市政排水泵站啟停水位研究

曹 鈺

（中石化廣州工程有限公司，廣東廣州 510000）

隨著我國經濟發展，居民對城市環境的質量要求越來越高，市政排水管網對城市水環境起重要作用。排水泵站是市政排水管網的重要節點，對排水管網的正常運行具有十分重要的意義。文章從排水泵站自動化啟停水位進行分析，確定最佳運行策略，提高排水泵站的運行穩定性，提高市政排水管網的運行健康程度。

1 三種不同水位設定方式及運行結果

1.1 模型搭建

市政排水泵站包括雨水泵站、污水泵站、合流泵站。排水泵站需要常年運行，一般采用設定水位后自動化運行的方式，重要泵站在自動運行的同時需要安排人員值班，其水位設定策略非常重要。分析泵站自動化運行情況，一般采用液位浮球閥、液位計等設定水位，隨著泵站水量增加，液位逐漸上升，達到設定水位時，浮球閥或液位計發送電信號至PLC集成控制系統，系統操作水泵運行。水泵運行一段時間，水位可能上升或下降至下一個設定水位，浮球閥或液位計發送另一個信號至PLC集成控制系統，進行下一步操作。隨著技術的發展，液位計浮球閥的造價大幅下降，精度逐漸提高，控制系統足夠智能，在此基礎上深入研究設定不同啟停水位的策略對水泵運行的影響。根據規范及以往工程案例，泵站集水池水位的設定主要具有3種方式[1]。根據《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）[2]，污水泵站集水池容積不應小于最大水泵的5 min流量，水泵機組每小時開動水泵不宜超過6次。

假定污水泵站共3臺水泵，使用兩臺，1臺為備用，每臺水泵流量揚程均相同，為Q，進水流量按水泵排水能力分為0.1Q～3.0Q（設計時，2Q為實際最大流量，為方便分析，將3Q流量作為最大值）。根據常用的水泵運行方式，先開先停，后開后停，按照3種集水池設定水位進行模擬，可以得出不同工況下每臺水泵的啟停時間[3-4]。以某項目實際情況為例，項目污水提升泵站規模為15 000 m3/d，2用1備，單泵流量400 m3/h，集水池容積33.9 m3。進水管DN800，設計充滿度0.7。

1.2 第一種方式：分水位開啟，同水位停

泵站集水池第一種設定水位如圖1所示。

圖1 泵站集水池第一種設定水位

進水管充滿一半時啟動第一臺水泵，達到進水管充滿度時啟動第二臺水泵，水位到管頂+0.1 m時啟動第三臺水泵，所有停泵水位均為最低有效水位[5]。輪流啟動水泵能夠得出每臺泵啟停時間。

進水水量為0.1Q～1.0Q時，啟動一臺水泵，停泵休息，下次啟動另一臺水泵，完整的啟停順序為A（A泵啟動）-T（停）-B（B泵啟動）-T（停）-C（C泵啟動）-T（停）等。

進水水量為1.1Q～2.0Q時，啟動1～2臺泵，停泵休息，下次輪換啟動，完整的啟停順序為A-AB-TC-CA-T-B-BC-T等。

進水水量為2.1Q～3.0Q時，啟動1～3泵，停泵休息，下次輪換啟動，完整的啟停順序為：A-ABABC-T-B-BC-BCA-T-C-CA-CAB-T等。

第一種設定水位下進水流量小于Q時單臺泵啟停時間如表1所示。第一種設定水位下進水流量為1Q～2Q時單臺泵啟停時間如表2所示。第一種設定水位下進水流量2Q～3Q時單臺泵啟停時間如表3所示。

表1 第一種設定水位下進水流量小于Q時單臺泵啟停時間

表2 第一種設定水位下進水流量為1Q～2Q時單臺泵啟停時間

表3 第一種設定水位下進水流量2Q～3Q時單臺泵啟停時間

由表1～表3可知，進水水量越大，水泵啟停次數越頻繁，進水水量恰好等于出水水量（進水量等于一臺水泵流量或兩臺水泵流量或三臺水泵流量）時達到平衡，但平衡不持久；進水量越小，啟停次數越少，水泵越安全；進水量超過2.2Q時，每小時水泵啟停次數大于6次，極度不安全。

1.3 第二種方式：分水位開啟，分水位停

泵站集水池第二種設定水位如圖2所示。

圖2 泵站集水池第二種設定水位

進水管充滿度一半時啟動第一臺水泵，關停第二臺水泵；進水管充滿度時啟動第二臺水泵，關停第三臺水泵；水位到管頂+0.1 m時啟動第三臺水泵。最低有效水位是第一臺水泵的停泵水位。結合輪流啟動，可以得出每臺泵啟停時間。臺泵啟停時間的計算與第一種方式相同。

