雨水泵站最优水泵扬程设计探讨

雨水泵站最优水泵扬程设计探讨

邓特刚

天津城建设计院有限公司天津300012

摘要：雨水泵站在市政设施中为保障人民生命财产安全起到至关重要的作用。近年来暴雨频发，排水标准也逐年提高，城市排水安全受到各级政府重视。合理设计水泵扬程是雨水泵站设计和运行管理的关键一环。本文从水泵特性和不同运行工况进行分析，提出符合实际运行工况并兼顾排水安全的水泵扬程，保证泵站投资合理、水泵运行高效可靠。

关键词：雨水泵站；降雨事件；运行管理；工况；水泵扬程

1、雨水泵站设计与运营现状

近年来，全国各地暴雨频发，考验每个城市的排水设施水平。而雨水泵站的功效发挥首当其冲。对于平原地区以及地形坡度较小的区域，为排除地面雨水，通常在排入受纳水体的末端设置雨水提升泵站，以保证雨水顺畅的排放。随着恶劣天气频发，为保证人民生命财产安全，雨水排放工程，也即熟知的防洪排涝越来越受到重视，并且雨水泵站的规模越来越大，主要因为设计重现期逐步提高【1】、暴雨强度的修正以及雨水管道计算公式的变化。

因为泵站规模的增大，导致投资增加，能耗相应增加。对于水泵的合理选择，尤其是水泵设计扬程的确定直接关系到泵站运行的经济性。而现实情况是由于水泵扬程的确定过高或过低与实际运行管理的偏差导致了水泵效率的低下与能源不必要浪费，甚至在关键时刻雨水难以外排而致使地面积水。

2、雨水泵站水泵选择与水泵特性

根据收水服务范围大小不同，雨水泵站一般规模介于5～30m3/s，水泵台数一般为3～10台。为控制投资和降低施工难度，一般雨水管道埋深介于4～8m，受纳水体一般为附近河道、湖泊等，水泵扬程则基本在4～10m之间。所以雨水泵站的水泵基本属于大流量低扬程系列，通常选用轴流泵或者混流泵【2】，形式则分为立式泵与潜水泵。混流泵介于离心泵和轴流泵之间，其比转速ns=300~500左右，轴流泵比转速ns=500~1200左右。通常，比转速ns越大，Q-H曲线越陡降，效率曲线高效点的左右部分下降得越急剧【3】。因此，依据泵站特点，合理的选择扬程对于水泵效率影响非常关键。

3、水泵扬程设计案例探讨

以某典型雨水泵站水泵选择为例。工艺设计参数如下：

图1泵站工艺设计图

1）泵站设计流量为18.5m3/s，综合考虑潜水轴流泵特点、用地和管理因素，采用8台水泵，单泵流量2.31m3/s。

2）2-3000mm×2600mm进水方涵，管涵底高程：-3.880m。

3）集水池有关水位：腾空水位-3.960m，低水位-3.640m，正常高水位-1.360m。

4）雨水泵站出水排入受纳水体：河道汛期正常高水位3.500m，汛期最高水位4.370m，常水位2.000m。

5）水泵扬程的确定：从理论分析存在多种运行工况，如表1。

表1不同运行工况水泵扬程

从分析可知：水泵静扬程H1存在至少7种不同工况数据，水泵扬程介于6.20～8.84m之间。

根据水泵性能曲线，可选择水泵对应0和+2度叶片安装角度，配用电机功率则对应250KW和280KW。不同的扬程将导致泵站变压器容量设计的不同，并因此造成初期投资不同与日常运行时变压器能耗的不同。因此，应从实际运行中经常性的运行工况来分析，以满足最大概率的运行工况来确定水泵扬程，从而提升设计的经济合理性。

泵站运行为满足排水的安全性，尽量避免在最高水位运行（在出现超标准降雨时会发生）；在低水位运行的情况也可以适当控制，因为泵站有足够余量保证排水安全，低水位通常在一场降雨最后阶段较常见。随着降雨事件的进行，集水池水位逐渐上升，控制到集水池设计平均水位，即最低水位与高水位之间的平均水位，受纳水体水位也接近汛期正常水位，此种工况雨水量基本达到泵站设计标准，静扬程基本受控，而且尚有部分安全排水余量，将此作为大概率运行工况来设计水泵扬程，即为7.70m。该扬程基本介于上述7种工况的中间扬程，从水泵性能曲线来看，选用0度安装角，对应配用电机功率250KW，该点效率大于80%，并且可覆盖其他扬程需求，而出水量介于2.1~2.4m3/s，可满足泵站排水需求。

从上述水泵扬程分析，如果选用其他工况，如工况一的8.84m扬程，则采用+2度安装角，水泵电机功率280KW，会导致经常性偏离水泵高效区且变压器未得到充分利用，不利于节能和水泵的稳定长期运行；如选用工况二6.20m，则容易经常性出现扬程偏低，需要水泵偏离最佳工况点运行。

图2水泵性能曲线

综上分析，为接近最常用工况，保证水泵节能高效运行，同时覆盖其他工况的需要，最终选用水泵性能如表2。

表2选用水泵性能表

4、结论与建议

水泵扬程的设计应从进出水水位资料和运行工况进行分析，要有可靠的雨水进水管道数据从而合理确定泵站集水池各项水位参数，还要结合相关管理部门，充分了解历年受纳水体水位数据，包括常水位、汛期水位情况。在此基础上认真考虑泵站运行工况，尤其对于大型泵站，集水池各水位相关较大，不同河道其水文条件也千差万别，只有依据相关数据和实际运行工况来确定水泵扬程才能做到泵站设计、运行的经济合理和节能高效。

参考文献

[1]上海市政工程设计研究总院，等.室外排水设计规范:GB50014-2006[S].2016年版，北京：中国计划出版社，2016.

[2]徐跃飞，浅谈市政雨水泵站设计过程中应注意的问题[J]，四川建筑，2019，39（1）:192-193.

[6]姜乃昌.水泵及水泵站[M].第四版，北京：中国建筑工业出版社，1998.