案例分析：特大型污水泵站設(shè)計要點(diǎn)

特大型污水泵站的設(shè)計對于泵站的正常運(yùn)行至關(guān)重要。結(jié)合上海某污水處理廠新建粗格柵及進(jìn)水泵站項目，在泵站整體水力模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從泵站的總體布置、運(yùn)行水位的確定、水泵揚(yáng)程的計算、格柵井的整流措施、水泵配水管的布置、防水錘設(shè)計以及運(yùn)行維護(hù)等方面，對特大型污水泵站在設(shè)計中應(yīng)注意的內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)歸納，并提出了優(yōu)化建議。

1 項目概況

上海某污水處理廠升級改造及擴(kuò)建工程新建1座粗格柵及進(jìn)水泵站（以下簡稱“進(jìn)水泵站”），泵站規(guī)模按與南線規(guī)模43.71m3/s（280萬m3/d）一次建設(shè)，設(shè)備按本階段32 m3/s配置。在《上海市控制性詳細(xì)規(guī)劃技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（2016年修訂版》中，供水規(guī)模50萬~100萬m3/d的凈水廠定義為特大規(guī)模，則類比污水規(guī)模大于50萬m3/d的處理設(shè)施也可定義為特大規(guī)模，本項目進(jìn)水泵站屬于特大型污水泵站。

進(jìn)水泵站包括格柵井、泵房、泵后匯水池、控制室、值班室和配電間等。南線2根DN4 000鋼筋混凝土管通過頂管方式進(jìn)入格柵井，格柵井內(nèi)前池通過中隔墻分隔成兩倉，中隔墻上安裝了4 000×3 000mm手電兩用鑄鐵閘門互為連通和切換，可半倉獨(dú)立運(yùn)行。格柵井內(nèi)共設(shè)置了8臺抓斗式粗格柵，粗格柵前后均設(shè)置有閘門和疊梁門，分別用于檢修粗格柵和檢修閘門。

經(jīng)過格柵井的污水通過4根DN3 500的出水管進(jìn)入泵房。泵房間為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為59.2m，埋深近20.1m。在直徑方向共設(shè)置了8個泵位，近期安裝6臺，遠(yuǎn)期再安裝2臺。根據(jù)污水量及揚(yáng)程的特點(diǎn)，進(jìn)水泵采用了立式蝸殼式混流污水泵。單臺流量為Q=6.36~7.29 m3/s，H=8.6~14.3 m，N=1 250 kW，近期雨季時5用1備，旱季時4用2備，其中2臺變頻。

進(jìn)水泵站自2014年建成通水至今已有7年多時間，運(yùn)行一切正常，在設(shè)計過程中的一些經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)。

2 泵站的總體設(shè)計

2.1 總平面布置

泵房形式通常有圓形以及矩形兩種，小型泵房常用圓形，大型泵站綜合考慮水力條件、占地、設(shè)備布置以及投資等因素常用矩形。但根據(jù)泵房深度及施工條件也有采用圓形，如SB泵站、彭越浦泵站等。

為降低工程投資，經(jīng)綜合比選后確定采用格柵井與進(jìn)水泵房分開，中間用管道連接的方式。從管道上分設(shè)進(jìn)水流道，直接與泵吸入口相連。由于沒有大體積前池，長距離輸送過程中積聚的砂礫不易沉積，且粗格柵井與泵房間可分別采用沉井及地下連續(xù)墻開挖施工。粗格柵井與泵房間連接管道采用直徑DN 3 500的頂管，粗格柵井兼做頂管接受井，泵房作為頂管工作井。泵站總平面見圖1。

2.2 泵站的運(yùn)行水位

進(jìn)水泵站的運(yùn)行水位受上游來水情況波動較大。通過近、遠(yuǎn)期污水量預(yù)測及南線的水頭損失計算，在不同流量時，格柵井前池的液位統(tǒng)計如下：

遠(yuǎn)期旱季平均流量時：1.15 m（絕對標(biāo)高，下同）；遠(yuǎn)期旱季高峰流量時：-0.67 m；遠(yuǎn)期雨季流量時：-2.46 m。

