污水泵站集水池有效容積的分析與探討

陳 喆

(上海市政工程設計研究總院〈集團〉有限公司，上海 200092)

目前，污水泵站的設備布置往往已優化得較為緊湊，其土建費用很大程度上取決于集水池調節容積的大小[1]。因此，在設計過程中，設計人員一般會根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)的最低要求，即最大1臺工作泵5 min的出水量，對集水池調節容積進行取值。然而，集水池的調節容積與水泵的運行情況密切相關。規范規定的最小容積，是否與常見的水泵運行模式相吻合，鮮有討論。本文擬通過數學建模手段來分析2種常見水泵運行方案下污水泵站集水池調節容積的要求。

1 集水池的調節容積

污水泵站的集水池設計一般需考慮以下幾個因素[2]：(1)格柵的安裝要求；(2)保證泵組間工作時的良好水力條件；(3)吸水管最小淹沒深度；(4)集水池最高設計水位；(5)間歇排水泵房應滿足單次排入水量和單次水泵抽送能力；(6)避免水泵頻繁啟停。

在設計時，當上游排水管網設計、最大設計排水量以及設備參數等確定的情況下，前5個因素已基本確定。第6個因素避免水泵頻繁啟停，即對污水泵站有效調節容積的要求。有效調節容積，是指集水池最高設計水位和最低設計水位之間的容積。《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)(以下簡稱規范)要求“污水泵站集水池的容積，不應小于最大1臺水泵5 min的出水量。注：如水泵機組為自動控制時，每小時開動水泵不得超過6次”[3]。由于目前污水泵站水泵機組一般均為自動控制，本文將根據規范中所提出的“每小時開動水泵不得超過6次”的原則進行分析，并將分析結果與最大1臺水泵5 min出水量的標準進行對比。

本文將根據2種常見的水泵運行方案(以下簡稱方案一和方案二)，對集水池調節容積進行數學建模。

2 數學模型及計算方法

2.1 2種水泵運行方案

方案一采用的運行策略：隨集水池內水位上升，逐臺開啟水泵，當n臺水泵的排水量n×Qp大于污水來水量Qr時，集水池內水位開始下降，逐臺關閉水泵。以設4臺泵為例，如圖1所示。

圖1 水泵運行方案一示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Pump Operation Scheme I

方案二采用的運行策略：隨集水池內水位上升，逐臺開啟水泵，當n臺水泵的排水量n×Qp大于污水來水量Qr時，集水池內水位開始下降，當下降至指定水位，所有水泵同時一起關閉。以設4臺泵為例，如圖2所示。

圖2 水泵運行方案二示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Pump Operation Scheme II

2.2 模型建立

假定污水泵站設n臺相同的工作水泵(備用泵另計), 單臺水泵排水量Qp，其為常量；#n號水泵運行周期Tn，其為常量；由于污排水量變化性較小，因此，數學建模時假定以一恒定最不利進水量Qr排入污水泵站，其為自變量；集水池調節容積V為因變量，進行建模。當設n臺水泵時，集水池調節容積應為V=V1+V2+…+Vn，其中，Vn表示相應單臺水泵所需調節容積。值得說明的是，最不利排水量Qr針對水泵的頻繁啟停問題，因此，其并非等同于上游排水系統的最大設計排水量。

2.2.1 運行方案一

(1)當0

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：t1u——第1臺水泵運行前，水位上升時間,s；

t1d——第1臺水泵運行后，水位下降時間,s；

T1——第1臺水泵運行1個周期的時間,s；

V1——第1臺啟動水泵的調節容積,m3；

Qp——單臺水泵排水量,m3/s；

Qr——排水泵站最不利進水量,m3/s。

(2)當Qp

(5)

(6)

