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

1 項目概況

上海某污水處理廠(chǎng)升級改造及擴建工程新建1座粗格柵及進(jìn)水泵站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“進(jìn)水泵站”），泵站規模按與南線(xiàn)規模43.71m3/s（280萬(wàn)m3/d）一次建設，設備按本階段32 m3/s配置。在《上海市控制性詳細規劃技術(shù)標準（2016年修訂版》中，供水規模50萬(wàn)~100萬(wàn)m3/d的凈水廠(chǎng)定義為特大規模，則類(lèi)比污水規模大于50萬(wàn)m3/d的處理設施也可定義為特大規模，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(xiàn)2根DN4 000鋼筋混凝土管通過(guò)頂管方式進(jìn)入格柵井，格柵井內前池通過(guò)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(mén)互為連通和切換，可半倉獨立運行。格柵井內共設置了8臺抓斗式粗格柵，粗格柵前后均設置有閘門(mén)和疊梁門(mén)，分別用于檢修粗格柵和檢修閘門(mén)。

經(jīng)過(guò)格柵井的污水通過(guò)4根DN3 500的出水管進(jìn)入泵房。泵房間為圓形結構，內徑為59.2m，埋深近20.1m。在直徑方向共設置了8個(gè)泵位，近期安裝6臺，遠期再安裝2臺。根據污水量及揚程的特點(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(shí)5用1備，旱季時(shí)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(shí)間，運行一切正常，在設計過(guò)程中的一些經(jīng)驗值得總結。

2 泵站的總體設計

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、設備布置以及投資等因素常用矩形。但根據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(kāi)，中間用管道連接的方式。從管道上分設進(jìn)水流道，直接與泵吸入口相連。由于沒(méi)有大體積前池，長(cháng)距離輸送過(guò)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墻開(kāi)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(jiàn)圖1。

2.2 泵站的運行水位

進(jìn)水泵站的運行水位受上游來(lái)水情況波動(dòng)較大。通過(guò)近、遠期污水量預測及南線(xiàn)的水頭損失計算，在不同流量時(shí)，格柵井前池的液位統計如下：

遠期旱季平均流量時(shí)：1.15 m（絕對標高，下同）；遠期旱季高峰流量時(shí)：-0.67 m；遠期雨季流量時(shí)：-2.46 m。

從水泵節能、高效運行的角度出發(fā)，泵站的日常運行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運行液位也按1.15 m設計。

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

2.3 水泵揚程的確定

《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統設施的設計流量規定。其中，分流制污水管道應按旱季設計流量確定，并在雨季設計流量下校核。污水泵站的設計流量，應按泵站進(jìn)水總管的旱季設計流量確定；污水泵站的總裝機流量應按泵站進(jìn)水總管的雨季設計流量確定。本項目在設計時(shí)，按近期、遠期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚程進(jìn)行了測算，計算結果詳見(jiàn)表1。

2.2 泵站的運行水位

進(jìn)水泵站的運行水位受上游來(lái)水情況波動(dòng)較大。通過(guò)近、遠期污水量預測及南線(xiàn)的水頭損失計算，在不同流量時(shí)，格柵井前池的液位統計如下：

遠期旱季平均流量時(shí)：1.15 m（絕對標高，下同）；遠期旱季高峰流量時(shí)：-0.67 m；遠期雨季流量時(shí)：-2.46 m。

從水泵節能、高效運行的角度出發(fā)，泵站的日常運行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運行液位也按1.15 m設計。

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

2.3 水泵揚程的確定

《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統設施的設計流量規定。其中，分流制污水管道應按旱季設計流量確定，并在雨季設計流量下校核。污水泵站的設計流量，應按泵站進(jìn)水總管的旱季設計流量確定；污水泵站的總裝機流量應按泵站進(jìn)水總管的雨季設計流量確定。本項目在設計時(shí)，按近期、遠期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚程進(jìn)行了測算，計算結果詳見(jiàn)表1。

根據污水泵揚程計算結果，確定污水泵的單泵流量Q=6.36~7.29 m3/s，揚程H=8.6~14.3 m。污水泵的總體效率要求≥80%，在經(jīng)常運行工況，即污水泵流量Q=6.36 m3/s，揚程H=8.60 m時(shí)，要求水泵達到最高效率≥88%。泵轉速≤250 r/min，變頻泵流量調節范圍100%~60%。

