基于再生水利用的泵站優化設計與運行效率提升探討

【摘要】以遵義市播州區為例，探討再生水泵站的優化設計與運行效率提升策略。通過優化泵站結構、合理配置設備、應用變頻調速技術，以及調整管網系統的管徑和輸水路徑，顯著提高了泵站的運行效率，降低了能耗和運營成本。研究結果表明，這些優化措施不僅提升了再生水輸送系統的整體性能，還為再生水資源的可持續利用提供了堅實的技術支持，具有廣泛的應用價值。

【關鍵詞】再生水； 泵站優化； 變頻調速技術； 管網系統

【中圖分類號】TU991.35【文獻標志碼】A

［定稿日期］2024-09-24

［作者簡介］鄧小丹（1992—），女，本科，高級工程師，研究方向泵站優化設計。

0 引言

隨著社會經濟的快速發展和城市化進程的不斷推進，水資源緊缺問題日益突出，尤其是在水資源有限的地區，水資源的合理開發與高效利用顯得尤為重要［1］。再生水，作為一種非常規水資源，因其能有效緩解水資源短缺問題而受到廣泛關注。再生水利用是通過對經過污水處理廠處理后的水進行進一步處理，使其達到特定水質標準，進而在工業生產、市政雜用、居民生活和生態補水等方面加以利用［2］。這一過程不僅能夠有效減少污水排放，降低環境污染，還能大幅提高水資源的利用率，促進城市的可持續發展。

在再生水利用系統中，泵站作為核心的輸配水設備，直接影響著水資源的輸送效率和系統的整體運行效果。泵站的合理設計和高效運行，不僅能夠保障再生水的及時輸送，還能夠在降低能源消耗、減少運行成本方面發揮關鍵作用［3］。然而，目前許多再生水泵站在設計和運行過程中仍存在一些問題，如站址選擇不合理、泵站形式不適應實際需求、運行效率偏低等［4-5］。這些問題不僅影響了再生水利用系統的效率，還增加了運營成本，限制了再生水資源的有效利用。遵義市播州區作為貴州省的一個重要區域，其水資源狀況具有典型的區域特征。隨著城市規模的不斷擴大和工業的發展，水資源需求迅速增加，水資源供需矛盾日益突出。為應對這一挑戰，播州區積極推進再生水的開發與利用，通過構建完善的再生水利用系統，力求緩解水資源短缺問題。在此背景下，對再生水泵站的優化設計與運行效率提升進行研究，具有重要的現實意義和應用價值。

本文以遵義市播州區為例，系統分析再生水泵站的設計理論與技術，針對現有泵站設計中的不足，提出優化設計方案。同時，結合智能控制與調度優化策略，探索提高泵站運行效率的有效途徑。通過對典型案例的分析與驗證，本研究旨在為再生水泵站的優化設計與高效運行提供理論支持和實踐指導，推動再生水資源的合理開發與可持續利用。

1 泵站優化設計方案

1.1 泵站結構優化

1.1.1 泵站形式的優化選擇

泵站形式應根據具體的地形和用水需求進行選擇。對于遵義市播州區的泵站，可以結合地形特點選擇地面泵站、地下泵站或半地下泵站。例如，在地勢較低的區域，選擇地下泵站可以減少占地面積和噪音影響；在空間充裕的區域，可以選擇地面泵站，以便于設備的安裝和維護。

1.1.2 設備配置優化

泵站設備的選擇應以高效節能為原則，選擇效率高、能耗低的水泵設備。同時，結合實際需求，合理配置備用泵和調節裝置，以應對不同負荷下的運行需求。安裝變頻調速裝置，根據實時用水量調整水泵的輸出，避免能源浪費。

1.1.3 儲水池與管道布置

合理布置泵站內的儲水池和管道系統，確保水流順暢，減少水頭損失。儲水池的容積應滿足調節需求，管道布局應盡量減少彎道和分支，降低水流阻力。此外，管道材質應選擇耐腐蝕、耐壓性能良好的材料，以延長使用壽命和保證水質。

1.2 管網系統的優化

輸水管網是連接泵站與用水點的紐帶，其設計直接影響輸水效率和系統的穩定性。優化管網系統可以有效減少水頭損失和漏損，確保再生水的高效輸送。根據再生水的特性和輸水需求，選擇合適的管道材質和規格。管道材質應具備良好的耐腐蝕性和抗壓性，以應對再生水中可能存在的化學成分和輸水壓力。管道規格應根據輸水量進行合理選擇，避免因管道過細導致的水頭損失或因管道過粗導致的投資浪費。輸水路徑應盡量選擇直線布置，避免不必要的彎曲和繞行，以減少摩擦阻力。同時，在地形起伏較大的區域，可以利用地勢高差合理設計管道坡度，實現自流輸水，降低泵站的加壓需求。

