市政排水泵站启停水位研究

曹 钰

（中石化广州工程有限公司，广东广州 510000）

随着我国经济发展，居民对城市环境的质量要求越来越高，市政排水管网对城市水环境起重要作用。排水泵站是市政排水管网的重要节点，对排水管网的正常运行具有十分重要的意义。文章从排水泵站自动化启停水位进行分析，确定最佳运行策略，提高排水泵站的运行稳定性，提高市政排水管网的运行健康程度。

1 三种不同水位设定方式及运行结果

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。排水泵站需要常年运行，一般采用设定水位后自动化运行的方式，重要泵站在自动运行的同时需要安排人员值班，其水位设定策略非常重要。分析泵站自动化运行情况，一般采用液位浮球阀、液位计等设定水位，随着泵站水量增加，液位逐渐上升，达到设定水位时，浮球阀或液位计发送电信号至PLC集成控制系统，系统操作水泵运行。水泵运行一段时间，水位可能上升或下降至下一个设定水位，浮球阀或液位计发送另一个信号至PLC集成控制系统，进行下一步操作。随着技术的发展，液位计浮球阀的造价大幅下降，精度逐渐提高，控制系统足够智能，在此基础上深入研究设定不同启停水位的策略对水泵运行的影响。根据规范及以往工程案例，泵站集水池水位的设定主要具有3种方式[1]。根据《室外排水设计标准》（GB 50014—2021）[2]，污水泵站集水池容积不应小于最大水泵的5 min流量，水泵机组每小时开动水泵不宜超过6次。

假定污水泵站共3台水泵，使用两台，1台为备用，每台水泵流量扬程均相同，为Q，进水流量按水泵排水能力分为0.1Q～3.0Q（设计时，2Q为实际最大流量，为方便分析，将3Q流量作为最大值）。根据常用的水泵运行方式，先开先停，后开后停，按照3种集水池设定水位进行模拟，可以得出不同工况下每台水泵的启停时间[3-4]。以某项目实际情况为例，项目污水提升泵站规模为15 000 m3/d，2用1备，单泵流量400 m3/h，集水池容积33.9 m3。进水管DN800，设计充满度0.7。

1.2 第一种方式：分水位开启，同水位停

泵站集水池第一种设定水位如图1所示。

图1 泵站集水池第一种设定水位

进水管充满一半时启动第一台水泵，达到进水管充满度时启动第二台水泵，水位到管顶+0.1 m时启动第三台水泵，所有停泵水位均为最低有效水位[5]。轮流启动水泵能够得出每台泵启停时间。

进水水量为0.1Q～1.0Q时，启动一台水泵，停泵休息，下次启动另一台水泵，完整的启停顺序为A（A泵启动）-T（停）-B（B泵启动）-T（停）-C（C泵启动）-T（停）等。

进水水量为1.1Q～2.0Q时，启动1～2台泵，停泵休息，下次轮换启动，完整的启停顺序为A-AB-TC-CA-T-B-BC-T等。

进水水量为2.1Q～3.0Q时，启动1～3泵，停泵休息，下次轮换启动，完整的启停顺序为：A-ABABC-T-B-BC-BCA-T-C-CA-CAB-T等。

第一种设定水位下进水流量小于Q时单台泵启停时间如表1所示。第一种设定水位下进水流量为1Q～2Q时单台泵启停时间如表2所示。第一种设定水位下进水流量2Q～3Q时单台泵启停时间如表3所示。

表1 第一种设定水位下进水流量小于Q时单台泵启停时间

表2 第一种设定水位下进水流量为1Q～2Q时单台泵启停时间

表3 第一种设定水位下进水流量2Q～3Q时单台泵启停时间

由表1～表3可知，进水水量越大，水泵启停次数越频繁，进水水量恰好等于出水水量（进水量等于一台水泵流量或两台水泵流量或三台水泵流量）时达到平衡，但平衡不持久；进水量越小，启停次数越少，水泵越安全；进水量超过2.2Q时，每小时水泵启停次数大于6次，极度不安全。

1.3 第二种方式：分水位开启，分水位停

泵站集水池第二种设定水位如图2所示。

图2 泵站集水池第二种设定水位

进水管充满度一半时启动第一台水泵，关停第二台水泵；进水管充满度时启动第二台水泵，关停第三台水泵；水位到管顶+0.1 m时启动第三台水泵。最低有效水位是第一台水泵的停泵水位。结合轮流启动，可以得出每台泵启停时间。台泵启停时间的计算与第一种方式相同。