其中：t2u——第2臺水泵運行前，水位上升時間，s；

t2d——第2臺水泵運行后，水位下降時間，s；

V2——第2臺啟動水泵的調節容積,m3。

運行方案一：2臺水泵的運行情況如圖3所示。顯然，當#2泵運行周期T2滿足要求時，#1泵啟停周期一定滿足要求，相應計算得第2臺啟動水泵所需的調節容積V2，如式(7)～式(8)。

(7)

(8)

其中：T2——第2臺水泵運行1個周期的時間,s。

圖3 運行方案一：2臺水泵運行示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Two Pumps Operation in Scheme I

(3)當2Qp

(9)

(10)

其中：t3u——第3臺水泵運行前，水位上升時間，s；

t3d——第3臺水泵運行后，水位下降時間，s；

V3——第3臺啟動水泵的調節容積,m3。

運行方案一：3臺水泵運行情況如圖4所示。同上，當#3泵運行周期T3滿足要求時，其余水泵啟停周期一定滿足要求，相應計算得第3臺啟動水泵所需的調節容積V3，如式(11)～式(12)。

(11)

(12)

其中：T3——第3臺水泵運行1個周期的時間,s。

圖4 運行方案一：3臺水泵運行示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Three Pumps Operation in Scheme I

(4)當(n-1)Qp

(13)

(14)

其中：tnu——第n臺水泵運行前，水位上升時間,s；

tnd——第n臺水泵運行后，水位下降時間,s；

Vn——第n臺啟動水泵的調節容積,m3。

運行方案一：n臺水泵運行情況如圖5所示。同上，當#n泵運行周期Tn滿足要求時，其余水泵啟停周期一定滿足要求，相應計算得第n臺啟動水泵所需的調節容積Vn，如式(15)～式(16)。

(15)

(16)

其中：Tn——第n臺水泵運行1個周期的時間,s。

圖5 運行方案一：n臺水泵運行示意圖Fig.5 Schematic Diagram of n Pumps Operation in Scheme I

2.2.2 運行方案二

(1)當0

(2)當Qp

(17)

圖6 運行方案二：2臺水泵運行示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Two Pumps Operation in Scheme Ⅱ

運行方案二：2臺水泵運行情況如圖6所示，相應各臺水泵運行啟停時間如表1所示。顯然，#1和#2泵運行周期相同，相應計算得第2臺啟動水泵所需的調節容積V2，如式(18)～式(19)。

T1=T2=t1u+t2u+t2d

(18)

(19)

表1 水泵啟停時長(運行方案二，n=2)Tab.1 Pump Operation Time(Operation Scheme Ⅱ，n=2)

(3)當2Qp

(20)

運行方案二：3臺水泵運行情況如圖7所示，相應各臺水泵運行啟停時間如表2所示。顯然，各臺泵運行周期相同，相應計算得第3臺啟動水泵所需的調節容積V2，如式(21)～式(22)。

T1=T2=T3=t1u+t2u+t3u+t3d

(21)

(22)

圖7 運行方案二：3臺水泵運行示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Three Pumps Operation in Scheme II

表2 水泵啟停時長表(運行方案二，n=3)Tab.2 Pump Operation Time(Operation Scheme II，n=3)

(4)當(n-1)Qp

(n-1)(V1+V2+…+Vn-1)

(23)

2.3 模型求解

運行周期Tn為常量。按規范中“每小時開動水泵次數不得超過6次”考慮，即Tn=10 min=600 s。且因為污水泵站進水量的不確定性，為保證每臺水泵均能始終避免頻繁啟停，每臺水泵的相應調節容積Vn均應滿足各自最不利工況下所需的容積。因此當設n臺水泵，計算Vn時，V1、V2、…、Vn-1均為常量。

2.3.1 運行方案一

觀察運行方案一單臺泵調節容積Vn通式，即式(16)。發現式(16)中僅含變量Qr。因此，對Qr求一階導，使之等于零，并求其二階導，結果如式(24)～式(26)。

(24)

(25)

(26)

