增壓泵站工程節能優化設計策略

張 馳

（福州城建設計研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

城市供水的增壓泵站水泵機組負載主要以電機為主，若泵站的水泵工作效率較高，則可以減少電力消耗。由于前期規劃原因，泵站水泵因供水量與水泵額定流量不匹配，水泵輸出功率較小，經常處于低效區域；其次，泵站運行模式不科學、不合理也會導致泵站運行效率低下。

泵站水泵工作中巨大的電力損耗原因有兩個：一是水泵的使用調整不當。主要是指在水泵運轉時，為了使水泵的出水量能與外部環境的需求相匹配，需調節水泵的轉速和流量[1]。二是水泵的配套電機選用不當，導致了大馬拖小車。因此，本文將結合實際工程案例，對增壓泵站工程建設過程中的設備選型配置和結構優化設計進行介紹。

1 增壓泵站工程概況

福州市晉安區楊廷村泉頭片區位于晉安區山北路南側，北向二通道東側，該片區地形標高起伏很大，標高在58～90m左右，共有4個地區共計5個擬新建住宅小區以及1座養老院需申請用水，地塊地勢西低東高，東側及南側環山，北側為楊廷水庫。

泉頭片區目前屬于新店泵站供水范圍，新店片區年平均日供水量約5.4萬m3/d。根據現場實測，泉頭地塊附近絕對水壓約為0.53MPa。而綠城柳岸曉風地塊標高58.35～63.65m，龍湖璟宸苑地塊標高61.30～72.00m，世貿云圖一期地塊標高69.15～72.55m，世貿云圖二期地塊標高79.65～86.45m，保利熙悅府地塊標高69.50～96.10m。目前依靠市政壓力自來水無法供至5個項目地塊。

由于新店高區增壓泵站出廠水壓力不足，無法供至泉頭片區綠城柳岸曉風、龍湖璟宸苑、世貿云圖一期、世貿云圖二期、保利熙悅府地塊，故在晉安區綠城柳岸曉風地塊西北側綠地建設泉頭增壓泵站（見圖1），泵站供水規模6000m3/d，使其作為新店高區供水后二次加壓泵站，主要為泉頭片區上述5個地塊共計6422戶住戶供水。

圖1 泉頭泵站區位示意圖

總體布局的主要思路是：根據現場實際情況，在滿足各種功能需求的同時，盡可能做到美觀、經濟、節約用地、節約投資（見圖2）。考慮到供水片區內各地塊高程相差較大，故泵站采用高低區兩套機組供水，綠城柳岸曉風、龍湖璟宸苑、世茂云圖一期為低區增壓泵供水；世貿云圖二期、保利熙悅府為高區增壓泵供水。低區供水總量為2709m3/d；高區的供水量為3288.7m3/d。

圖2 泵站平面布置圖

在泵站建成后投入實際運行時，綠城柳岸曉風、世茂云圖一期已售出約50%，入住率均不足15%，其余三個地塊尚未交房，低區用戶用水量極小，造成泉頭增壓泵站低區水泵出水流量較小，水泵運行效率低下。根據泵站運行報表，21∶00～次日07∶00流量區間大部分在11～13m3/h，07∶00～21∶00流量區間大部分在12～18m3/h。當出現小區生活水箱補水時，泵站流量范圍在50m3/h左右，極個別時間點（如在2022年1月3日18∶15）出現流量極值為118m3/h，持續時間約2min。

目前在鵝峰片區（山北路以北、楊廷路以東）有中加學校、楊廷村、三盛國際劍橋區、鵝峰村、三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區、崇福寺、新嘉小區、人才公寓二期、華僑產業園、五四北嶺下公租房、人才公寓一期。該片區現狀由新店高區供水，新店高區供水壓力不足以供至三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區、崇福寺，在鵝峰村現狀有1座80t中繼增壓泵站，用于供給三盛拾光里、武警森林總隊、警森苑、安妮女王小區、崇福寺用水，通過鵝峰片區2021年全年用水量統計可得，該片區全年平均日用水量為2105.6m3/d，日變化系數取1.1，可得該片區最高日用水量為2316.2m3/d，取2316m3/d。

由于近期泉頭片區小區入住率較低，用水量少，導致泉頭增壓泵站低區水泵供水規模遠低于設計值，造成水泵效率低下；高區水泵閑置。為解決這一問題，結合現狀供水存在的問題，考慮將鵝峰片區用戶納入泉頭泵站低區供水范圍（見圖3），鑒于目前三盛拾光里、森林消防總隊、警森苑水量、水壓不足，改由泉頭增壓泵站供水后可解決供水不足問題，同時泉頭增壓泵站低區水泵供水量加大，水泵得以高效運行，可謂一舉兩得[2]。

圖3 泵站供水區域示意圖

2 增壓泵站的設計要點

2.1 結構設計

按照國家相關的結構設計標準和規定，建筑結構的耐久性設計標準為：設計基準期50年，設計壽命50年。建筑工程的環境分類：地下和暴露的混凝土屬于二級甲類，其他為一級類；儲水構筑物的環境分類屬于二級B類（考慮到防腐蝕設計，符合《給水排水工程構筑物結構設計規范》），地基基礎設計等級為丙級；抗震設防烈度為7度，基礎地震加速度為0.10g，地震動響應頻譜特性周期為0.45s，按3組劃分。