3 格柵井的設計優(yōu)化

3.1 前端進(jìn)水整流措施

為保證水流流向泵站機組的過(guò)程中能夠平順擴散，為泵站機組提供良好的流態(tài)，泵站進(jìn)水一般采用正向進(jìn)水，當泵站進(jìn)水為側向進(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(guò)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，結合水力模型試驗結果，對格柵井進(jìn)水端進(jìn)行設計優(yōu)化。

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

泵站前池內設置壓水板能夠顯著(zhù)改善直邊正向前池和曲邊正向前池水流的主流效應，提高前池底部水流流速，增強水流平面擴散，在減少前池泥沙淤積的同時(shí)保證了水泵有利的進(jìn)水條件。水力模型試驗結果表明，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(gè)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(guò)流水量，同時(shí)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，不利于水流擴散，且受過(guò)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(zhù)平面回流及立面翻滾等不良流態(tài)，在某些工況甚至會(huì )產(chǎn)生間歇性吸氣漩渦，對水泵運行產(chǎn)生危害。因此，結合整體水力模型試驗，對格柵井后端設計進(jìn)行了優(yōu)化。

在配水管進(jìn)口前分別設置縱、橫向消渦梁，其中縱向消渦梁設置于配水管進(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(jiàn)圖3。

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

3.3 溢流及放空設計

在格柵井前端設置了溢流槽，當機組因事故突然失電時(shí)，污水可通過(guò)溢流渠接至廠(chǎng)區超越箱涵，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設計，堰上水頭約1.0 m，格柵井頂板設計標高大于堰上水頭。經(jīng)試驗分析和驗證，溢流槽的溢流能力可以滿(mǎn)足事故工況的運行要求。

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

4 泵房的設計優(yōu)化

4.1 配水管的可行性驗證

為節約工期、降低工程投資，本工程采用格柵井與進(jìn)水泵房分開(kāi)，中間用管道連接的建設形式。目前對泵站流態(tài)的研究主要側重進(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組同時(shí)運行時(shí)的水流流態(tài)。因此，在設計中，對配水管進(jìn)口及分岔口等處水流流態(tài)、不同開(kāi)機組合條件下壓力和水頭損失等進(jìn)行了模型試驗。

水力模型試驗表明，各水泵進(jìn)水管首段與岔管連接處的轉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(guò)90°彎管連接，通過(guò)試驗觀(guān)測，各工況錐管進(jìn)出口斷面邊壁時(shí)均動(dòng)水壓強分布均勻，水泵進(jìn)水管設計合理。

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

試驗結果表明，同一條配水管對應兩臺水泵，其中一臺水泵流量有一定改變時(shí)，對配水管道和水泵進(jìn)水流態(tài)無(wú)明顯影響。

4.2 防水錘設計及措施

4.2.1 水錘力的計算

壓力波的計算公式見(jiàn)式（1）：

根據上述公式計算，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(shí)止回閥承受的壓力為P+ΔP=3.02 MPa。如無(wú)防水錘措施，則會(huì )對水泵的葉輪及結構造成極大的破壞性。

4.2.2 防水錘設備的選用

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(lái)替代傳統的止回閥，當水流發(fā)生逆流時(shí)，閥瓣可迅速響應，防止水錘發(fā)生。閥板具有紡錘體型的設計，開(kāi)啟時(shí)閥板迎水面流線(xiàn)型能防止掛積垃圾。軸封處密封可靠，閥瓣與軸采用鉸鏈式的連接，配自潤滑軸承，啟閉壓差小于2 m。閥瓣在啟閉過(guò)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(dòng)速閉閘門(mén)來(lái)替代普通的電動(dòng)閘門(mén)，在發(fā)生緊急情況時(shí)，可在180s內迅速將閘門(mén)關(guān)閉，切斷水流。

4.2.3 管道支架、支墩設計

在分析計算水泵進(jìn)、出水管道受力條件的基礎上，對管道的支架、支墩進(jìn)行特殊設計，以確保水泵運行的穩定性。在發(fā)生事故情況下，可通過(guò)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置了4處支墩、支架，設置位置見(jiàn)圖5。圖5中：①安裝于止回閥下部。在正常運行工況下，主要承載止回閥及出水管段的部分重力。在事故工況時(shí)，將止回閥承擔的部分水錘力通過(guò)支墩向下傳遞、分散，從而減少對水泵結構的影響。②安裝于出水管90°彎頭的下方。在正常運行工況時(shí)，主要承擔出水管豎管的部分重力。在事故工況時(shí)，通過(guò)支架將部分水錘力傳遞到結構底板，從而減少止回閥、水泵結構可能受到的水錘力沖擊。③安裝于出水管90°彎頭的側方。在正常運行工況時(shí)，減少橫向水流對管段的沖擊，減少豎管可能發(fā)生的晃動(dòng)。④安裝于出水豎管電機層，采用抱箍的形式，主要是用于減少豎管的晃動(dòng)，在發(fā)生事故工況時(shí)，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 泵房的集約化設計

