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(tuán)>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(yùn)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(jī)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(jìn)行維護(hù)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(jìn)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(xiàn)記載的國內(nèi)對泵站和市政排水設(shè)施進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)行情況、機(jī)械設(shè)備(機(jī)械設(shè)備維修情況和水泵運(yùn)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(yùn)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(bǔ)、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(yùn)行情況

排水泵站的機(jī)械設(shè)備主要包括閘門、格柵、螺旋壓榨輸送機(jī)、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(jī)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(yùn)行中,機(jī)電部件出現(xiàn)老化,機(jī)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(yùn)行。

水泵的效率是水泵的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)、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(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),在泵站運(yùn)行中具有不可或缺的作用。經(jīng)過多年運(yùn)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(yùn)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(yùn)行時現(xiàn)場無人值守,有人值守時通過計算機(jī)或觸屏操控。自控系統(tǒng)是泵站內(nèi)設(shè)備安全運(yùn)行的保障,也是自動化運(yùn)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(jìn)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(yùn)行規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),同時結(jié)合泵站運(yùn)行單位的經(jīng)驗,根據(jù)各個因子在實際運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)電設(shè)備進(jìn)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(jìn)行的技術(shù)性活動。因此,機(jī)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(jìn)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(jìn)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(yùn)行25年后,主機(jī)組及主要電機(jī)設(shè)備已經(jīng)歷多次大修,開始進(jìn)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(jī),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(qiáng)迫停機(jī),增加維修工作量和修理費用。排水泵站中其他機(jī)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(yùn)營單位相關(guān)的泵站運(yùn)行經(jīng)驗,污水泵站運(yùn)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(jī)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(yùn)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(jī)電設(shè)備老化嚴(yán)重。至今已運(yùn)行25年以上,應(yīng)根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求進(jìn)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(jī)電設(shè)備質(zhì)量相對要好得多,但泵站運(yùn)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(yùn)行和經(jīng)濟(jì)角度考慮,由于污水泵站連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),對設(shè)備投入運(yùn)行15年,構(gòu)筑物使用達(dá)到20年以上的泵站進(jìn)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(yùn)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(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)行測定,實際操作較為耗時,為了考察水泵的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)械磨損,這些都會降低水泵的運(yùn)行效率[7]。此外,水泵加工工藝差異、水泵材質(zhì)差異,還有運(yùn)行條件和運(yùn)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(jìn)行機(jī)械設(shè)備改造的泵站有217座,已進(jìn)行電氣自控改造的有202座,已進(jìn)行除臭系統(tǒng)改造的有121座,已進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)維修的有154座,另有11座泵站尚未進(jìn)行過任何改造。

排水泵站中設(shè)備設(shè)施都需要定期維護(hù)和檢修,根據(jù)《大型泵站設(shè)備設(shè)施運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(hù)和修理的效益?？紤]到維修費用和經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(qiáng)。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)行評估,結(jié)果如下。

(1)建設(shè)年代、泵站規(guī)模、運(yùn)行情況、機(jī)械設(shè)備(機(jī)械設(shè)備維修情況和水泵運(yùn)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(yùn)行的重要因素,其中機(jī)械設(shè)備的維修和運(yùn)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(yùn)行狀況和設(shè)施情況對各因子進(jìn)行打分,最后將各個泵站的各因子評分進(jìn)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)。