從水泵節(jié)能、高效運(yùn)行的角度出發(fā)，泵站的日常運(yùn)行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運(yùn)行液位也按1.15 m設(shè)計。

考慮到特殊情況下泵站需要在超低水位非常態(tài)運(yùn)行，因此通過水力模型試驗(yàn)，對泵站的極限最低水位進(jìn)行了預(yù)測。試驗(yàn)中觀測到當(dāng)水位降低至-5.00 m時，開始出現(xiàn)明顯的陣發(fā)性凹渦，漩渦產(chǎn)生和破滅的頻率較快。當(dāng)水位進(jìn)一步降低時，陣發(fā)性凹渦增強(qiáng)、加深。當(dāng)水位降至-5.40 m時，進(jìn)水口前產(chǎn)生強(qiáng)度較大的漩渦，間隔時間很短，有明顯的漂浮物吸入，進(jìn)口流態(tài)惡化。考慮到水力模型試驗(yàn)無法完全反應(yīng)水泵的運(yùn)行情況，建議在實(shí)際運(yùn)行中盡量避免在最低運(yùn)行水位（-4.40 m）以下運(yùn)行。

2.3 水泵揚(yáng)程的確定

《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統(tǒng)設(shè)施的設(shè)計流量規(guī)定。其中，分流制污水管道應(yīng)按旱季設(shè)計流量確定，并在雨季設(shè)計流量下校核。污水泵站的設(shè)計流量，應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的旱季設(shè)計流量確定；污水泵站的總裝機(jī)流量應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的雨季設(shè)計流量確定。本項目在設(shè)計時，按近期、遠(yuǎn)期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚(yáng)程進(jìn)行了測算，計算結(jié)果詳見表1。

2.2 泵站的運(yùn)行水位

進(jìn)水泵站的運(yùn)行水位受上游來水情況波動較大。通過近、遠(yuǎn)期污水量預(yù)測及南線的水頭損失計算，在不同流量時，格柵井前池的液位統(tǒng)計如下：

遠(yuǎn)期旱季平均流量時：1.15 m（絕對標(biāo)高，下同）；遠(yuǎn)期旱季高峰流量時：-0.67 m；遠(yuǎn)期雨季流量時：-2.46 m。

從水泵節(jié)能、高效運(yùn)行的角度出發(fā)，泵站的日常運(yùn)行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運(yùn)行液位也按1.15 m設(shè)計。

考慮到特殊情況下泵站需要在超低水位非常態(tài)運(yùn)行，因此通過水力模型試驗(yàn)，對泵站的極限最低水位進(jìn)行了預(yù)測。試驗(yàn)中觀測到當(dāng)水位降低至-5.00 m時，開始出現(xiàn)明顯的陣發(fā)性凹渦，漩渦產(chǎn)生和破滅的頻率較快。當(dāng)水位進(jìn)一步降低時，陣發(fā)性凹渦增強(qiáng)、加深。當(dāng)水位降至-5.40 m時，進(jìn)水口前產(chǎn)生強(qiáng)度較大的漩渦，間隔時間很短，有明顯的漂浮物吸入，進(jìn)口流態(tài)惡化?？紤]到水力模型試驗(yàn)無法完全反應(yīng)水泵的運(yùn)行情況，建議在實(shí)際運(yùn)行中盡量避免在最低運(yùn)行水位（-4.40 m）以下運(yùn)行。

2.3 水泵揚(yáng)程的確定

《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統(tǒng)設(shè)施的設(shè)計流量規(guī)定。其中，分流制污水管道應(yīng)按旱季設(shè)計流量確定，并在雨季設(shè)計流量下校核。污水泵站的設(shè)計流量，應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的旱季設(shè)計流量確定；污水泵站的總裝機(jī)流量應(yīng)按泵站進(jìn)水總管的雨季設(shè)計流量確定。本項目在設(shè)計時，按近期、遠(yuǎn)期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚(yáng)程進(jìn)行了測算，計算結(jié)果詳見表1。

