小型泵站设计优化技术探讨

俞 冰

(南通和信工程勘测设计院有限公司，江苏 南通 226006)



小型泵站设计优化技术探讨

俞 冰

(南通和信工程勘测设计院有限公司，江苏 南通 226006)

针对当前小型泵站设计中所存在的突出问题展开分析，包括泵房选址、泵房底板配筋的确定、减载与基础简化等方面，文章重点提出了水源水位和流量变化时的优化设计方案，水泵联合工作特性情况及通过切削叶轮和调整转速的方法实现节能改造，以期对类似工程提供指导借鉴。

小型泵站；问题；优化设计；技术

1 现有设计存在的问题

1.1 泵站选址不科学

在进行小型泵站位置选择时，必须综合考虑地形、地质及水流等条件，比较不同方案择优选取，为取水便利，应尽可能靠近河流，为保障施工运行期间的安全，应尽可能远离周边建筑物。但是当前许多泵站选址并不严格按照要求进行，例如南通濠河第二引水泵站选址，原先在北古山位置，靠近临近建筑物，施工难度较大，且留有安全隐患。后来决定将泵站位置改在通扬运河东侧，避免了施工及运行的安全隐患。

1.2 泵房结构

泵房结构方面所存在的问题主要表现在底板配筋过粗、地面以上墙体设计不合理、振冲碎石桩用于基础减载是否科学等方面。

一般情况下，是按照最小配筋率并结合经验进行泵房底板配筋的设计，但是往往忽略了这种做法的前提，即底板厚度应该在适宜范围内，不能随意改变，故而导致实际所设计的厂房底板配筋过粗。

实际工程中，一般是将泵站泵房的墙体从底到顶都用混凝土处理，这种做法既增加了工程造价，又大大降低了实用性和节能，且这种处理方式不适宜南方及小型泵站，应该尽量避免，可以考虑采用厚30cm的加砌块框架结构墙体，既节约了工程投资，又具有减载功能。

1.3 供水量和水源水位设计不符合实际情况

当前无论是小型水泵设计手册还是教科书，都是按照“最高日用水量加上输水管漏损量与构筑物自身耗水量”作为小型泵站的设计流量，并按照“构筑物进口水面与最枯水位净扬程加上输水管的水头损失”确定水泵扬程，这种方法在水源水位与供水量均保持稳定的情况下是正确的，计算结果也是合理的，但是，在工程实际中，供水量与水源水位稳定不变几乎是不可能的，这两个量随着季节的变化每天都发生变化，我国的实际情况是，冬季1-3月多为枯水期，净扬程较大，各种用水量(家庭生活、城市绿化、道路浇洒、工业冷却等)都处于最低谷，所要求的水泵供水量最小；而夏季7-9月的丰水期，净扬程较小，各种用水量都处于最高峰，所要求的水泵供水量最大。所以，水源水位的丰与枯和所要求的供水量之间存在明显的季节差异，不可能保持同步，更不可能同时出现[1]。

可见，在水源水位和供水量不同步且最低水位与最大供水量不可能同时出现的情况下，如果按照上述方法选取水泵则会造成水泵机组、变电设备、泵房等方面的浪费，增加工程投资及后期的变更维护费用。

2 优化设计技术探讨

2.1 水泵联合工作

当小型泵站供水量和水源水位变化时，系统工作所需流量和扬程也都处于动态变化中，而且随着扬程减少及用水量的同步增大，坐标点会沿着弧线DFE移动，当达到平均流量和平均水位，此时会出现弧线与直线纵坐标之差的最大值。因为当扬程(Q)减少及用水量(H)同步增大时，对于任意0<α<1(α为弧线与直线夹角)，扬程和用水量必须满足：

HST=HST1-α(HST1-HST2)

(1)

Q=Qmin+α(Qmax-Qmin)

(2)

当水源水位和水量变动频繁难以确定时，便会出现最不利工况点，所选水泵只要满足最不利工况点的供水要求，就肯定能满足所有点的供水需要。而当水源水位变动幅度远大于输水管水头损失的变动时，必须将系统流量设定在所选水泵高效运作区域内。

如果单台水泵无法满足流量和扬程范围要求，则必须考虑水泵联合工作，水泵联合工作包括并联和串联两种情况，如图1所示。

2.2 水泵叶轮切削处理

当工作水泵的数量与输水管道数量相同时，应该按照流量为50%的单台水泵分析叶轮直径。一般水泵叶轮直径为350mm，冬季供水需要的叶轮直径为320mm，而夏季供水需要的叶轮直径为327mm，为保证供水安全，必须对水泵叶轮做切削处理，保证切削后叶轮直径为330mm，切削后，既能满足供水安全要求，又能大大降低水泵轴功率[2]。

除了通过水泵叶轮切削处理进行节能改造之外，还可以通过改变转速的方法，但是改变转速不能超出水泵有效调速范围，必须以有效调速范围的临界值作为节能改造的依据，以保证水泵正常高校运行。

图1 水泵联合工作特性情况示意图

2.3 泵房底板配筋的合理确定

对于跨度为6-7m底板，h0=0.6-0.7m(h0为板厚)，在此情况下，根据荷载和弯矩求出配筋面积，此时应为适宜板厚，如果所求得的配筋面积小于最小配筋率配筋面积，则说明板厚过厚，必须减小h0，详见表1。

表1 小型泵站底板不同板厚配筋计算表

表1表明，在板厚为150cm时，根据弯矩所求得的纵横断面钢筋面积分别为9.6和8.5cm2，与用最小配筋率计算的配筋面积21.5cm2相差甚远，说明原设计底板过厚；而当板厚为80cm时，所求得的纵横断面钢筋面积分别为17.2和14.2cm2，比用最小配筋率计算的配筋面积10.5cm2稍大，说明板厚接近合理。当板厚进一步减薄时，所求得的纵横断面钢筋面积分别为11.5和9.4cm2，非常接近最小配筋率10.5cm2，此时的板厚为0.7m。

3 结 论

综上所述，在所存在的问题中，最为突出的且最影响泵站性能的是当前小型泵站设计中水源水位和供水量均与实际不符，所设计的泵站都无法满足实际需要，从而造成水泵机组、变电设备、泵房基建设施等方面的资金浪费，并使得后期折旧和运行费用大大增加。在进行小型泵站优化设计时，必须区分夏季和冬季两种情况分别进行，因为夏季和冬季在用水量、水位、水源设计、泵房底板厚度等方面都略有不同，并根据用水量和水源水位等情况确定出系统关键“需求点”，并按照该“需求点”的要求在水泵高效区域内选择既能满足“需求点”，又能保证水泵扬程剩余值越小的最佳点。根据经验判断，在最佳“需求点”时，水位必须是最低水位，流量必须是最大流量。

[1]许勇，李刚，李元璞.小型泵站设计优化技术[J].黑龙江水利科技，2011(02)：152-153.

[2]王卓颖，吴恩赐，郭德若.预制泵站在中小型泵站应用中的优化研究[J].中国给水排水，2010(22)：231-233.

1007-7596(2017)02-0089-03

2017-02-16

俞冰(1968-)，男，江苏南通人，工程师。

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