進水水量為0.1Q～1.0Q時，只需啟動一臺水泵，停泵休息，下次啟動另一臺水泵，依次循環，與第一種方式啟停水泵的情況完全一致。

進水水量為1.1Q～2.0Q時，需要啟動1～2臺泵，完整的啟停順序為：A-AB-B-BC-C-CA等。

進水水量為2.1Q～3.0Q時，啟動2～3臺泵，完整的啟停順序為：AB-ABC-BC-BCA-CA-CAB等。

1.4 第三種方式：階梯式開啟，階梯式停

泵站集水池第三種設定水位如圖3所示。

圖3 泵站集水池第三種設定水位

進水管充滿度一半時啟動第一臺水泵，關停第二臺水泵；達到進水管充滿度時啟動第二臺水泵，關停第三臺水泵；水位到管頂+0.1 m時啟動第三臺水泵[6]。最低有效水位是第一臺水泵的停泵水位。結合輪流啟動，可以得出每臺泵啟停時間。臺泵啟停時間的計算與第一種方式相同。

進水水量為0.1Q～1.0Q時，只需啟動一臺水泵，停泵休息，下次啟動另一臺水泵，依次循環，與第一種及第二種方式啟停水泵的情況完全一致。

進水水量為1.1Q～2.0Q時，需要啟動1～2臺泵，完整的啟停順序為：A-AB-B-BC-C-CA等。

進水水量為2.1Q～3.0Q時，啟動2～3臺泵，完整的啟停順序為：AB-ABC-BC-BCA-CA-CAB等。

2 結果與分析

為了更精確地分析不同水位設定方式對水泵啟停的影響，文章分析不同進水方式下的水泵水位振蕩范圍與啟停時間。

3種設定水位下不同進水流量水位振蕩區間如圖4所示。

圖4 3種設定水位下不同進水流量水位振蕩區間

由圖4可知，不同設定水位下，進水流量低于1臺水泵排水量Q時，水位均在同一個位置振蕩；進水流量為1Q～3Q時，第二種方式的振蕩范圍最小，表明調蓄空間有效利用率最低，第一種方式的振蕩范圍最大，但水泵啟停時間與第三種方式不同，無法直接表確定哪種方式更合理。

3種設定水位下不同進水流量時單臺泵啟停時間如圖5～圖7所示。

圖5 第一種設定水位下不同進水流量時單臺泵啟停時間

圖6 第二種設定水位下不同進水流量時單臺泵啟停時間

圖7 第三種設定水位下不同進水流量時單臺泵啟停時間

進水流量為1Q、2Q、3Q時，啟停時間為無限，因此圖中未體現。由圖5～圖7可知，第三種設定水位下，單臺泵啟停時間明顯大于另外兩種設定水位情況，表明第三種設定水位情況下，水泵啟停時間更長，水泵休息更久，排水安全更高；第三種設定水位情況下，水泵啟停最頻繁時進水流量等于0.5Q或1.5Q或2.5Q，時間超過54 min，與其他兩種方式水泵啟停最頻繁時間3～6 min相比，極為安全。

隨著科學技術發展，排水泵站采用自動化運行，控制策略需要更加優化，傳統的第一種控制方式（分水位開啟，同水位停）以及第二種控制方式（分水位開啟，分水位停）在液位計及控制系統不夠智能的情況下產生的，集水池容積足夠大時，安全性可觀，集水池容積不夠大時，安全性極大降低。目前，液位計及控制系統成本低且足夠智能，可以采用第三種控制方式（階梯式開啟，階梯式停），充分利用調蓄池的有效容積，增加水泵啟停間隙，提高水泵運行的安全性，進而提高市政排水管網的運行健康程度。

3 結語

排水泵站自動化啟停一般有3種水位設定方式，分別為不同水位開啟，同水位停；分水位開啟，分水位停；階梯式開啟，階梯式停。單臺水泵調蓄時間6 min、排水體積且進水流量不超過三臺水泵總流量的情況下，三臺水泵輪流啟停并采用第三種設定方式，單臺泵啟停一次時間為54 min，滿足規范要求，安全性極高；同樣情況下采用另外兩種水位設定方式，水泵啟停最頻繁時間為3 min或6 min，低于規范要求，極不安全。考慮水泵自動化啟停時間，第三種方式（階梯式開啟，階梯式停）的水泵啟停最不頻繁，最為安全，建議按第三種方式設定水位。