2 泵站運行效率提升策略

2.1 泵站運行模式分析

提升泵站的運行效率是確保再生水輸送系統穩定高效運行的關鍵。首先，泵站的運行模式直接影響其能源消耗和輸水效率。通過分析不同工況下的運行模式，優化泵站的工作狀態，可以顯著降低能耗。例如，在用水需求波動較大的情況下，可以采用分時段調度的運行模式，避免泵站在低負荷時的頻繁啟動和停機，從而減少不必要的能源浪費。

2.2 智能控制與調度優化

泵站的智能控制和調度優化是提升運行效率的重要手段。現代智能控制系統可以實時監測泵站的運行狀態，并通過自動調節水泵的輸出功率，確保泵站始終處于最佳運行狀態。結合變頻調速技術，泵站可以根據實際需求動態調整運行參數，進一步降低能耗，提高運行效率。同時，通過對泵站運行數據的分析和反饋，智能系統能夠預測未來的用水需求，并提前調整泵站的運行策略，避免突發情況下的能源浪費和運行風險。

2.3 運行效率優化方案

通過使用高效節能的水泵設備，結合科學的調度策略，可以大幅度提升泵站的整體運行效率。具體來說，在泵站的設計和運行中，應該重點關注設備的匹配性和協調性，確保各設備在不同運行工況下能夠發揮最大的效能。此外，定期的設備維護和運行數據分析也是提升泵站效率的重要措施。通過對運行數據的定期監測和分析，可以及時發現并解決潛在的運行問題，確保泵站始終處于高效運行狀態。

3 遵義市播州區優化案例分析

3.1 工程背景

龍坑污水處理廠是遵義市播州區再生水利用項目的核心組成部分，主要負責將處理后的污水進一步凈化，供給城市雜用水和生態補水等用途。該處理廠日處理規模為30 000 m3，服務范圍覆蓋播州區城區的北部和南部的部分區域。龍坑污水處理廠再生水主要用于播雅濕地公園的綠地灌溉和公廁沖洗，以及湘源注水點的補水需求。然而，原有的泵站設計存在一些問題，包括站址選擇不合理、能效較低、設備維護困難等，導致再生水輸送效率較低，運行成本較高。

3.2 現有泵站設計問題分析

遵義市播州區的再生水泵站設計結合了區域內水資源的特點和用水需求，采用了多種形式的泵站配置，以適應不同區域的再生水輸送任務。然而，在現有的泵站設計中仍存在一些不足之處，例如站址選擇不夠優化，導致部分泵站能耗較高，運行效率較低；某些泵站的設計形式與區域地形不完全匹配，造成了不必要的水頭損失和輸水管道的冗長。這些問題在一定程度上限制了再生水利用系統的整體效率，增加了運營成本。以某泵站為例，該泵站配備了3臺單機離心泵，依據GB/T 30948-2021《泵站技術管理章程》計算，該泵站各離心泵耗電量如表1所示。

由表1可知，在離心泵運行過程中由于設備老化實際效率較低，均低于80%。經過計算，3臺離心泵的實際年耗電量約為4 694.0萬 kW·h。并且隨著年限的增加，實際耗電量會逐漸增加。因此，需要從泵站設備優化以及管網系統優化等角度，對該泵站進行升級改造。

3.3 泵站結構優化

3.3.1 選址及高效能泵的選用

針對龍坑污水處理廠泵站存在的問題，進行了系統的優化設計。首先，泵站的站址進行了調整，靠近濕地公園和主要用水點，減少了輸水距離和水頭損失。此外，泵站形式由原先的地面泵站改為地下泵站，這不僅減少了占地面積，還降低了對周圍環境的噪音影響。設備方面，泵站引入了高效節能的水泵設備。根據我國相關規范，潛水電泵能效限定值及能效標準中所述，對于額定功率是1 200 kW的離心泵，其效率應不小于80%。本次泵站優化，為實現更高的節能需求，選擇泵的效率達到85%以上。按此標準計算得出的年耗電量為4 402萬 kW·h，實現總節能約為292萬 kW·h。