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

（1）水泵的冷卻水系統。立式蝸殼式混流污水泵的冷卻水系統較為復雜，水泵電機軸承、水泵軸承等均有冷卻要求。為滿(mǎn)足水泵的正常運行要求，本項目設計了專(zhuān)用的冷卻水系統。廠(chǎng)區的中水（再生水）進(jìn)入中間水箱，隨后通過(guò)管道加壓泵，經(jīng)電機軸承冷卻水管、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，設置了一路供水管，當廠(chǎng)區中水水質(zhì)達不到冷卻水要求時(shí)，用自來(lái)水進(jìn)行補充備用。

（2）試車(chē)水回水管設計。泵房設置試車(chē)水回水管。在水泵試車(chē)時(shí)，打開(kāi)回水管上的閥門(mén)，將泵送的水流通過(guò)管道回至格柵井?；亓鞴芄軓桨醋畲笠慌_水泵的流量確定。為節約空間和工程投資，回水管沿泵房電機層的空腔內敷設。

（3）檢修操作設計?？紤]到日常檢修的需要，泵站在泵房?jì)?、出水井以及格柵井等處，設置了橋式起重機、電動(dòng)葫蘆等起吊設施，用于設備的安裝及檢修起吊。在泵房電機層，配備有移動(dòng)式升降平臺及爬梯，用于水泵日常維護。在泵房?jì)仍O置有垂直電梯和消防樓梯，滿(mǎn)足日常檢修及消防的需要。

5 泵站運行情況及優(yōu)化建議

泵站于2014年建成通水，目前已基本滿(mǎn)負荷，運行穩定、可靠。經(jīng)設計優(yōu)化后工程投資約1.5億元，泵站實(shí)際運行單位水量電耗約0.12~0.13 kW·h/m3。經(jīng)設計回訪(fǎng)，結合新技術(shù)的發(fā)展、新標準的發(fā)布，建議在類(lèi)似工程項目設計中做如下優(yōu)化。

（1）建議引入BIM模型進(jìn)行設計優(yōu)化。進(jìn)水泵站的設計較為復雜，二維圖紙不夠直觀(guān)，各專(zhuān)業(yè)在設計協(xié)調過(guò)程中不可避免會(huì )出現錯、漏、碰、缺的情況。同時(shí)，給水、排水、冷卻水系統與電纜橋架等走向較為隨意，不規整、不美觀(guān)。水泵操作層，排水管線(xiàn)貼地面敷設，不便于運營(yíng)維護。因此，建議引入BIM模型對設計進(jìn)行優(yōu)化，便于施工指導。

（2）管網(wǎng)與泵站的智慧化系統設計。建議在城市或區域建立智慧化污水系統模型，通過(guò)系統模擬旱季、雨季，近期、遠期的污水管網(wǎng)分時(shí)污水量，為泵站的水泵配置提供最優(yōu)方案。通過(guò)帶水位預測功能的運行管理系統對污水管網(wǎng)的水位進(jìn)行預測，使運行最合理化。

（3）水泵冷卻系統的優(yōu)化。本工程采用中水和自來(lái)水兩套冷卻水系統，管路較為復雜，無(wú)法實(shí)現泵房電機層、操作層的完全無(wú)水化。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，水泵可以采用自冷卻系統、空冷系統，或兩者相結合的方式替代傳統的水冷系統，同時(shí)采用無(wú)供水的軸承、軸封裝置，從而取消冷卻水系統，實(shí)現泵房的完全無(wú)水化。

6 小 結

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

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

• 泵站的運行水位、水泵的選型，建議結合近期、遠期，在綜合考慮未來(lái)運行工況的條件下進(jìn)行計算和選擇。水泵在經(jīng)常運行工況點(diǎn)達到最高效率。

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

• 為滿(mǎn)足水泵日常維護要求，建議設置可靠的冷卻系統、排水系統。對于水泵經(jīng)常檢修部位，應設置易于操作的爬梯和平臺。

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