根據(jù)污水泵揚(yáng)程計算結(jié)果，確定污水泵的單泵流量Q=6.36~7.29 m3/s，揚(yáng)程H=8.6~14.3 m。污水泵的總體效率要求≥80%，在經(jīng)常運(yùn)行工況，即污水泵流量Q=6.36 m3/s，揚(yáng)程H=8.60 m時，要求水泵達(dá)到最高效率≥88%。泵轉(zhuǎn)速≤250 r/min，變頻泵流量調(diào)節(jié)范圍100%~60%。

3 格柵井的設(shè)計優(yōu)化

3.1 前端進(jìn)水整流措施

為保證水流流向泵站機(jī)組的過程中能夠平順擴(kuò)散，為泵站機(jī)組提供良好的流態(tài)，泵站進(jìn)水一般采用正向進(jìn)水，當(dāng)泵站進(jìn)水為側(cè)向進(jìn)水或者斜向進(jìn)水需要采取工程措施。由于泵站為典型的斜向進(jìn)流，且主流集中于格柵井的底部，格柵井的前部易產(chǎn)生平面回流、立面翻滾等不良流態(tài)，使經(jīng)過各格柵的流量明顯不均，從而對進(jìn)水管的進(jìn)流產(chǎn)生不良影響。因此，結(jié)合水力模型試驗(yàn)結(jié)果，對格柵井進(jìn)水端進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

在格柵井前段設(shè)置八字形導(dǎo)流墩，長度分別為9.88 m、9.68 m，導(dǎo)流墩與格柵井中心線的夾角分別為13.4°和6.5°，墩高均為8 m。在導(dǎo)流墩方向設(shè)置傾角為60°的壓水板，壓水板底緣高程為-8.70 m，上緣與導(dǎo)流墩同高，兩側(cè)與格柵井側(cè)壁相接，將格柵孔前底坡放緩為1∶2，見圖2。

泵站前池內(nèi)設(shè)置壓水板能夠顯著改善直邊正向前池和曲邊正向前池水流的主流效應(yīng)，提高前池底部水流流速，增強(qiáng)水流平面擴(kuò)散，在減少前池泥沙淤積的同時保證了水泵有利的進(jìn)水條件。水力模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在雨季、旱季平均、旱季高峰以及檢修等工況下，從中隔墻往兩端4個格柵孔（圖2中①~④的流量分配比例分別為24.5%~27.3%、23.9%~24.9%、23.6%~26.0%和23.8%~26.9%。優(yōu)化后的布置方案能有效改善格柵井的水流流態(tài)，均化各柵孔過流水量，同時能有效增加和均化格柵井前部的底部流速，防止泥沙的淤積。

3.2 后端增加縱、橫向消渦梁

格柵井的后部離配水管進(jìn)口距離較短，底坡較陡，不利于水流擴(kuò)散，且受過格柵水流分布不均、配水管流量差異等因素的共同影響，格柵井后部存在著平面回流及立面翻滾等不良流態(tài)，在某些工況甚至?xí)a(chǎn)生間歇性吸氣漩渦，對水泵運(yùn)行產(chǎn)生危害。因此，結(jié)合整體水力模型試驗(yàn)，對格柵井后端設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。

在配水管進(jìn)口前分別設(shè)置縱、橫向消渦梁，其中縱向消渦梁設(shè)置于配水管進(jìn)口之間，一端接格柵井后壁，另一端與格柵井中隔墩相連，縱向消渦梁分上下3層，最下緣高程為-6.10 m，最上緣高程為-2.30 m，梁高為1.0 m，梁間隔均為0.4 m。橫向消渦梁水平布置，兩端分別與格柵井側(cè)墻相連，梁底緣與最下方的縱向消渦梁底緣同高，采用半橢圓截面，梁寬均為0.6 m，梁與格柵井后壁、梁與梁的間隔均為0.35 m，見圖3。

