小型泵站設計優化技術探討

俞 冰

(南通和信工程勘測設計院有限公司，江蘇 南通 226006)

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小型泵站設計優化技術探討

俞 冰

(南通和信工程勘測設計院有限公司，江蘇 南通 226006)

針對當前小型泵站設計中所存在的突出問題展開分析，包括泵房選址、泵房底板配筋的確定、減載與基礎簡化等方面，文章重點提出了水源水位和流量變化時的優化設計方案，水泵聯合工作特性情況及通過切削葉輪和調整轉速的方法實現節能改造，以期對類似工程提供指導借鑒。

小型泵站；問題；優化設計；技術

1 現有設計存在的問題

1.1 泵站選址不科學

在進行小型泵站位置選擇時，必須綜合考慮地形、地質及水流等條件，比較不同方案擇優選取，為取水便利，應盡可能靠近河流，為保障施工運行期間的安全，應盡可能遠離周邊建筑物。但是當前許多泵站選址并不嚴格按照要求進行，例如南通濠河第二引水泵站選址，原先在北古山位置，靠近臨近建筑物，施工難度較大，且留有安全隱患。后來決定將泵站位置改在通揚運河東側，避免了施工及運行的安全隱患。

1.2 泵房結構

泵房結構方面所存在的問題主要表現在底板配筋過粗、地面以上墻體設計不合理、振沖碎石樁用于基礎減載是否科學等方面。

一般情況下，是按照最小配筋率并結合經驗進行泵房底板配筋的設計，但是往往忽略了這種做法的前提，即底板厚度應該在適宜范圍內，不能隨意改變，故而導致實際所設計的廠房底板配筋過粗。

實際工程中，一般是將泵站泵房的墻體從底到頂都用混凝土處理，這種做法既增加了工程造價，又大大降低了實用性和節能，且這種處理方式不適宜南方及小型泵站，應該盡量避免，可以考慮采用厚30cm的加砌塊框架結構墻體，既節約了工程投資，又具有減載功能。

1.3 供水量和水源水位設計不符合實際情況

當前無論是小型水泵設計手冊還是教科書，都是按照“最高日用水量加上輸水管漏損量與構筑物自身耗水量”作為小型泵站的設計流量，并按照“構筑物進口水面與最枯水位凈揚程加上輸水管的水頭損失”確定水泵揚程，這種方法在水源水位與供水量均保持穩定的情況下是正確的，計算結果也是合理的，但是，在工程實際中，供水量與水源水位穩定不變幾乎是不可能的，這兩個量隨著季節的變化每天都發生變化，我國的實際情況是，冬季1-3月多為枯水期，凈揚程較大，各種用水量(家庭生活、城市綠化、道路澆灑、工業冷卻等)都處于最低谷，所要求的水泵供水量最小；而夏季7-9月的豐水期，凈揚程較小，各種用水量都處于最高峰，所要求的水泵供水量最大。所以，水源水位的豐與枯和所要求的供水量之間存在明顯的季節差異，不可能保持同步，更不可能同時出現[1]。

可見，在水源水位和供水量不同步且最低水位與最大供水量不可能同時出現的情況下，如果按照上述方法選取水泵則會造成水泵機組、變電設備、泵房等方面的浪費，增加工程投資及后期的變更維護費用。

2 優化設計技術探討

2.1 水泵聯合工作

當小型泵站供水量和水源水位變化時，系統工作所需流量和揚程也都處于動態變化中，而且隨著揚程減少及用水量的同步增大，坐標點會沿著弧線DFE移動，當達到平均流量和平均水位，此時會出現弧線與直線縱坐標之差的最大值。因為當揚程(Q)減少及用水量(H)同步增大時，對于任意0<α<1(α為弧線與直線夾角)，揚程和用水量必須滿足：

HST=HST1-α(HST1-HST2)

(1)

Q=Qmin+α(Qmax-Qmin)

(2)

當水源水位和水量變動頻繁難以確定時，便會出現最不利工況點，所選水泵只要滿足最不利工況點的供水要求，就肯定能滿足所有點的供水需要。而當水源水位變動幅度遠大于輸水管水頭損失的變動時，必須將系統流量設定在所選水泵高效運作區域內。

如果單臺水泵無法滿足流量和揚程范圍要求，則必須考慮水泵聯合工作，水泵聯合工作包括并聯和串聯兩種情況，如圖1所示。

2.2 水泵葉輪切削處理

當工作水泵的數量與輸水管道數量相同時，應該按照流量為50%的單臺水泵分析葉輪直徑。一般水泵葉輪直徑為350mm，冬季供水需要的葉輪直徑為320mm，而夏季供水需要的葉輪直徑為327mm，為保證供水安全，必須對水泵葉輪做切削處理，保證切削后葉輪直徑為330mm，切削后，既能滿足供水安全要求，又能大大降低水泵軸功率[2]。

除了通過水泵葉輪切削處理進行節能改造之外，還可以通過改變轉速的方法，但是改變轉速不能超出水泵有效調速范圍，必須以有效調速范圍的臨界值作為節能改造的依據，以保證水泵正常高校運行。

圖1 水泵聯合工作特性情況示意圖

2.3 泵房底板配筋的合理確定

對于跨度為6-7m底板，h0=0.6-0.7m(h0為板厚)，在此情況下，根據荷載和彎矩求出配筋面積，此時應為適宜板厚，如果所求得的配筋面積小于最小配筋率配筋面積，則說明板厚過厚，必須減小h0，詳見表1。

表1 小型泵站底板不同板厚配筋計算表

表1表明，在板厚為150cm時，根據彎矩所求得的縱橫斷面鋼筋面積分別為9.6和8.5cm2，與用最小配筋率計算的配筋面積21.5cm2相差甚遠，說明原設計底板過厚；而當板厚為80cm時，所求得的縱橫斷面鋼筋面積分別為17.2和14.2cm2，比用最小配筋率計算的配筋面積10.5cm2稍大，說明板厚接近合理。當板厚進一步減薄時，所求得的縱橫斷面鋼筋面積分別為11.5和9.4cm2，非常接近最小配筋率10.5cm2，此時的板厚為0.7m。

3 結 論

綜上所述，在所存在的問題中，最為突出的且最影響泵站性能的是當前小型泵站設計中水源水位和供水量均與實際不符，所設計的泵站都無法滿足實際需要，從而造成水泵機組、變電設備、泵房基建設施等方面的資金浪費，并使得后期折舊和運行費用大大增加。在進行小型泵站優化設計時，必須區分夏季和冬季兩種情況分別進行，因為夏季和冬季在用水量、水位、水源設計、泵房底板厚度等方面都略有不同，并根據用水量和水源水位等情況確定出系統關鍵“需求點”，并按照該“需求點”的要求在水泵高效區域內選擇既能滿足“需求點”，又能保證水泵揚程剩余值越小的最佳點。根據經驗判斷，在最佳“需求點”時，水位必須是最低水位，流量必須是最大流量。

[1]許勇，李剛，李元璞.小型泵站設計優化技術[J].黑龍江水利科技，2011(02)：152-153.

[2]王卓穎，吳恩賜，郭德若.預制泵站在中小型泵站應用中的優化研究[J].中國給水排水，2010(22)：231-233.

1007-7596(2017)02-0089-03

2017-02-16

俞冰(1968-)，男，江蘇南通人，工程師。

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