顯然，式(26)恒小于零。因此，當Qr為其定義域內的中值時，Vn取極大值，即第n臺泵所需最小調節容積應滿足Vn，才能滿足規范要求。將式(25)和Tn=600 s代入式(16)得Vn表達式，如式(27)。

(27)

因此，當設n臺水泵，按方案一運行時，排水泵站集水池最小調節容積V表達式如式(28)。

V=V1+V2+…+Vn=150×n×Qp=150×Q

(28)

其中：V——排水泵站集水池最小調節容積,m3；

Q——上游排水系統設計最大排水量,m3/s。

2.3.2 運行方案二

觀察運行方案二單臺泵調節容積Vn通式，即式(23)。發現式(23)中不僅含變量Qr，還含有未計算前，未知的常量V1，V2…Vn-1等，直接對通式求解難度較大。此外，考慮到規范中建議水泵臺數不宜大于8臺。因此，對方案三的模型求解，擬采用枚舉法，僅考慮設置1～8臺泵等8種情況。

當n=1時，同運行方案一，V1=150Qp；

當n≥2時，令x=Qr/Qp，(n-1

(29)

分別按n=2、3、…、8，及Tn=600 s代入式(29)，計算結果如表3所示。當Vn/Qp≤0時，可認為此時水泵最短運行周期大于所設定的運行周期Tn，水泵啟停頻率對調節容積無要求，以Vn/Qp=0表示。8種情況下Vn/Qp=f(x)的函數曲線如圖8所示。

表3 單泵調節容積計算結果(運行方案二)Tab.3 Calculation Results of Pump Regulating Volume(Operation Scheme II)

圖8 運行方案二Vn/Qp與X函數關系曲線Fig.8 Function Relation Curve between Vn/Qp and X by Pump Operation Scheme II

3 結果與分析

根據規范規定“污水泵站集水池容積，不應小于最大1臺水泵5 min的出水量”的要求，結合對上述2種運行方案分析，分別設置1～8臺泵等8種工況所相應的集水池調節容積計算結果以及規范要求，如表4所示。

表4 2種運行方案下的調節容積與規范值的比較Tab.4 Comparison of Regulating Volume under Two Operation Schemes and Specified Volume

通過比較表4中調節容積的數值可以發現，2種水泵運行方案所對應的集水池最小調節容積各不相同。各工況下，運行方案一所要求的集水池最小調節容積始終最大，為上游排水管網設計最大排水量150 s的容積。方案二所要求的集水池調節容積始終最小，且隨水泵設置臺數的增加，對集水池調節容積的要求將會降低。例如，當設置8臺泵時，方案二僅需上游排水管網設計最大排水量44.79 s的容積。當設置2臺泵時，規范要求剛好滿足運行方案一的最小有效容積要求，隨著水泵臺數的增加，規范值無法滿足方案一的有效容積要求。當設置4臺以上水泵時，規范要求也已無法滿足運行方案二的最小有效容積要求。因此，在采用規范規定的最小有效容積要求時，應結合水泵運行方案確定集水池最小有效容積。

此外，通過計算發現，當采用方案二，并在其相應最小集水池容積下運行時，隨著水泵臺數的增加，在排水高峰期會存在明顯的“長啟短停”問題，即水泵運行較長時間后，驟停較短時間，又繼續運行，如此反復。水泵臺數n=3～5的工況下，方案二的各泵啟停時間如表5～表7所示。4臺泵工況下，#1泵閑置時間與運行時間已經達到了1∶12，連續運行后約9 min后，閑置時間不足1 min；5臺泵工況下，甚至出現#1、#2這2臺泵均運行時間超9 min后，閑置時間均不足1 min，這將不利于水泵的長期使用。因此，本文不建議當水泵臺數n大于4臺時，集水池調節容積按運行方案二下的相應最小調節容積。

表5 水泵啟停時長 (運行方案二，n=3)Tab.5 Pump Operation Time (Operation Scheme II，n=3)

表6 水泵啟停時長 (運行方案二，n=4)Tab.6 Pump Operation Time (Operation Scheme II，n=4)

