城市排水系統節能優化控制研究

宋濤 中國市政工程中南設計研究總院有限公司

1 城市排水系統流量及節能控制單元

城市排水系統是排出降雨徑流、生活污水、工業廢水等，預防水體污染，促進水資源高效循環的重要基礎設施。城市排水系統一般由由排水管網、蓄水池、輸送管泵、污水處理廠等組成。鑒于篇幅限制，本文基于現行的流量計算方法，來探討排放管網和污水泵站的節能優化。

1.1 污水流量計算

城市污水流量在排水系統中是不斷增加的，至排水終點（污水處理廠）流量達到峰值。因此，在排水系統中應逐段確定管道流量。污水排放量與城市人口、經濟水平、排水體制、污水管網設計參數等因素密切相關，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、工業廢水等在同一時間內都達到峰值，但這種情況發生的概率較低，故將Q作為確定污水泵站型號或污水處理廠規模時的設計依據顯然是不經濟的。

式中Q1—居住區生活污水流量，L/s；Q2—工業企業生活污水及淋浴污水流量，L/s；Q1—工業廢水流量，L/s。

1.2 降雨徑流計算

根據《室外排水設計標準》（GB50014-2021），暴雨條件下的城市排水系統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，具體取值參考表1；F—匯水面積，ha；q—設計暴雨強度，L/s，與降雨歷時、降雨重現期等因素。

表1 徑流系數取值

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，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

水泵是一種能量轉換機械，可將電能轉化為液體動能和勢能，以實現排水系統輸送或儲存液體的目標。水泵類型應結合污水性質選擇，如酸性或腐蝕性較強的工業廢水，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，為了達到節能效果，水泵可采用大、小泵搭配的方案，以適應排水系統內污水流量的變化。

1.3.3 污水處理廠

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

2 基于分散控制的排水管網節能優化模型

城市排水系統是多變量耦合的復雜系統，每個區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，在保證管網不出現溢流條件下，建立城市排水系統局部水泵節能優化模型。這樣可提高排水系統節能優化的效率，降低求解復雜度。

2.1 工程概況

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

圖1 城市排水泵站布置

2.2 排水管網節能優化模型

2.2.1 非綜合調度泵站節能優化模型

非綜合調度泵站的控制目標是使單個泵站能量消耗達到最低值，且單根管道的水位盡量接近期望水位高度。如,泵站S1和S2是非綜合調度泵站，對其采用分散控制，只需要考慮節點處水泵自身的工作情況，不必考慮該節點與其它節點水泵的相互影響。非綜合調度泵站的節能優化模型可用式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時刻的降雨在節點處產生的流量；qup、i(t)—上游管道匯進該管道的流量；qu、i(t)—節點處水泵的控制出水量。

2.2.2 區域綜合調度泵站節能優化模型

對于有分支的綜合調度泵站，為了更加精確地預測各分支上的泵站在將來某一時刻t流量，可將調度泵站與分支泵站構建成區域子系統（如S3和S7、S9節點為一個子系統），將子系統視為一個整體，統一進行節能控制，其節能控制目標是在子系統內所有節點不溢流的前提下，子系統的總耗能最低。區域綜合調度泵站的節能優化模型可用式⑸表示。

式中vm(t)—第i在區域子系統在t時刻的儲水量；vi(t+1)—第i在區域子系統在t+1時刻的儲水量；qex、m(t)—t時刻的降雨區域子系統處產生的流量；qup、m(t)—上游管道匯進區域子系統的流量；qu、i(t)—區域子系統控制出水量。

2.3 排水管網節能優化結果

利用上述排水管網節能優化模型（分散優化）和傳統集中優化模型分別計算了排水系統在180s內的能量消耗。由計算結果可知，排水系統在傳統集中優化模型下，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左右能耗達到峰值，總能耗為1.58kWh；分散優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。相對于傳統優化模型，分散優化模型節能效果提升了9.5%，且整個排水系統的耗能更加穩定。

3 城市排水系統中的泵站能耗控制措施

目前，城市排水系統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，排水系統中的水泵經過長時間運行，其工況可能嚴重偏離設計工況。因此，本文基于泵站的實際運行工況對其能耗進行分析，并提出相應的節能措施，確保泵站處于良好的運行狀態，達到節能目標。

3.1 排水系統泵站運行工況

水泵在選型時通常是基于最嚴重工況，再乘以一個安全系數，使得水泵功率、揚程大大增加，造成一定的能源浪費。但在實際排水系統中，由于泵站流量的不確定性，泵站的工作狀態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

當泵站處于Q流入＞Q泵出工況下，會使泵站進水口污水井水位升高，水泵的排流量增大。然而，水泵在某一轉速下調節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生滯流，形成附加水柱△H（相當于增加了污水泵揚程），增加能力消耗，十分不利于泵站系統的整體穩定。

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，進水口出現回流和漩渦，隨后水泵進入“馬鞍型QH特性曲線”。如果流入泵站流量過小，達到臨界淹沒水位，應立即停機。需注意，啟停機次數不得大于水泵所允許的次數，否則可能損壞水泵。

3.1.3 流入泵站流量=泵出流量

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

3.2 排水系統泵站節能措施

3.2.1 變頻調速技術

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。由于排水系統中的流量是動態變化的，水泵固定高效率區運行難度大。使機泵在高效區運行，比較困難。基于上述工作特性，污水泵站可利用變頻調速技術來節約電能消耗。變頻調速控制系統一般是由變頻器、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，水泵自動調慢轉速，從而降低污水泵出流量。假設Q流入減少了10%，水泵轉速下降使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

相關研究表明，污水泵站的耗能跟揚程大小有關。一般揚程越大，泵機提升等量污水所做的功越多，消耗的能量也越大，因此在排水系統中應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，泵站正常工作狀態下（Q流入=Q泵出），水泵揚程H=HAB+HBC+HCD，單位時間內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當污水流入量較小時，可適當降低圍堰閘的高度來減少無效揚程所消耗的電能。假設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 結語

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