基于SMART原則的超大型城市排水泵站調研評估與分析

朱 潔,應 費,季敏捷,生 駿,龔曉露,馬捷汀

(1.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司,上海 200092;2.上海市城市排水有限公司,上海 200233)

排水泵站是承擔區域性的防汛和污水轉輸的重要基礎設施,作為民生保障措施,對保障城市防汛安全、提高人民生活質量、改善投資環境等起了積極的作用。

上海的排水設施興建年代較早,最早的泵站建于20世紀50年代。截至2020年12月底,上海市排水公司管理的市屬排水泵站共有314座,總泵排流量為2 766.34 m3/s,其中污水泵站共137座,泵排流量為548.13 m3/s,防汛泵站共177座,泵排流量為2 218.21 m3/s。

排水泵站在運行初期能較好地滿足當時條件下的排水要求,但是面對當前的新形勢、新要求,市屬排水泵站的一些不足之處也顯露出來,如泵站機電設備效率低能耗高、自動化水平較低、泵站建設標準較低、安全設施不全、整體風貌與周邊不協調等。為保證和維持排水泵站能力的發揮,會定期對泵站設備等進行維護保養,但由于泵站數量巨大,評判具體某座泵站的維修必要性和優先級是排水泵站管理單位急需解決的問題。為實現城市排水系統精細化、科學化、智能化管理,確保新形勢下上海的城市發展需求,急需對314座泵站的現狀進行評估和分析,根據實際情況確定泵站大修的優先級。

目前,文獻記載的國內對泵站和市政排水設施進行評估研究的方法包括模糊層次分析法和質量綜合評估法。楊露[1]使用模糊層次分析法建立了排水泵站老化評估模型,該方法采用4個主要評估指標,包括綜合管理、機電設備、建構筑物和金屬結構,結合排水泵站實際情況,4個評估指標下又細分為110個評估子項,確定每一個評估子項的權重并進行評分,然后通過加權平均得到泵站老化情況的評分。臧文斌等[2]以雨水市政排水設施現場勘查情況等可靠數據為真值,結合影響管網排水的關鍵因素,采用質量綜合評估法從資料完整度和準確性兩方面評估雨水排水設施現狀。

SMART原則[S=Specific(具體的)、M=Measurable(可衡量的)、A=Attainable(可實現的)、R=Relevant(相關的)、T=Time-based(有時限的)]是用于目標管理和考核的經典方法,與模糊層次分析法和質量綜合評估法類似,都是通過確定評價因子和因子權重,對評價因子賦予分值后進行加權平均,得到綜合評分。本文為首次基于SMART原則對314座上海市屬排水泵站進行調研評估與定量分析,根據評估結果確定泵站大修的優先級,為編制上海市屬排水泵站大修十四五規劃提供規劃依據。

1 評估方法

首先,分析影響泵站安全運行的因素,包括泵站使用年限、主要設備使用年限和性能、建筑結構安全狀況等,明確影響泵站安全運行的主要因素及其影響程度所占比例,從而確定評價因子和因子權重;然后,根據排水泵站現狀設施實際狀況對每座泵站的評價因子賦予不同的分值;最后,應用基于SMART原則的“綜合評價體系”(因子加權打分法),得到泵站最終評分。

1.1 確定評價因子和因子權重

排水泵站劃分為雨水泵站、污水泵站以及合流泵站,排水泵站內主要建構筑物包括進水閘門井、格柵井、泵房、出水閘門井、變配電間和管理用房等,防汛泵站還有回籠水設施和截流設施等。參考《大型泵站設備設施運行標準》(DG/TJ 08-2045—2022)、《泵站安全鑒定規程》(SL 316—2015)和《上海市城鎮公共排水泵站檢查內容及評分標準》,綜合考慮后,最終確定評價因子為:建設年代、泵站規模、運行情況、機械設備(機械設備維修情況和水泵運行效率)、電氣及自控系統、建筑結構、安全和標準化以及周邊環境敏感度。

1.1.1 建設年代

泵房是泵站的主體構(建)筑物之一,構(建)筑物的結構安全是泵站安全運行的基礎。二十世紀七八十年代以前建造的泵站,上部結構多為磚混或框架結構,下部多為水工鋼筋混凝土結構。由于建設年代較久和地面沉降等原因,主體結構可能會出現裂縫、缺損、滲漏、變形等外觀缺陷,砼表面可能會出現無蜂窩、麻面、露筋等缺陷等,需做裂縫修補、防腐或加固。