表7 水泵啟停時長 (運行方案二，n=5)Tab.7 Pump Operation Time (Operation Scheme II，n=5)

由圖3～圖7可知，2種運行方案均存在各泵工作時間配比不均的問題，最先啟動的#1泵運行時間最長，閑置時間最短。相反，最后啟動的#n水泵，工作時間最短，閑置時間卻最長。

針對該問題，2種方案均可通過當#1泵停止運行后，輪換所有水泵的編號，即將#1作為#n，#2作為#1，#3作為#2，…，以此類推。且以此方式來緩解上述問題時，對相應最小調節容積、啟停次數的計算均不造成影響。

另外，值得指出的是，若調整方案一的運行方式，在#n泵暫停后，以上述方式輪換所有水泵的編號，則可使得先開的水泵先關，后開的水泵后關，交替進行，如圖9所示，對應水泵啟停時長如表8所示。通由表8可知，調整后的運行方案一存在合理性，但在排水高峰期且水泵臺數較多時，與運行方案二相比較，存在更明顯的“長啟短?！眴栴}。因此，本文未對該方案進行最小集水池調節容積的分析。在實際工程中，水泵組若按此調整后的方案運行，除校核其啟停次數外，還應具體計算其水泵運行和閑置的時長。

圖9 調整后的運行方案一：n臺水泵運行示意圖Fig.9 Schematic Diagram of Adjusted n Pumps Operation in Scheme I

表8 水泵啟停時長(調整后的運行方案一)Tab.8 Pump Operation Time(Adjusted Operation Scheme I)

4 工程實例

廣東省中山市某污水提升泵站，設計污水量約為3.2萬m3/d。結合實際場地情況，采用圓形提升泵站形式，泵站內設4臺潛水排污泵，單泵排水能力為450 m3/h，共4臺，3用1備。集水池有效容積按《室外排水設計規范》中“不應小于最大1臺水泵5 min”的水量考慮，約為37.5 m3。井筒直徑為3.8 m，設計最高水位與進水管管底標高-2.1 m相平，最低設計水位為-5.4 m，池底深度為-6.9 m，平面布置如圖10所示。水泵啟停采用PLC按設定水位，擬根據運行方案一進行控制。

根據上述理論分析，由表4可知，2種運行方案在3臺水泵工況下相應集水池最小調節容積，分別為56.25 m3和31.12 m3。規范值無法滿足方案一的運行要求，從泵站運行安全性考慮，將最低設計水位調整為-7.10 m，池底深度為-8.60 m，實際有效調節容積約為56.68 m3。

圖10 污水泵站平面布置圖Fig.10 Layout Plan of Sewage Pumping Station

5 結論與建議

通過上述對排水泵站集水池容積的模型以及工程實例的分析與計算，可以得到以下結論與建議。

(1)為滿足規范關于水泵啟停次數的要求，當采用方案一運行時，集水池調節容積不應小于上游排水管網設計最大排水量150 s的容積；當采用方案二運行時，集水池最小調節容積要求隨水泵臺數的增加而減小。

(2)當水泵臺數大于2臺時，規范規定的最小有效容積無法滿足水泵運行方案一的要求。

(3)當水泵臺數大于4臺時，規范規定的最小有效容積無法滿足水泵運行方案二的要求。

(4)當水泵臺數超過4臺時，不建議根據運行方案二的最小調節容積要求來減小集水池容積，以避免發生“長啟短?！眴栴}，對水泵造成損害。

(5)當集水池實際調節容積不能滿足運行方案一的調節容積要求時，可考慮按方案二，或是調整后的方案一運行，但此時除校核水泵啟停次數外，還應根據最不利排水量具體計算每臺水泵的運行和閑置時長，以避免“長啟短停”問題，對水泵造成損害。

(6)采用方案一或方案二運行時，均建議當#1泵停止運行后，輪換所有水泵的編號，以減輕最先運行的水泵負荷。