該增壓泵的結構由泵室和清洗槽組成。泵站采用全埋地池結構，配電室采用地上單層鋼筋混凝土框架結構。泵房地基深度較大，已經達到了持力層，配電室為獨立的鋼筋混凝土地基，地基下沉到持力層[3]。該清水池是一種完全埋入地下的鋼筋混凝土池，其地基深度已經達到了持力層。所用的鋼筋為HRB400，其強度為360N/mm2，所有構（建）筑物的水泥用P·O42.5級水泥。C30級鋼筋混凝土，C20級襯砌混凝土；房屋樓板和水池的防滲等級都是P8；對于鋼材，選用Q235鋼；E50是焊條中除了HRB335外，其他焊條均為E43。所有裸露的鋼材都要涂上防腐蝕涂層。普通的蓄水結構在其迎面用1∶2防水的水泥砂漿粉20mm或聚合物水泥灰漿；外墻地板下面用高分子水泥砂漿；外壁上部用1∶2水泥砂漿20mm厚。

2.2 電氣設計

該項目的電氣設計范圍為：泵站變電站的電氣設計，以10kV高壓進線柜的電源入戶電纜端部為界。電纜端頭和電纜端頭以上（含10kV高壓電纜）屬于供電外線項目，由業主自行設計；電纜端頭以下的部位屬于本工程的設計范疇。

根據負載的重要程度，以及對電力系統的破壞或影響，將該項目的電力負荷劃分為第二級。該項目的電力等級為2級，采用10kV線路供電，配有一臺柴油機作為后備電源；根據二次負載的供電需求，本項目的電力供應必須采用雙回供電；采用10kV線路供電，配有一臺柴油機作為后備電源；每個電源都能承受100%的負載。該項目的增壓泵站需要向電力公司申請1回路10kV的電源，電力線將由電纜鋪設。

10kV輸電系統采用線路變壓器組接線，進線配有高電壓負載的開關柜，并用真空負載開關-保險絲相結合的電氣設備進行安全防護。在電力斷電情況下，可以實現手動起動柴油發電機并投入使用。15kW以上的電動機全部采用軟啟動，其他低功耗設備全部按全壓起動，只有工藝操作需要調速的設備采用變頻控制。低壓開關柜啟動時的匯流電壓不小于技術指標[4]。

電氣設備可在現場控制柜箱及機邊按鈕箱上操作，實現了微機自動化控制和人工操作兩方面的要求。電氣照明主要采用普通照明，部分采用混合照明。除了常規的工作燈光以外，在變電所和控制室都有備用的燈光。

2.3 抗震設計

在地震防護措施的選取上，采用內徑60mm以上的電力管道和重力不低于150N/m的電纜橋架，并對母線進行抗震加固。緊急照明和有關人員撤離的設施必須在附近安裝緊急電力設施。配電房、控制室等應設于地震作用下位移不大的地方。

變壓器安裝完畢后，必須進行可靠的焊接，并將內圈與變壓器外殼的支撐結構緊密連接；變壓器的支撐表面要加寬，并有一個限位裝置，以阻止它的運動和傾覆；為插入和接收柔性導線預留了一定的位移空間。

蓄電池必須安裝在防震支架上，電池之間的導線要用軟導體，端子電池要用電纜做引線，當蓄電池的重心比較高時，要采取防傾覆的措施。

配電柜（柜）、通訊設備的安裝螺栓或焊接強度要符合地震規定，柜體的底板要牢固，底部的螺栓或焊接強度不足時，要把頂板與墻面相結合，如果柜體不是緊貼墻面，則要用金屬膨脹螺栓或焊接等方法進行固定。

電力線路不能跨越防震縫，如果不得不通過時，要盡量接近建筑物的下部，并在防震縫的兩邊分別設置一根軟管接頭。電纜橋架、母線槽在地震縫的兩邊都要有伸縮節，在抗震接頭的兩端要有抗震支承節點，并且要與結構牢固地聯接。電纜采用金屬導管、剛性塑料導管、電纜梯架、電纜槽箱等電纜時，必須采用剛性支架，不宜采用懸掛式[5]。

2.4 自動控制系統設計

增壓泵站的自動化設計原理是：按工藝和設備的操作需要，配置液位、流量、水質分析等儀器，并設有現場控制臺和控制中心（設在東區水廠的中控室），實現設備狀態信號和數據的采集、傳輸、顯示和控制。整個系統采取了集中式、分布式、現場控制、分布式智能監控方式，控制層次從高到低分別是：就地控制、中央控制。采用租用數字線路與東城區自來水廠的中央控制室相連，利用以太網與現場控制臺構成SCADA監測系統，對整個泵站進行實時監測，并對設備進行管理。根據工藝結構、工藝設備的布局，在各個控制臺上設有一個人機界面-觸摸屏，能對各個工藝裝置的運行狀態、水質信號進行實時的顯示[6]。

3 結束語

通過實際工程案例，分析了增壓泵工程的設計要點。在設計過程中，尤其要做好以下幾方面優化設計，以有效控制泵站系統能耗：

（1）根據工程的實際情況，選擇合適的泵站負載設備是整個系統能耗控制的基礎；

（2）采用變頻調速、軟啟動，對供水系統進行穩壓調整，節能效果明顯；

（3）根據片區現狀實際需水量，選擇合適的供水范圍，有助于提高水泵工作效率，減少電力消耗。