經(jīng)過前端進(jìn)水整流、后端設(shè)置消渦梁等措施，格柵井內(nèi)的水力流態(tài)和水泵的進(jìn)水條件較原方案有較大改善，但格柵井內(nèi)的水頭損失有所增加，經(jīng)水力模型試驗(yàn)，水頭損失增加約0.08~0.011 5 m，仍處于可接受的范圍內(nèi)。

3.3 溢流及放空設(shè)計

在格柵井前端設(shè)置了溢流槽，當(dāng)機(jī)組因事故突然失電時，污水可通過溢流渠接至廠區(qū)超越箱涵，從而避免溢流事故的發(fā)生。溢流渠的堰上水頭按泵房最大流量43.71 m3/s設(shè)計，堰上水頭約1.0 m，格柵井頂板設(shè)計標(biāo)高大于堰上水頭。經(jīng)試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，溢流槽的溢流能力可以滿足事故工況的運(yùn)行要求。

考慮到格柵井檢修的需要，在進(jìn)水端導(dǎo)流墻內(nèi)安裝了2臺放空泵（潛水混流泵）。當(dāng)格柵檢修時，先關(guān)閉格柵后端的閘門，然后通過放空泵降低格柵井內(nèi)的水位（-8.0 m以下），隨后關(guān)閉需要檢修格柵的前端閘門，對單組格柵進(jìn)行檢修作業(yè)。當(dāng)閘門檢修時，利用閘門前后端的疊梁閘，配合放空泵降低水位，對閘門進(jìn)行檢修。當(dāng)格柵井需要放空清淤或其他檢修作業(yè)時，則先關(guān)閉格柵后端的閘門，利用放空泵盡可能的降低格柵井內(nèi)的水位。

4 泵房的設(shè)計優(yōu)化

4.1 配水管的可行性驗(yàn)證

為節(jié)約工期、降低工程投資，本工程采用格柵井與進(jìn)水泵房分開，中間用管道連接的建設(shè)形式。目前對泵站流態(tài)的研究主要側(cè)重進(jìn)水池體形及相關(guān)整流措施的研究，所選取的工況一般為全部機(jī)組同時運(yùn)行時的水流流態(tài)。因此，在設(shè)計中，對配水管進(jìn)口及分岔口等處水流流態(tài)、不同開機(jī)組合條件下壓力和水頭損失等進(jìn)行了模型試驗(yàn)。

水力模型試驗(yàn)表明，各水泵進(jìn)水管首段與岔管連接處的轉(zhuǎn)角雖然有一定的差別，但流態(tài)基本相同。格柵井水位變化只引起進(jìn)水管的壓力值的升降，對其變化規(guī)律的影響很小。工程中采用立式蝸殼式混流污水泵，水泵進(jìn)水管與水泵進(jìn)口通過90°彎管連接，通過試驗(yàn)觀測，各工況錐管進(jìn)出口斷面邊壁時均動水壓強(qiáng)分布均勻，水泵進(jìn)水管設(shè)計合理。

考慮到部分泵變頻運(yùn)行，流量可能較設(shè)計值有一定改變，因此對兩種極端組合進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。一種是一條配水管上兩岔管對應(yīng)的水泵流量相等（均為設(shè)計值），另一種則是一條配水管上兩岔管對應(yīng)的水泵一臺為設(shè)計值，而另一臺為0。試驗(yàn)中觀測到，配水管進(jìn)口流態(tài)良好，配水管水流平順，至岔管段，水流能平順向兩側(cè)擴(kuò)散流向兩支管，未見局部脫流等不良流態(tài)。兩支管末段水流均勻。沿程動水壓力分布規(guī)律與各泵同流量運(yùn)行工況相近。僅局部壓強(qiáng)升降幅度略有變化。水泵進(jìn)水管流態(tài)與設(shè)計運(yùn)行工況相近。

