污水泵站系统的节能机理及控制策略

宗圆

摘 要：为解决城市排水泵站系统中存在的机泵运行效率低、泵水耗能大、综合节电效果差等问题，从对机泵进行调速实现拓宽机泵运行高效区域分析了泵站系统的节能机理，并提出进水池目标水位下，跟踪流量变化进行调速的优化控制方案，在泵站系统无污水溢出情况下，降低了泵站系统的能耗。

关键词：节能机泵控制 优化机理 网络控制 污水泵站

中图分类号：TE08文献标识码： A

污水管网系统的水源来自各类用户废水及部分降水, 受天气、人群行为及管道损漏等复杂因素影响较大, 其流量具有不确定性、非线性和滞后性, 而且又是高能耗系统。 目前污水泵站排水机组的运行控制主要依赖于人工简易值守, 根据人工经验控制机泵的起停、运转及容量切换, 机泵一般处于恒速运行状态, 不能保证电机高效运转, 也不能做到系统流入、泵出流量间平衡, 造成水泵扬程多变, 为了使污水不溢出, 往往将泵站前池( 进水池) 水位打得过低,从而使机组运行在深井泵水状态, 导致排水能耗较高. 针对这些问题, 本文从扬程、效率、能耗等诸多因素及其相互关系着手, 结合泵站的实际情况分析了污水泵站系统的节能机理, 并给出了泵站系统相关节能计算式, 提出了在目标水位下调速跟踪流量运行的高效、节能控制思想及相应的工程控制方案, 以达到系统污水排放耗能最小和污染最少的控制目标. 运行工况及现场试验结果表明, 分析依据可靠,节电效果明显。

1污水泵站系统的节能机理分析

图1 所示为污水泵站系统部分示意图, Qin和Qout 分别表示流入泵站进水池的污水流量和泵机排出的污水流量.

1.1降低扬程，减少排水耗能

泵机排污水耗能与其扬程大小密切相关，扬程越高，利用污水重力压差能力越差，泵机提升等量污水做功越多，耗能也越大。在工况允许条件下应设法减小运行扬程。

1. 1. 1提高泵站进水池运行水位

如图1 所示, 设泵站进水池水位位于B 处, 围堰闸高度h2 , 则水泵泵水实际扬程为H = h1+ hm + h2. 该扬程下, 单位时间内泵机提升污水重力耗能为

式中 S —— 进水池截面积

Q —— 流量（设Qin=Qout=Q，下同）

ρ —— 污水的密度

g —— 重力加速度

H —— 扬程

hm —— 进水池水位A 点到出水池最低出口的高度

如果进水池水位从B 处上涨到A 处，则排水扬程减小h1，由式（1）得单位时间内排水耗能可减少

1. 1. 2协调控制围堰闸高度

当后级泵站排水不畅或流入流量较大时, 排水池口会出现污水水位上升, 从而形成污水倒流的现象, 此时需要提升围堰闸高度以防污水倒流. 假设进水池水位高度保持在A处, 则扬程为hm+ h2 , 由人工简易值守的泵站通常根据经验将围堰闸固定在某个高度, 即h2 保持不变, 不具有实时协调控制功能. 显然, 当流量较小且后级泵站排水合理, 即排水池处不会出现污水回流时, 围堰闸没有必要保持在较高高度, 可调整降低其高度甚至可以降到最低, 以免无效扬程导致耗能增多. 因此, 围堰闸的高度应根据实际流量大小及后级泵站水位状况协调控制( 出水处不出现污水倒流) , 调整后围堰闸的高度与原固定高度h2 相比泵水扬程降低值为h2-h2 , 此时单位时间内泵水耗能减少为

式中 h2′ ——围堰闸协调控制时的相应高度。

1.1.3 避免附加扬程

目前大多数污水泵站泵机仍采用恒速排水方式，会出现不必要的过量排流的情况，即当流入的污水量减小时仍大流量排水，将导致出水池出现污水滞留持续现象，使得出水池水位升高，形成附加扬程h3（见图1），此时若运行T 时间，泵水耗能增加：

式中 S2—— 排水池截面积。采用调速均流排水方式，可减少或避免附加扬程的存在。假设通过以上三种途径使扬程总共减小2m，并取ρ=1.2kg/m3，且忽略式（4）的第一项，则当Q=6000m3/s 时，由式（2）～（4）算得单个泵站每小时可节电140kWh 以上。

图1 污水泵站示意图

1. 2调速及提高机泵工作效率, 减少能耗由图2 所示的轴流泵特性曲线可知, 排水流量在Q= Q0 处效率G达到最大值, 而当Q 偏离Q0 时,G 便迅速下降; 也就是说, 恒速运行时, 机泵的高效流量区是非常有限的, 随着扬程和排水流量的变化,很难保证机泵在高效区运行. 另外, 在恒速运行方式下, 若Qin> Qout 会导致泵水扬程H 增大, 提升等量水消耗的轴功率N 反而快速增大. 要解决这些问题, 就需要对水泵进行调速.