3.3.2 變頻調速技術的應用

變頻調速技術在泵站優化運行中起到了關鍵作用。該技術通過改變電機的轉速來調節水泵的運行狀態，從而實現流量和揚程的精確控制。與傳統的固定速運行相比，變頻調速技術能夠根據實際的用水需求動態調整泵站的輸出功率，大幅降低了能耗，提升了泵站的整體運行效率。在遵義市播州區泵站的優化過程中，變頻調速技術的應用尤為顯著。泵站安裝了高效的變頻器和調速電機，使得水泵可以在不同負荷下保持最佳的工作狀態。例如，在用水需求較低的時段，變頻器會自動降低水泵的轉速，減少能量的浪費；而在用水高峰期，系統則會提高水泵的轉速，確保供水的穩定性。通過安裝變頻調速器，得到泵站節能效果如表2所示。數據表明通過應用變頻調速技術，泵站的能耗得到了顯著降低。1#離心泵在變頻調速后的功率從1 200 kW降低至1 056 kW，每年節約了295.2萬kW·h的電能；2#離心泵分別在1 020 kW和960 kW的功率下節約了324.0萬kW·h和432.0萬kW·h的電能。變頻調速技術通過動態調整泵站的運行功率，使得泵站能夠更高效地響應實際的用水需求，避免了不必要的能量浪費。

3.4 管網系統的優化設計

遵義市播州區的再生水泵站優化設計中，管網系統的優化主要包括管道材質于規格的優化以及輸水路徑的優化。

管道材質的選擇應考慮耐腐蝕性、抗壓性和使用壽命等因素。再生水中可能含有一定的化學物質，因此管道材質應具備良好的耐腐蝕性。因此選擇采用聚氯乙烯（PVC）或高密度聚乙烯（HDPE）等材料，這些材料不僅具有優異的耐腐蝕性能，還能在高壓下保持穩定性；輸水路徑的設計應盡量減少彎道和分支，以降低水流阻力和水頭損失。在實際應用中，采用直線布局是最優選擇，這可以最大限度地減少管道的摩擦阻力，從而提高輸水效率。在地形復雜的區域，可以利用地勢高差，通過自然重力實現部分輸水，減少泵站的加壓需求。此外，應合理規劃管道的走向，避開建筑物和其他地下設施，確保管網的長期穩定運行。管網系統的優化設計如表3所示。

表3中的4個管段（A段、B段、C段、D段）在優化后，管徑均發生了變化。通過優化，管段A和管段B的管徑從1.2 m和1.0 m分別縮小至1.0 m和1.1 m，而管段C和管段D的管徑則分別增大至1.5 m。這種調整表明，通過合理調整管徑，可以更好地適應水流的需求，減少摩擦損失，提高輸水效率。

綜合來看，通過對管網系統的管徑優化和摩擦損失控制，顯著提高了管網系統的輸水效率，減少了泵站的能耗。管段C的優化效果最為顯著，說明在實際應用中，適當增大管徑可以顯著降低摩擦損失，提高節能效果。此外，表格中的數據表明，即使是微小的管徑調整和摩擦損失的降低，也能帶來可觀的節能效益，為管網系統的優化設計提供了有力的支持。

4 結束語

本研究以遵義市播州區為例，深入探討了再生水泵站的優化設計與運行效率提升策略。通過對泵站結構、管網系統以及運行模式的綜合優化，顯著提升了再生水泵站的整體運行效率，降低了能耗，并為再生水資源的有效利用提供了堅實保障。首先，在泵站結構優化方面，合理的站址選擇、高效能泵的引入以及變頻調速技術的應用，有效減少了水頭損失和能源消耗，實現了泵站運行的節能增效。其次，通過優化管網系統的管徑和輸水路徑，進一步提高了輸水效率，顯著降低了摩擦損失，尤其是管段C的優化效果尤為突出。

綜合來看，泵站和管網系統的優化設計不僅能有效提高再生水的輸送效率，還能顯著降低運營成本，為實現水資源的可持續利用奠定了基礎。此類優化策略在其他地區的再生水利用系統中同樣具有推廣應用的潛力。未來的研究可以進一步結合智能控制技術和大數據分析，持續提升泵站系統的運行效率，為城市水資源管理提供更為高效和智能化的解決方案。

參考文獻

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［4］ 徐靜蓉. 城市再生水利用輸水形式分析研究［J］. 水利水電技術， 2015， 46（10）： 105-110.

［5］ 陳銀川. 產城融合背景下城市新區污水再生利用規劃研究［J］. 江西建材， 2022（5）： 274-275+278.