一體化污水提升泵站工程設(shè)計及應(yīng)用研究

李進軍，陳梓遷

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071）

1 前言

污水提升泵站是污水管網(wǎng)工程設(shè)計建設(shè)過程中的一個重要組成部分。為了節(jié)省建設(shè)成本，當(dāng)管道埋深達到一定深度時，有必要考慮設(shè)置污水提升泵站來降低污水管道埋深。目前，污水提升泵站主要為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土泵站和新興的一體化預(yù)制泵站。后者較前者的優(yōu)點主要體現(xiàn)在占地面積小、施工周期短、造價低、對周圍環(huán)境影響小等方面。由于污水管道建設(shè)多集中在城市建成區(qū)或居民居住密集區(qū)，因城市建成區(qū)土地利用受限以及居民居住密集區(qū)征拆困難等因素，一體化提升泵站的優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)出來，越來越受到各方推崇。

然而，設(shè)計院在設(shè)計一體化污水提升泵站時，大多是委托一體化泵站廠家進行設(shè)計，對泵站廠家的設(shè)計參數(shù)及取值是否符合規(guī)范、標準等做不到完全把控。筆者在從事排水管網(wǎng)和排水泵站設(shè)計工作中，接觸過眾多一體化預(yù)制泵站廠家。經(jīng)調(diào)查，很多一體化泵站廠家在設(shè)計一體化提升泵站時，對工程項目細節(jié)了解甚少，與設(shè)計院設(shè)計人員溝通交流也較少，提交的圖紙多以成品圖紙稍以修改為主，中間缺乏計算過程，泵站設(shè)計參數(shù)取值等更是被忽略。一方面，工程設(shè)計院對一體化泵站廠家設(shè)計過程做不到全程把控；另一方面，泵站廠家多以套圖為主，無計算參數(shù)、無計算過程，從而導(dǎo)致有些一體化泵站建成后并沒有達到預(yù)期的設(shè)計效果。

本文以張家港市靜脈科技產(chǎn)業(yè)園一體化污水提升泵站工程設(shè)計為例，介紹了一體化泵站設(shè)計過程中的參數(shù)取值及計算過程，以為類似工程項目提供一定的工程設(shè)計范例。

2 項目背景

張家港市靜脈科技產(chǎn)業(yè)園項目，配套新建重力流污水管道，將園區(qū)污水收集后排至格林污水處理廠集中處理。格林污水處理廠原為某化工企業(yè)服務(wù)，該企業(yè)廢水經(jīng)企業(yè)內(nèi)部的壓力泵站長距離輸送至格林污水處理廠粗格柵前庭廊道中，然后，經(jīng)各處理構(gòu)筑物進行處理，故該污水處理廠原設(shè)計無污水提升泵站。

現(xiàn)因靜脈產(chǎn)業(yè)園污水需要進入該污水處理廠進行處理，且新建的重力流污水管道在進入污水處理廠處埋深較大，達到6m，污水無法重力流入粗格柵前庭廊道中。另外，污水處理廠周邊及廠內(nèi)空間有限，且項目工期比較緊張，經(jīng)多次比選論證，決定設(shè)置一座3000m3/d的一體化污水提升泵站，將重力流污水提升。

3 泵站設(shè)計

3.1 泵站總體設(shè)計

一體化泵站采用φ3000mm的高強度玻璃鋼筒體。筒體內(nèi)預(yù)裝粉碎格柵、爬梯、維修平臺、液位計、水泵和水泵間隔系統(tǒng)等構(gòu)配件。筒體外部配置柵欄、警示牌、視頻監(jiān)控、智能控制系統(tǒng)等。筒體底部澆筑混凝土底板，并用地腳螺栓將筒體和混凝土底板連接緊固，以保證泵站抗浮穩(wěn)定性。為截斷泵站進水、方便泵站維修，在泵站筒體進水前端設(shè)置閘槽井。為防止泵站機組突然失電，造成開閥停機，引起管路水流壓力傳遞劇烈變化而導(dǎo)致水錘現(xiàn)象發(fā)生，在壓水管道上設(shè)置逆閉消聲止回閥。泵站設(shè)計參數(shù)及工藝系統(tǒng)圖分別如表1和圖1所示。

表1 泵站設(shè)計參數(shù)

圖1 泵站工藝系統(tǒng)圖

3.2 泵站有效容積設(shè)計

體化泵站采用液位控制水泵自動開停，有效容積根據(jù)水泵每小時最大啟停次數(shù)確定，計算公式如下：

式中：VEff為泵站有效容積（m3）；QP為泵站最大一臺泵的泵送流量（m3/h）；Zmax為水泵每小時最大啟停次數(shù)。

水泵采用兩用一備，故Qp=Qs/2=115.2m3/h。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006，2016年版），水泵為自動控制時，每小時啟動水泵不得超過6次，本次設(shè)計Zmax按5次取值，由此計算出泵站有效容積VEff=5.76m3。

校核：最大一臺泵5min出水量：115.2x60x5/360=9.6m3＞VEff，不滿足《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006，2016年版）規(guī)范要求。需調(diào)整集水池有效容積不小于9.6m3，本次設(shè)計有效容積按10m3考慮，由此計算集水池有效水深為1.415m，水池最低水位標高為-4.899m。