試驗(yàn)結(jié)果表明，同一條配水管對應(yīng)兩臺水泵，其中一臺水泵流量有一定改變時，對配水管道和水泵進(jìn)水流態(tài)無明顯影響。

4.2 防水錘設(shè)計及措施

4.2.1 水錘力的計算

壓力波的計算公式見式（1）：

根據(jù)上述公式計算，本項目水錘壓力波為Vw=961.5 m/s，介質(zhì)流速v=2.32 m/s，則ΔP=22.31 bar，發(fā)生水錘時止回閥承受的壓力為P+ΔP=3.02 MPa。如無防水錘措施，則會對水泵的葉輪及結(jié)構(gòu)造成極大的破壞性。

4.2.2 防水錘設(shè)備的選用

本工程選用帶液壓緩沖裝置的偏心斜置微阻緩閉止回閥來替代傳統(tǒng)的止回閥，當(dāng)水流發(fā)生逆流時，閥瓣可迅速響應(yīng)，防止水錘發(fā)生。閥板具有紡錘體型的設(shè)計，開啟時閥板迎水面流線型能防止掛積垃圾。軸封處密封可靠，閥瓣與軸采用鉸鏈?zhǔn)降倪B接，配自潤滑軸承，啟閉壓差小于2 m。閥瓣在啟閉過程中只有軸承的摩擦，軸封采用靜態(tài)密封。

本工程選用電動速閉閘門來替代普通的電動閘門，在發(fā)生緊急情況時，可在180s內(nèi)迅速將閘門關(guān)閉，切斷水流。

4.2.3 管道支架、支墩設(shè)計

在分析計算水泵進(jìn)、出水管道受力條件的基礎(chǔ)上，對管道的支架、支墩進(jìn)行特殊設(shè)計，以確保水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。在發(fā)生事故情況下，可通過支架、支墩減少水錘力對水泵的沖擊。本項目在水泵出水管路上共設(shè)置了4處支墩、支架，設(shè)置位置見圖5。圖5中：①安裝于止回閥下部。在正常運(yùn)行工況下，主要承載止回閥及出水管段的部分重力。在事故工況時，將止回閥承擔(dān)的部分水錘力通過支墩向下傳遞、分散，從而減少對水泵結(jié)構(gòu)的影響。②安裝于出水管90°彎頭的下方。在正常運(yùn)行工況時，主要承擔(dān)出水管豎管的部分重力。在事故工況時，通過支架將部分水錘力傳遞到結(jié)構(gòu)底板，從而減少止回閥、水泵結(jié)構(gòu)可能受到的水錘力沖擊。③安裝于出水管90°彎頭的側(cè)方。在正常運(yùn)行工況時，減少橫向水流對管段的沖擊，減少豎管可能發(fā)生的晃動。④安裝于出水豎管電機(jī)層，采用抱箍的形式，主要是用于減少豎管的晃動，在發(fā)生事故工況時，將水錘力盡可能往下傳遞。

圖5 出水管道支架位置示意

4.3 泵房的集約化設(shè)計

泵站的規(guī)模大，泵房的體量也很大，為盡可能的降低工程費(fèi)用，在設(shè)計中也進(jìn)行了集約化、精細(xì)化的布置和設(shè)計。

（1）水泵的冷卻水系統(tǒng)。立式蝸殼式混流污水泵的冷卻水系統(tǒng)較為復(fù)雜，水泵電機(jī)軸承、水泵軸承等均有冷卻要求。為滿足水泵的正常運(yùn)行要求，本項目設(shè)計了專用的冷卻水系統(tǒng)。廠區(qū)的中水（再生水）進(jìn)入中間水箱，隨后通過管道加壓泵，經(jīng)電機(jī)軸承冷卻水管、水泵軸承冷卻水管對水泵關(guān)鍵部位進(jìn)行冷卻降溫。在中間水箱前端，設(shè)置了一路供水管，當(dāng)廠區(qū)中水水質(zhì)達(dá)不到冷卻水要求時，用自來水進(jìn)行補(bǔ)充備用。

（2）試車水回水管設(shè)計。泵房設(shè)置試車水回水管。在水泵試車時，打開回水管上的閥門，將泵送的水流通過管道回至格柵井?；亓鞴芄軓桨醋畲笠慌_水泵的流量確定。為節(jié)約空間和工程投資，回水管沿泵房電機(jī)層的空腔內(nèi)敷設(shè)。