进水水量为0.1Q～1.0Q时，只需启动一台水泵，停泵休息，下次启动另一台水泵，依次循环，与第一种方式启停水泵的情况完全一致。

进水水量为1.1Q～2.0Q时，需要启动1～2台泵，完整的启停顺序为：A-AB-B-BC-C-CA等。

进水水量为2.1Q～3.0Q时，启动2～3台泵，完整的启停顺序为：AB-ABC-BC-BCA-CA-CAB等。

1.4 第三种方式：阶梯式开启，阶梯式停

泵站集水池第三种设定水位如图3所示。

图3 泵站集水池第三种设定水位

进水管充满度一半时启动第一台水泵，关停第二台水泵；达到进水管充满度时启动第二台水泵，关停第三台水泵；水位到管顶+0.1 m时启动第三台水泵[6]。最低有效水位是第一台水泵的停泵水位。结合轮流启动，可以得出每台泵启停时间。台泵启停时间的计算与第一种方式相同。

进水水量为0.1Q～1.0Q时，只需启动一台水泵，停泵休息，下次启动另一台水泵，依次循环，与第一种及第二种方式启停水泵的情况完全一致。

进水水量为1.1Q～2.0Q时，需要启动1～2台泵，完整的启停顺序为：A-AB-B-BC-C-CA等。

进水水量为2.1Q～3.0Q时，启动2～3台泵，完整的启停顺序为：AB-ABC-BC-BCA-CA-CAB等。

2 结果与分析

为了更精确地分析不同水位设定方式对水泵启停的影响，文章分析不同进水方式下的水泵水位振荡范围与启停时间。

3种设定水位下不同进水流量水位振荡区间如图4所示。

图4 3种设定水位下不同进水流量水位振荡区间

由图4可知，不同设定水位下，进水流量低于1台水泵排水量Q时，水位均在同一个位置振荡；进水流量为1Q～3Q时，第二种方式的振荡范围最小，表明调蓄空间有效利用率最低，第一种方式的振荡范围最大，但水泵启停时间与第三种方式不同，无法直接表确定哪种方式更合理。

3种设定水位下不同进水流量时单台泵启停时间如图5～图7所示。

图5 第一种设定水位下不同进水流量时单台泵启停时间

图6 第二种设定水位下不同进水流量时单台泵启停时间

图7 第三种设定水位下不同进水流量时单台泵启停时间

进水流量为1Q、2Q、3Q时，启停时间为无限，因此图中未体现。由图5～图7可知，第三种设定水位下，单台泵启停时间明显大于另外两种设定水位情况，表明第三种设定水位情况下，水泵启停时间更长，水泵休息更久，排水安全更高；第三种设定水位情况下，水泵启停最频繁时进水流量等于0.5Q或1.5Q或2.5Q，时间超过54 min，与其他两种方式水泵启停最频繁时间3～6 min相比，极为安全。

随着科学技术发展，排水泵站采用自动化运行，控制策略需要更加优化，传统的第一种控制方式（分水位开启，同水位停）以及第二种控制方式（分水位开启，分水位停）在液位计及控制系统不够智能的情况下产生的，集水池容积足够大时，安全性可观，集水池容积不够大时，安全性极大降低。目前，液位计及控制系统成本低且足够智能，可以采用第三种控制方式（阶梯式开启，阶梯式停），充分利用调蓄池的有效容积，增加水泵启停间隙，提高水泵运行的安全性，进而提高市政排水管网的运行健康程度。

3 结语

排水泵站自动化启停一般有3种水位设定方式，分别为不同水位开启，同水位停；分水位开启，分水位停；阶梯式开启，阶梯式停。单台水泵调蓄时间6 min、排水体积且进水流量不超过三台水泵总流量的情况下，三台水泵轮流启停并采用第三种设定方式，单台泵启停一次时间为54 min，满足规范要求，安全性极高；同样情况下采用另外两种水位设定方式，水泵启停最频繁时间为3 min或6 min，低于规范要求，极不安全。考虑水泵自动化启停时间，第三种方式（阶梯式开启，阶梯式停）的水泵启停最不频繁，最为安全，建议按第三种方式设定水位。