3.3 泵站揚程設(shè)計

水泵從筒體內(nèi)的貯水池吸水，揚程按下式計算：

式中：Hss為貯水池最低水位高度與水泵軸線之高差（m）；Hsd為壓水地形高度（m），為泵軸線與輸水最高點(即壓水管出口處)的高差；∑h為污水通過吸水管路和壓水管路中的水頭損失；Hc為安全水頭，本次設(shè)計取1.0m。

（1）沿程水頭損失。

沿程水頭損失按下式計算：

式中，hy為管道沿程水頭損失（m）；i為管道單位長度水頭損失（水力坡降）（m）；l為管段長度（m）；λ為沿程阻力系數(shù)；dj為管道計算內(nèi)徑（m）；v為管道斷面水流平均流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）；Re為雷諾數(shù)；μ為液體的運動黏滯系數(shù)（m2/s）；

張家港地處華東地區(qū)，常年水溫按10℃計，查表得液體的運動黏滯系數(shù)μ=1.3x10-6（m2/s），代入式（3）整理后得到：

式中：Q為計算流量（m3/s）。

泵站吸水部分管道為長度0.8mDN150鋼管，壓水部分管道為長度7mDN150鋼管和40mDN250PE管。經(jīng)計算，沿程水頭損失如表2所示。

由此得出，泵站沿程水頭損失為0.88m。

（2）局部水頭損失。

局部水頭損失按照如下公式計算：

式中：hj為管道局部水頭損失（m）；ζ為管道局部水頭損失阻尼系數(shù)。

經(jīng)計算，泵站局部水頭損失計算結(jié)果如表3所示。

表2 泵站沿程水頭損失計算表

表3 泵站局部水頭損失

由此得出泵站局部水頭損失為2.81m。

代入式（2），得到泵站揚程H=1.6+4.899+0.88+2.81+1.0=10.309m。

很多廠家在計算局部水頭損失時，沒有根據(jù)項目的實際情況具體計算，大多按照沿程水頭損失的5%～10%取值，這種做法值得商榷。一般在長距離輸水（輸水距離大于1000m）時，局部水頭損失可按沿程水頭損失的5%～10%計算，但是對于壓水距離較短的泵站，局部水頭損失仍按沿程水頭損失的5%～10%計算，將導(dǎo)致較大誤差。以本次設(shè)計的一體化污水提升泵站為例，壓水管路長度為40m，比較沿程水頭損失值和局部水頭損失值可知，局部水頭損失是沿程水頭損失的4.84倍。若采用5%～10%計算，局部水頭損失計算值將嚴重偏小，最終選擇的水泵揚程偏低，導(dǎo)致水泵不能在高效區(qū)運行，造成能量浪費。

3.4 泵站基礎(chǔ)設(shè)計及抗浮穩(wěn)定性計算

一體化泵站的抗浮穩(wěn)定性計算，應(yīng)滿足下式要求：

式中，F(xiàn)GK為抗浮力（kN/m2）；FGK為抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)，本項目取1.10；Kf為浮托力標準值（kN/m2）；Ffw,k為地下水的重度（kN/m3）；HW為地下水設(shè)計水位至基礎(chǔ)底面的距離（m）。

泵站抗浮計算示意圖如圖2所示。

地下水位高度為地面以下1.5m，泵站筒體及內(nèi)部設(shè)備自重為26KN，泵站基礎(chǔ)采用C30混凝土混凝土基礎(chǔ)，平面面積為S。則：

經(jīng)計算：泵站基礎(chǔ)面積S≥14m2，整個泵站才不會上浮。本次設(shè)計基礎(chǔ)平面尺寸4.0×4.0m=16.0m2>14.0m2，滿足抗浮穩(wěn)定要求。

4 泵站運行

4.1 潛污泵運行方式

由于園區(qū)對環(huán)保要求較高，初期徑流雨水排至污水處理廠進行處理。故該泵站在旱期僅提升污水，雨期不僅需要提升園區(qū)污水，還要提升一部分徑流雨水。這就對泵站控制系統(tǒng)提出了一定的要求。本次設(shè)計首先在潛污泵的控制上進行調(diào)整：采用3臺泵，旱季2用1備；雨期3臺泵都投入運行，無備用泵。另外，在控制系統(tǒng)上采用直接啟動，所有水泵采用輪換啟動的模式運行。當(dāng)一臺水泵故障時，另一臺水泵會立即投入運行，保證泵站功能正常。

圖2 泵站抗浮計算示意圖

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)

一體化泵站設(shè)計為無人值守泵站，為實時監(jiān)控泵站運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)泵站故障等問題，“云監(jiān)控”模式，本次設(shè)計配套監(jiān)控防盜系統(tǒng)，整個泵站采用DCS（集散式控制系統(tǒng)）控制模式。將泵站現(xiàn)場的無線模塊（GPRS模塊）采集的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶控制中心。通過在監(jiān)控中心的電腦上安裝專用的監(jiān)控管理軟件，實現(xiàn)對泵站各項運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視并對泵站出現(xiàn)故障時，實施向管理人員發(fā)出報警。

5 結(jié)語

張家港靜脈科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)新建一體化污水提升泵站，是在嚴格計算條件下設(shè)計建造的。目前，該泵站已經(jīng)投入運行，經(jīng)建設(shè)方反饋，各項運行指標正常。由此表明，經(jīng)過精心設(shè)計計算的一體化污水提升泵站不僅實現(xiàn)了其功能要求，更實現(xiàn)了項目建設(shè)綜合效益的最大化。