长距离排水中的泵站设计分析
摘要
关键词
泵站设计、水泵选型、能耗分析
正文
1项目概况
由于就近的湖泊要求排放水质达到地表Ⅲ类水，项目地附近的水体多为灌溉渠，受纳与自净能力不足，某工业园区拟将达标尾水长距离排入38km外的大型天然河道，设计按照远期均日6.6万吨/天，日变化系数1.35，高日9.24万吨/天设计。其中日变化系数选取如表1所示：
表1 总变化系数表
均日流量（L/s） | 5 | 15 | 40 | 70 | 100 | 200 | 500 | ≥1000 |
总变化系数 | 2.3 | 2.0 | 1.8 | 1.7 | 1.6 | 1.5 | 1.4 | 1.3 |
2泵站选址
2.1泵站位置
根据当地总体规划，泵站初步选址位置位于：管线穿越高速之前，如图1所示；泵站平面布置如图2所示。
图1 泵站现状位置图 图2 泵站平面布置图
2.2泵站工艺
（1）泵房工艺流程：进水管→进水闸门井→格栅井（粉碎型机械格栅）→集水池→泵房（水泵提升）→出水闸门井→压力出水管→排气井→出水管。
（2）进水闸门井：进水闸门井内设置了2台不锈钢闸门（D1200）及启闭机，当后续格栅需检修时关闭相应启闭机。
（3）泵房：现常用的泵房形式有集成预制泵房（一体化）和混凝土泵房。结合本次泵站的实际情况，泵站的设计流量较大，一体化的筒体无法一次集成格栅和水泵，需要分多个筒体才能满足要求，即需要多个格栅筒体和多个水泵筒体；泵站所在位置现状空间开阔，开挖简单。通过施工比较、经济比较，认为采用钢筋混凝土泵池更合适，即推荐钢筋混凝土泵房。
（4）设计规模：设计流量Q=3850m3/h。
（5）泵室形式：泵房平面尺寸：34.00m×18.00m。
（6）泵站扬程计算：水泵的全扬程计算H≥H1+H2+h1+h2+h3+h4+h5，如表2、表3所示。其中：H1：泵站地面标高与集水池最低运行液位之差；H2：泵站经常提升水位高点与泵站地面标高之差；h1：吸水管水头损失；一般包括吸水喇叭口、直线段、渐缩段等；h1=ζ1×v2/（2g）；h2：出水管水头损失，一般包括渐扩管、止回阀、弯头和直线段等，h1=ζ2×v2/（2g）；h3：压力管线沿程损失，为管线直线段损失；h4：压力管线局部损失，包含45°弯头损失、90°弯头损失、通过阀门损失等，h4=ζ4×v2/（2g）；h5：安全水头，取1.0m。
表2 DN1100管径泵扬程计算表
均日流量（m³/d） | 总变化 系数 | 高日流量 （m³/d） | 高日流量 （L/s） | 粗糙系数 （n） | 管道直径 （mm） | 水力坡降 （i） |
66000 | 1.35 | 89100 | 1031.25 | 0.013 | 1100 | 0.001233 |
水力坡降 （1000i） | 平均流速 （m/s） | 压力管 长度（m） | 压力管段沿程损失（m） | 泵站吸水管损失（m） | 泵站出水管损失（m） | 压力管段局部损失（m） |
1.233 | 1.08 | 38000 | 46.854 | 0.30 | 0.50 | 3.494 |
泵站地面标高-集水池运行液位（m） | 经常提升水位高点与泵站地面标高之差（m） | 安全水头（m） | ||||
2.50m | 5.60 | 1.00 | ||||
提升泵所需扬程=60.24m | ||||||
表3 DN1200管径泵扬程计算表
均日流量 （m³/d） | 总变化 系数 | 高日流量 （m³/d） | 高日流量 （L/s） | 粗糙系数 （n） | 管道直径 （mm） | 水力坡降 （i） |
66000 | 1.35 | 89100 | 1031.25 | 0.013 | 1200 | 0.000796 |
水力坡降 （1000i） | 平均流速 （m/s） | 压力管 长度（m） | 压力管段沿程损失（m） | 泵站吸水管损失（m） | 泵站出水管损失（m） | 压力管段局部损失（m） |
0.796 | 0.91 | 38000 | 30.248 | 0.30 | 0.50 | 2.482 |
泵站地面标高-集水池运行液位（m） | 经常提升水位高点与泵站地面标高之差（m） | 安全水头（m） | ||||
2.50m | 5.70 | 1.00 | ||||
提升泵所需扬程=42.73m | ||||||
注释：压力管段局部损失主要产生于阀门井、弯头位置处，本项目沿线共有51个90°弯头，36个45°弯头，38个阀门井。其中90°弯头水头损失吸水按照0.5计，45°弯头水头损失系数按照0.82计，阀门的水头损失系数按照0.1计；泵站地面高程为25.2m，大堤位置处管中心高程为30.80m，泵站集水池运行水位按照所在位置地面高程以下2.5m计。
（7）水泵选型：首先是确定水泵的类型，离心泵、轴流泵、混流泵、潜水泵各自结构及特点，如下表4所示。
表4 提升泵形式比较表
类型 | 离心泵 | 轴流泵 | 混流泵 | 潜水泵 |
工作 原理 | 水流在高速旋转叶轮的离心力作用下获得能量 | 叶轮高速旋转提升水流,经导叶片作用, 螺旋上升的水流变为轴向上升 | 综合了离心泵和轴流泵,对水流的作用既有离心力又有轴向推力 | 同相应的离心泵、轴流泵、混流泵。 |