1.1.2 泵站規模

泵站按照規模可分為大型、中型和小型泵站,泵站規模越大,其服務范圍越大,承擔的區域安全排水的責任越重,因而重要性越大。

1.1.3 泵站設備運行情況

排水泵站的機械設備主要包括閘門、格柵、螺旋壓榨輸送機、水泵和拍門、起吊設備和垃圾清撈攔截系統等。泵站的核心部分是水泵,污水通過水泵提升后排入下游管網。水泵是泵站機電設備中最為重要的設備,是發揮泵站排水功能的重要保障。泵站投入使用后,在長期的運行中,機電部件出現老化,機組故障時有發生,備品備件不易取得,維修周期長、費用高等,影響了泵站的排水能力和安全運行。

水泵的效率是水泵的重要技術經濟指標,是指水泵的有效功率與軸功率之比的百分數,它標志著水泵能量轉換的有效程度,可以衡量水泵性能。

水流的沖刷使得水泵流道內壁和葉輪過水面變得粗糙不平,水泵內流道的摩阻系數增大,水頭損失增加,導致水力效率降低。泵殼內嚴重積垢或腐蝕,水泵加工工藝造成的鑄造缺陷、汽蝕、磨蝕、腐蝕和化學浸蝕等原因造成泵流道內產生空洞或裂縫,水流動時產生漩渦而造成能量損失,葉輪表面的氣蝕,機械磨損產生漏失和阻力增大等,都會導致容積效率和水力效率降低[3-5]。

1.1.4 電氣及自控系統

排水泵站電氣設備包括變配電設施、水泵電機、控制柜和照明系統等,電氣設備確保泵站內用電安全以及機電設備的正常運轉,在泵站運行中具有不可或缺的作用。經過多年運行,泵站設施老化、泵站中電氣設備的安全性及穩定性下降,多數設備的絕緣性能及可靠性能不足、電線電纜使用時間過長,安全隱患較多,不利于整個泵站系統的安全運行。

泵站宜按“少人值守,數據遠傳”的控制原則設置自動化控制系統,有條件的泵站可按照全自動控制的方式考慮,所有工藝設備實現遠程監控,可做到正常運行時現場無人值守,有人值守時通過計算機或觸屏操控。自控系統是泵站內設備安全運行的保障,也是自動化運行、遠程監控的重要手段[6]。

1.1.5 建筑和結構安全

二十世紀七八十年代的泵站建筑大多都是平頂,由于結構沉降不均和屋面防水材料的使用年限等各種原因,雨水滲漏問題嚴重,而且保溫性能也不好,冬冷夏熱。因此,后期改造都要求建筑屋頂平改坡。此外,泵站建筑風格應和周圍環境相協調,宜形式簡潔、色彩明快、具有現代美感。

1.1.6 周邊環境敏感度

上海城區分為內環、中環、外環和郊環,對應的人口密度和建筑密度依次下降。人口密度越大,建筑密度越高,區域排水安全敏感度越高,排水泵站故障造成的區域排水除澇風險越高。因此,按照內環內、內中環間、中外環間、外郊環間和郊環外,將泵站所在的位置進行劃分,位于內環內的泵站對周邊環境影響大,因子賦予的分值越低,中環地區的泵站對周邊環境影響較大,因子賦予的分值較低,依次類推,郊環外對周邊環境影響最小,因子賦予的分值最高。

根據現有泵站運行規程和標準,同時結合泵站運行單位的經驗,根據各個因子在實際運行中的重要性確定權重系數如表1所示。

表1 評價因子及權重Tab.1 Evaluation Factor and Weight

1.2 確定因子評分規則

各因子評分為1～5分,分數越低表明泵站情況越差,需要大修的迫切性越高(表2)。

表2 泵站大修評價-單因子評分表Tab.2 Evaluation of Pumping Station Overhaul-Single Factor Rating Scale

泵站建設年代越早,泵站構建筑物老化越嚴重,大修迫切性越高,因此,建筑年代越早,評分越低。泵站規模越大,服務范圍越大,泵站排水安全影響的區域越大,泵站重要性越大,因此,泵站規模越大,大修的迫切性越高,評分越低。泵站運行過程中,設備故障率越高,大修迫切性越高,因此,評分越低。

水泵效率越低,污水實際輸送量與設計輸送量的比值越低,即能耗不變的情況下,水泵輸送相同規模的雨污水所需的能耗越高。因此,水泵運行效率越低,評分越低。

根據《泵站更新改造技術規范》(GB/T 50510—2009),更新改造是指泵站因原規劃設計所依據的基本情況改變、工程設施設備老化或損壞等,對機電設備進行的更新或技術改造,建筑物的除險加固或工程的配套、拆除重建等所進行的技術性活動。因此,機電設備和建筑結構等設備設施更新改造次數越少,評分越低。