根据轴流泵的相似定律，可以得到机泵调速运行时各参数的相似关系如式（5）

式中 n1，n2——水泵调速前、后的转速。由式（5）知，机泵调速改变运行速度可获得良好节电效果，功率N2 以3 次幂比率减少。水泵运行效率为

式中: K 为常系数. 由式( 5) 及( 6) 可证得, 当转速发生变化时( Q′、H ′、N ′、n′分别为变化后的流量、扬程、功率和转速) , 各个对应点的效率不变, 即

由式( 7) 知, 排水机泵调速控制可使其在高效区运行时, 提高效率、节约能源.依据以上分析，结合相关数据可绘制出水泵调速运行时的Q−N、Q−η曲线如图3（转速n1＜n2＜⋯＜n5）。

图3 水泵调速特性曲线

由图3 知, 调速运行便于实现泵出的污水流量等于流入的污水流量; 同时, 泵机在高效区运行, 即根据流量变化进行调速, 可以使机泵始终保持在高效率区运行, 见图3( b) .

1. 3优化运行机泵组合, 减少能耗

通常每一污水泵站中都配置了多台不同容量的机泵. 由人工经验值守根据当前水位切换组合机组运行很难实现Qout= Qin理想排水组合, 易造成机泵频繁起停, 进而导致耗能增多. 因此, 需要寻找一套优化控制切换方案, 根据泵站当前水位、流量等参数, 优化运行机泵组合, 减少机泵起停频率, 可以进一步减少无效耗能, 即优化运行机组可降低能耗.

2系统控制目标及策略

污水管网泵站排放控制属多目标优化控制系统, 是实现泵水耗能和污水溢出污染概率都最小的双目标控制系统. 若以系统提升每立方米污水平均耗能E 为泵水耗能目标函数, 则其数学表达式为

式中: x 为决策变量( 向量) , m 为开启机泵台数, Ei为第i 台机泵平均耗能, Qi、Hi 为第i 台机泵的流量和扬程. 污水溢出污染概率的目标函数可表示为

式中: h 为泵站的理想设定水位高度, ho为泵站的水位高度变化率. 此时控制系统数学模型可描述为

为使式（10）最小，函数E( x )、p(x)必须取最小值，然而通常很难求出概率函数p(x)最小值，这里采用“主要目标法”将双目标最优化问题转化成单目标E( x )的最优化，即以p(x)≤δ 为约束条件，并使E( x )最小，其中δ 为某一可接受偏移量。于是系统优化模型转化为

由于污水溢出概率p ( x) 跟进水池水位高度密切相关, 只需控制水位高度不超过某一目标水位h0 ( 为D的函数) 即可满足式( 11) 中的概率约束条件. 结合前述节能机理分析, 可得实现式( 11) 所示优化模型的工程简化方案: 在目标水位h0 ( 最佳进水池水位高度) 下, 通过运行机组优化组合及调速实现系统的Qout= Qin排放工况. 在该工况下, 水泵实际扬程维持在一个较小值, 机组运行效率高, 所以节电效果良在一个较小值, 机组运行效率高, 所以节电效果良好; 同时, 由于流入泵站的污水能够被等量的泵出,泵站管网链级效应将不存在, 整个泵站管网系统处于平稳排放状态. 理想情况下, 围堰闸可以滞留在最佳位置, 从而可以实现系统的最佳排水节电运行.

2.1 目标水位 h0 的确定

提高运行水位降低排水实际扬程可以利用污水自身重力有效减少排水耗能，所以给定泵站的目标水位h0 设定值应以高为好，但由于泵站管网水位的抬高降低了管网容纳峰流的能力，将使污水外溢概率变大，因此，h0 高度受系统预测控制精度约束。考虑到系统运行实际，目标水位的具体取值需要经实际运行调试决定。

2.2 实际运行结果

利用上述优化节能控制方案排水, 可获得良好的节电效果. 理论计算和现场运行耗能对照如表1所示.

表1优化控制与常规控制运行耗能对比

结语

污水泵站系统耗能的大小与多个参量有关, 降低机泵运行实际扬程及采用调速均流排放策略可以获得良好的节能效果. 在最佳目标水位下调速跟踪流量运行、实现Qou t= Qin的排污工况, 既能保证污水流量运行、实现Qou t= Qin的排污工况, 既能保证污水不外溢、环境不被污染, 又可以实现系统耗能最小的控制目标. 同时, 智能调速运行方式还可以延长机泵等设备的使用寿命, 降低运行噪声. 排水管网系统的局部泵站运行试验结果表明, 本文的分析结论与实际测试结果基本相符.