主要 构造 | 叶轮、泵轴、泵壳、减漏环、轴封、轴承、联轴器 | 吸入管、叶轮、导叶、轴和轴承、密封装置 | 进水喇叭口、叶轮(导叶)、轴和轴承 | 潜水电缆,扬水管,潜水电泵和潜水电机 |
安装 要求 | 自灌/非自灌 | 自灌 | 蜗壳式卧式类似单 吸离心泵；导叶式立式类似轴流泵 | 固定式/移动式/ (干式固定式) |
特点 | ①小流量,高扬程 ②适宜输送清水 | ①大流量,低扬程 ②有导叶 ①开阀启动 | ①大流量、中低扬程 ②效率较高且抗气蚀性能很好 | 可将水泵、电机一并安装潜入水中 |
应用 场合 | 在给水工程中广泛使用 | 农业排灌、热电站循环水输送、船坞升降水位 | 给水工程、排水工程、农业灌溉工程 | 水源泵站取水、水厂内构筑物间提升、排水泵房排水 |
根据上述几种水泵的各自特点，本泵站拟采用单级双吸离心泵。
其次是根据使用和备用的水泵数量来确定水泵的各项参数，最终通过能耗分析具体选定水泵的型号。分析对比如表5所示。
表5 水泵选型分析表
管径 | 水泵组合形式 | 单台水泵参数 | 使用功率（kW） | 年耗电量（kW.h） | 标准煤（t/a） |
DN1100 | 三用一备 | Q=1283m3/h h=67m 轴功率315kW | 1086 | 938.95万 | 1154.91 |
四用两备 | Q=1016m3/h h=66m 轴功率250kW | 1150 | 993.60万 | 1222.13 | |
DN1200 | 三用一备 | Q=1247m3/h h=46m 轴功率220kW | 759 | 655.80万 | 806.60 |
四用两备 | Q=1058m3/h h=46m 轴功率185kW | 851 | 735.26万 | 904.37 |
由以上计算分析可知，在压力管允许流速范围内可供选择的管径有DN1100和DN1200，由于管径小流速大，导致选择DN1100时局部水头损失和沿程水头损失较大，只能选择高扬程水泵，能耗则随之增加，选择DN1200管径则情况与之相反；在水泵组合形式选择时，三用一备在一次性投资和运行费用上具有明显优势。由此，本次设计选择DN1200管径、水泵三用一备，单台水泵参数为：Q=1247m3/h，h=46m，该工况点轴功率220kW，单台装机容量253kW时，经济性最佳。
3泵站建筑工程
根据所选定的泵站位置，依据规划部门对该地区总体规划要求，在建筑设计方面力求建筑风格与周边自然环境及建筑协调。整体效果既能体现工业建筑独有特征，又要表现出城市建筑的特征。
（1）根据生产工艺要求设置控制房、值班室、休息室和工具间，建筑设计等级三级，耐火等级为二级，建筑合理使用年限50年，设计抗震烈度为六度。
（2）外墙饰面采用浅米色高级涂料，墙裙部分采用深灰色仿蘑菇石面砖，内墙面采用白色乳胶漆涂料墙面，卫生间采用面砖内墙面，地面为陶瓷地砖，顶棚采用混合砂浆顶棚。本工程采用空调器采暖，自然通风，窗户采用断桥铝框中空玻璃，屋面保温材料采用70厚QSB保温板。坡屋顶采用红色陶瓦屋面。
（3）采用造型采用欧式线脚，在窗上、下口设线脚，简洁大方。
（4）与周围环境协调。
4泵站结构设计
（1）结构形式：泵站格栅井、集水池、管理房均为新建钢砼构筑物。顶板的活荷载标准值为4KM/m2。值班室为新建一层砖混结构，建筑抗震设防类别为乙类。地震基本烈度：6°。
（2）构筑物的抗浮：根据建筑物位置地下水位情况，采取相应的抗浮措施。
（3）水泵基础根据卧式轴流泵的安装要求设置，具体安装尺寸根据所订设备现场处理。
5泵站电气工程
（1）泵站供电：新建配电房，电站容量为1012KVA。
（2）电气控制：泵站的启动方式为软启动，且每台机泵单配启动器。水泵互为备用，与液位仪配套使用以实现对水位的自动控制。
泵站自动控制方式：通过超声波液位传感器测量水位值，当水位升高到设定的水位值时，自动控制水泵按预先编制的程序依次逐台起动；当水位降低到高定的水位值时，自动控制水泵按预先编制的程序依次逐台关闭。手动转换开关可定期轮换运行的水泵，保证水泵总是处于最佳的运行状态。当水位超低或超高时自动报警，液位传感器结合液位显示仪除给泵机提供四水位控制信号外，尚能直观读数。
6结论
综上所述，在长距离排水项目中，泵站的设置决定性因素有以下几点：（1）关于泵站选址，考虑行政管辖范围，泵站应尽可能设置在其服务区域内；（2）关于泵站形式，综合考虑水量、基建费用、工期、市场设备供应情况下，水量大、一体化泵站无法满足排水需求时选择混凝土结构泵站，否则鉴于工期短、投资低宜优先考虑一体化泵站；（3）关于压力管管径、水泵组合形式，通常计算会有几种可行的组合方案，但鉴于不同工况组合最终会产生不同的能耗，为满足节能审查的要求，宜反向校核选择经济性的组合方案。
作者简介：黄丽君（1987年-），女，汉，河南郑州人，硕士，工程师，研究方向为水污染控制工程。
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