按照內環內、內中環間、中外環間、外郊環間和郊環外,將泵站所在的位置進行劃分,位于內環內的泵站對周邊環境大,因子賦予的分值越低。

根據每個泵站的實際情況,對每個泵站進行各項因子打分,各個因子得分乘以因子權重,加權計算后得到每個泵站評分。評分越低,大修的迫切性越高。

2 泵站現狀評估

2.1 建設年代

137座污水泵站中,78座泵站建于2000年以前,59座泵站建于2000年以后。177座防汛泵站中,74座泵站建于2000年以前,103座泵站建于2000年以后(圖1)。

圖1 泵站建設年代分析Fig.1 Analysis of Pumping Station Construction Time

排水泵站設備設施與排水泵站同時投入使用,根據《泵站安全鑒定規程》(SL 316—2015),泵站投入運行25年后,主機組及主要電機設備已經歷多次大修,開始進入老化期。美國、加拿大、日本等國的調查和統計說明,服役期限為10～20年的電動機,絕緣故障顯著上升,許多絕緣故障與老化一起發生,降低可靠性,并導致強迫停機,增加維修工作量和修理費用。排水泵站中其他機電設備和電氣設備均有一定的使用年限,一般設備使用超過20年,認為開始出現安全問題,需要及時更換設備。

根據運營單位相關的泵站運行經驗,污水泵站運行超過20年,設施設備性能急劇下降,產生較多問題,如水泵效率降低造成泵站排水能力不足、水泵電機振動現象越發嚴重、閘門啟閉困難等,使泵站管理難度大大增加,給泵站運行帶來安全隱患。我國20世紀80年代以前的泵站由于歷史的原因,質量普遍較差,機電設備老化嚴重。至今已運行25年以上,應根據相關設計要求進行大修。20世紀80年代及以后所建設的泵站,建筑物和機電設備質量相對要好得多,但泵站運行20年及以上,大部分的設備已達到或超過使用年限,構(建)筑物也有不同程度的老化或損壞,維修頻率加快,維修費用逐年增加。從泵站安全、高效運行和經濟角度考慮,由于污水泵站連續運轉,對設備投入運行15年,構筑物使用達到20年以上的泵站進行大修是比較合適的[5]。

2.2 泵站規模

137座污水泵站中,泵排流量最小值為0.07 m3/s,泵排流量最大值為65 m3/s。177座防汛泵站中,泵排流量最小值為0.96 m3/s,泵排流量最大值為34.2 m3/s。泵站規模分析如圖2所示。

注:Q為流量。圖2 泵站規模分析Fig.2 Analysis of Pumping Station Capacity

根據《城市排水泵站設計規程》,排水泵站根據規模分為4級。1級為特大泵站:雨水泵站設計流量>25 m3/s,污水泵站、合流泵站設計流量>8 m3/s。2級為大型泵站:雨水泵站設計流量為15～25 m3/s,污水泵站、合流泵站設計流量為3～8 m3/s。3級為中型泵站:雨水泵站設計流量為5～15 m3/s,污水泵站、合流泵站設計流量為1～3 m3/s。4級為小型泵站:雨水泵站設計流量<5 m3/s,污水泵站、合流泵站設計流量<1 m3/s。

由上文可知,約92%的污水泵站規模<8 m3/s,約8%的污水泵站屬于特大泵站。約14%的防汛泵站屬于小型泵站,約57%的防汛泵站屬于中型泵站,約29%的防汛泵站屬于大型和特大型泵站。污水泵站由小到大分為局部泵站、中途泵站和總泵站,將污水逐級輸送至污水處理廠。防汛泵站越大,區域的排水需求越大。

2.3 水泵運行效率

水泵的效率是水泵的有效功率與軸功率之比的百分數,水泵軸功率即水泵輸入功率,是動力機通過傳動設備輸送給泵軸的功率。水泵有效功率即水泵輸出功率,即水泵內水流所得到的功率。一般水泵的效率需要通過第三方專業鑒定機構進行測定,實際操作較為耗時,為了考察水泵的運行效率,本文用水泵的實際輸送量與設計輸送量的比值,即水泵的輸送效率來表征水泵的運行效率,結果如圖3所示。

