組成，在污水流入量降低的條件下，水泵自動調(diào)慢轉(zhuǎn)速，從而降低污水泵出流量。假設(shè)Q流入減少了10%，水泵轉(zhuǎn)速下降使Q泵出也減少10%，且Q流入=Q泵出。此時排水流量偏離Q0，泵站功率大幅下降，節(jié)電效果十分明顯。

圖3 水泵工作特性曲線

3.2.2 控制水泵揚程

相關(guān)研究表明，污水泵站的耗能跟揚程大小有關(guān)。一般揚程越大，泵機(jī)提升等量污水所做的功越多，消耗的能量也越大，因此在排水系統(tǒng)中應(yīng)盡量降低揚程來減小電能消耗。以圖4所示的污水泵站為例開展楊程分析:①提高泵站運行水位，泵站正常工作狀態(tài)下（Q流入=Q泵出），水泵揚程H=HAB+HBC+HCD，單位時間內(nèi)泵站提升污水的耗能W=ρgQH（ρ為污水密度、g為重力加速度、Q為流入或泵出流量）。假設(shè)泵站運行水位從A上漲到B，揚程減少了HAB，泵站耗能減少了ρgQHAB。②當(dāng)污水流入量較小時，可適當(dāng)降低圍堰閘的高度來減少無效揚程所消耗的電能。假設(shè)圍堰閘的高度降低了HCD，泵站耗能減少ρgQHCD。

圖4 污水泵站立面圖

4 結(jié)語

本文研究了城市排水系統(tǒng)流量控制單元、排水管網(wǎng)分散優(yōu)化模型、泵站節(jié)能措施等得出結(jié)論：①城市排水系統(tǒng)流量由降雨徑流、生活污水、工業(yè)廢水等組成，主要利用管道、水泵、污水處理廠等單元控制流量；②城市排水系統(tǒng)是多變量耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，可基于分散控制理論，對非綜合調(diào)度泵站和區(qū)域綜合調(diào)度泵站分別進(jìn)行優(yōu)化；③經(jīng)分散優(yōu)化模型處理后的排水系統(tǒng)能耗峰值有明顯降低，且能量波動??；④排水系統(tǒng)泵站可結(jié)合實際運行工況，通過變頻調(diào)速技術(shù)、提高泵站運行水位、降低圍巖閘高度等措施節(jié)省能源消耗。