（3）檢修操作設(shè)計?？紤]到日常檢修的需要，泵站在泵房內(nèi)、出水井以及格柵井等處，設(shè)置了橋式起重機(jī)、電動葫蘆等起吊設(shè)施，用于設(shè)備的安裝及檢修起吊。在泵房電機(jī)層，配備有移動式升降平臺及爬梯，用于水泵日常維護(hù)。在泵房內(nèi)設(shè)置有垂直電梯和消防樓梯，滿足日常檢修及消防的需要。

5 泵站運(yùn)行情況及優(yōu)化建議

泵站于2014年建成通水，目前已基本滿負(fù)荷，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化后工程投資約1.5億元，泵站實(shí)際運(yùn)行單位水量電耗約0.12~0.13 kW·h/m3。經(jīng)設(shè)計回訪，結(jié)合新技術(shù)的發(fā)展、新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，建議在類似工程項目設(shè)計中做如下優(yōu)化。

（1）建議引入BIM模型進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。進(jìn)水泵站的設(shè)計較為復(fù)雜，二維圖紙不夠直觀，各專業(yè)在設(shè)計協(xié)調(diào)過程中不可避免會出現(xiàn)錯、漏、碰、缺的情況。同時，給水、排水、冷卻水系統(tǒng)與電纜橋架等走向較為隨意，不規(guī)整、不美觀。水泵操作層，排水管線貼地面敷設(shè)，不便于運(yùn)營維護(hù)。因此，建議引入BIM模型對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，便于施工指導(dǎo)。

（2）管網(wǎng)與泵站的智慧化系統(tǒng)設(shè)計。建議在城市或區(qū)域建立智慧化污水系統(tǒng)模型，通過系統(tǒng)模擬旱季、雨季，近期、遠(yuǎn)期的污水管網(wǎng)分時污水量，為泵站的水泵配置提供最優(yōu)方案。通過帶水位預(yù)測功能的運(yùn)行管理系統(tǒng)對污水管網(wǎng)的水位進(jìn)行預(yù)測，使運(yùn)行最合理化。

（3）水泵冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化。本工程采用中水和自來水兩套冷卻水系統(tǒng)，管路較為復(fù)雜，無法實(shí)現(xiàn)泵房電機(jī)層、操作層的完全無水化。隨著技術(shù)的發(fā)展，水泵可以采用自冷卻系統(tǒng)、空冷系統(tǒng)，或兩者相結(jié)合的方式替代傳統(tǒng)的水冷系統(tǒng)，同時采用無供水的軸承、軸封裝置，從而取消冷卻水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泵房的完全無水化。

6 小 結(jié)

• 對于特大型污水泵站，為加快施工進(jìn)度、節(jié)約工程投資，建議采用格柵井與進(jìn)水泵房分開的方式。

• 對于進(jìn)水條件復(fù)雜的特大型污水泵站，建議開展水力模型試驗(yàn)。通過整體模型試驗(yàn)，優(yōu)化泵站的進(jìn)水流態(tài)、水泵的進(jìn)水條件等。

• 泵站的運(yùn)行水位、水泵的選型，建議結(jié)合近期、遠(yuǎn)期，在綜合考慮未來運(yùn)行工況的條件下進(jìn)行計算和選擇。水泵在經(jīng)常運(yùn)行工況點(diǎn)達(dá)到最高效率。

• 為有效降低水錘事故對泵站運(yùn)行的影響，建議選用帶防水錘功能的閘門、止回閥，細(xì)化管道支架（支墩）計算及設(shè)計。

• 為滿足水泵日常維護(hù)要求，建議設(shè)置可靠的冷卻系統(tǒng)、排水系統(tǒng)。對于水泵經(jīng)常檢修部位，應(yīng)設(shè)置易于操作的爬梯和平臺。

• 大型污水泵站的設(shè)計較為復(fù)雜，建議引入BIM模型進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，在城市或區(qū)域建立智慧化污水系統(tǒng)模型，為泵站的水泵配置提供最優(yōu)方案。