圖3 水泵輸送效率分析Fig.3 Analysis of Pump Transport Efficiency

由圖3可知,大部分水泵的輸送效率在60%～85%,其中水泵輸送效率在80%以上的大部分為較新安裝的水泵。運行過程中水泵性能會變差,通常會降低2%～5%,嚴重的會降低10%以上。這是因為水流的沖刷會使水泵流道內壁和葉輪過水面變得粗糙不平,水泵內流道的摩阻系數增大;水泵泵殼內的積垢和腐蝕也會增加水頭損失;在電化學腐蝕作用下,水泵葉輪表面的氣蝕嚴重,也會增加機械磨損,這些都會降低水泵的運行效率[7]。此外,水泵加工工藝差異、水泵材質差異,還有運行條件和運行時間差異等因素最終造成水泵輸送能力下降程度有差異。

2.4 泵站設施更新改造情況

314座泵站中,已進行機械設備改造的泵站有217座,已進行電氣自控改造的有202座,已進行除臭系統改造的有121座,已進行建筑結構維修的有154座,另有11座泵站尚未進行過任何改造。

排水泵站中設備設施都需要定期維護和檢修,根據《大型泵站設備設施運行標準》(DG/TJ 08-2045—2022),干式離心泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達 4 000 h或距上次檢修已36個月;干式軸流泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達 3 000 h或距上次檢修已 48 個月;潛水離心泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達 4 000 h或距上次檢修已 12 個月;潛水軸流泵的定期檢修間隔時間為水泵累計運行達 3 000 h或距上次檢修已 18 個月;水泵定期檢修時將水泵全部解體。但隨著設備設施的老化程度不斷加深,其維修費用也相應增加,降低了其維護和修理的效益。考慮到維修費用和經濟效益,一般認為設施設備維修費用超過同一時期同等產品價格的40%,就需要對設施設備進行更換。

2.5 泵站周邊環境敏感度

314座泵站中,位于內環的有59座,中環99座,外環100座,郊環46座,郊環外10座(圖4)。泵站位置越靠近市中心,住宅及人口密度越大,周邊環境敏感度越高,泵站大修的緊迫性越強。

圖4 泵站地理位置分布統計Fig.4 Distribution Statistics of Pumping Station Geographical Location

上海城區分為內環、中環、外環和郊環,內環人口密度和建筑密度最大,郊環及郊環外建筑和人口密度都相對較低。內環和中環是城市的中心,區域排水安全敏感度較高,排水泵站故障造成的區域排水除澇風險較高,排水泵站的重要性越大。因此,按照泵站所在的位置進行劃分,確定泵站的周邊環境敏感度,位于內環的泵站環境敏感度高,泵站大修迫切性評分越低。

3 泵站評估結果

對137座污水泵站和177座防汛泵站按照SMART原則進行綜合打分,最終評分結果如圖5所示。

圖5 泵站評分結果Fig.5 Scoring Results of Pumping Stations

根據評分結果,將泵站大修級別分為5級,按照緊急程度依次為“特別緊急”“緊急”“較緊急”“一般”和“良好”(表3)。

表3 泵站大修評價結論Tab.3 Evaluation Conclusions of Pump Station Overhaul

由上文可知,144座污水泵站中,65座污水泵站評分結果集中在0～4分。屬于“特別緊急”待修的泵站有28座,屬于“緊急”待修的泵站有10座,“較緊急”的15座,“一般”的12座,“良好”的72座。177座防汛泵站中,17座防汛泵站評分結果主要集中在1～3分。屬于“特別緊急”的泵站有6座,屬于“緊急”的泵站有11座,“較緊急”的6座,“一般”的4座,“良好”的150座,其中評價結論良好的泵站絕大多數均為2000年以后建設的泵站。按照泵站打分結果作為泵站大修優先級的排序,為制定“十四五”泵站大修規劃提供規劃依據。

4 結論

排水泵站是承擔區域性的防汛和污水轉輸的重要基礎設施,為實現城市排水系統精細化、科學化、智能化管理,確保新形勢下上海的城市發展需求,應用基于SMART原則的“綜合評價體系”對上海市屬314座排水泵站進行評估,結果如下。

(1)建設年代、泵站規模、運行情況、機械設備(機械設備維修情況和水泵運行效率)、電氣及自控系統、建筑結構、安全和標準化以及周邊環境敏感度是影響泵站安全運行的重要因素,其中機械設備的維修和運行情況直接關系泵站的排水效能,權重最高。

(2)建設年代越久,泵站規模越大,設備故障率越高,更新改造次數越少,周邊環境敏感度越高,泵站因子評分越低。

(3)根據泵站的運行狀況和設施情況對各因子進行打分,最后將各個泵站的各因子評分進行加權平均得到最終評分,將打分從低到高排序,作為泵站大修優先級的排序,為制定“十四五”泵站大修規劃提供規劃依據。