高負載一體化預制泵站優化設計

馬金星 周晨 朱霞 刁正芳 呂虎

摘?要：一體化預制泵站在我國經過一段時間的推行，應用范圍越來越廣，泵站設計流量、揚程、裝機功率也越來越大，如何解決這些大流量高負載工況的優化設計問題值得討論。本文通過合理選擇筒體的數量，合理處理筒體之間的連接布置，和單個大流量筒體內部的優化設計，提出一些優化建議，對于提高一體化預制泵站在大流量高負載工況下的流態，減小運行振動與噪聲具有參考意義。

關鍵詞：一體化泵站;預制泵站;多筒并聯;大流量;高負載

一、 一體化預制泵站現狀

一體化預制泵站，占地面積小，集成化程度高，在安裝位置開挖基坑，對基坑底部壓實、填筑基層、澆筑混凝土，使安裝基礎硬化穩固，然后將預制筒體固定于混凝土基礎上，回填、壓實，同時連接進出水管路，最后安裝主水泵、格柵和控制柜。傳統混凝土泵站的投資大，建設周期長，占地面積大。相比傳統混凝土泵站，一體化預制泵站的工期和集成化具有非常明顯的優勢。預制泵站主要應用于雨水或污水的收集和泵送，多為中小型泵站，可解決農村、城市、廠區、園區等中小型泵站的快速建設問題。由于運輸條件的限制，預制泵站單個筒體的直徑最大為3.8～4m，筒體內空間有限，除了安裝水泵，還需要集成出水管路、閥門、格柵等設備。隨著一體化預制泵站的廣泛應用，已經成為國內外市政工程、水利工程應用的熱點。

二、 一體化預制泵站存在的問題

預制泵站的設計與運行仍存在一些需要深入細化的問題：第一，由于一體化泵站筒體為圓形，缺少傳統混凝土泵站的導向整流流道，在水泵吸入口處，筒體底部、壁面的形狀設計如果空間過小，將會帶來不利的吸入流態和漩渦，同時可能引起泵的振動與噪聲，如果空間過大，泵吸入口的流速就會過小，可能在筒底和泵吸入口產生污物淤積。第二，由于筒體內部空間緊湊，沒有設置有效的隔離設施，筒體內的水泵同時開啟運行時，可能存在相互干擾的現象，這將導致泵流量不穩定，引起葉輪的不平衡力，產生振動、噪聲、降低泵效率。第三，目前的預制泵站適應大流量高負荷的能力較差，從而限制了預制泵站的應用。

三、 大流量高負載一體化預制泵站的優化設計方向

要解決大流量高負載一體化預制泵站的設計問題，主要有兩個方向：一是采用多筒體并聯，單個筒體的流量有上限，增加筒體的數量，從而提高泵站整體的流量。二是提高單個筒體的流量上限，通過合理的設計筒體底部、壁面、導流引流裝置，使得大流量的水泵能夠適用圓形筒體，且不會產生不利的振動和噪聲。

根據泵站設計規范，污水泵站有效容積，應能保證單臺最大流量水泵運行5min的體積，雨水泵站有效容積，應能保證單臺最大流量水泵運行30s的體積。大流量高負載預制泵站，如果要滿足以上要求，而又不增加筒體直徑，則需要增加筒體深度，過深的筒體深度，既增加了土建施工的難度和成本，也增加了玻璃鋼筒體的制造成本，因為要考慮足夠的抗土壓力的能力。因此，建議結合混凝土泵站和預制泵站的優點，增加進水池。

四、 多筒并聯方案的優化設計

對于多筒并聯設計，主要考慮筒體之間進、出水不能互相干擾。兩個筒體并聯運行，進水管采用Y型結構，并且在設計時要做到完全對稱，不建議采用F型結構，這樣，兩個筒體吸入的流量可能有差別，導致相同的水泵負荷不同、運行工況不同，產生一些不可預見的問題。雙筒體并聯的出水同樣建議采用Y型結構，出水管路的支管長度應適當加長，距離筒體過近，一是匯合流態互相干擾較為嚴重，二是匯合流態干擾引起管路振動，可能影響一體化預制泵站整體穩定性。遠離筒體設置管路匯合點，管路通常埋地敷設，不會干擾筒體，同時由于單管長度較長，整流效果好，匯合沖擊相對小。

對超過兩個筒體并聯設計的方案，建議采用進水池，結合固定式泵站和一體化預制泵站的優點，進水池既能保證各個筒體進水均勻、相當，又能有效提高泵站的有效容積。接入進口池的進水管，建議設置閘門，在進水池底需要清理淤積時使用，同時也能預防泵站超流量運行。出水建議參考雙筒體并聯的方式，多個筒體直出一定距離后，分別匯總至總管上，也即設置多個匯總點，減少相互干擾。

多筒并聯的方案，要注意基坑開挖與混凝土基礎制作，預防不均勻沉降。

五、 單筒大流量方案的優化設計

單筒大流量一體化預制泵站，建議采用單臺軸流泵或混流泵，不建議使用2臺或多臺大流量水泵并聯運行于同一筒體內的方案，因為，由于流量太大，很難解決泵間干擾的問題。單臺軸流泵或混流泵，完全可以成倍的提高一體化預制泵站的泵送能力。

六、 一體化預制泵站的應用建議

第一，一體化預制泵站大部分采用玻璃鋼材質，相比混凝土泵站，其抗滲、節能降耗具有顯著的優勢，但目前，玻璃鋼筒體的質量參差不齊，尤其是筒體在受力不均時，非常容易開裂。

第二，玻璃鋼材質在高揚程、大流量高負載等易發生停機水錘工況下，壽命與安全不足，可以考慮鋼質材料。

第三，對于筒體直徑較大，需要現場制作的一體化預制泵站，亦不建議采用玻璃鋼材質，一是玻璃鋼制作過程不夠環保，二是由于現場條件的限制，不能保證制作質量。

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作者簡介：馬金星，周晨，朱霞，刁正芳，呂虎，江蘇中興水務有限公司。