基于再生水利用的泵站优化设计与运行效率提升探讨

【摘要】以遵义市播州区为例，探讨再生水泵站的优化设计与运行效率提升策略。通过优化泵站结构、合理配置设备、应用变频调速技术，以及调整管网系统的管径和输水路径，显著提高了泵站的运行效率，降低了能耗和运营成本。研究结果表明，这些优化措施不仅提升了再生水输送系统的整体性能，还为再生水资源的可持续利用提供了坚实的技术支持，具有广泛的应用价值。

【关键词】再生水； 泵站优化； 变频调速技术； 管网系统

【中图分类号】TU991.35【文献标志码】A

［定稿日期］2024-09-24

［作者简介］邓小丹（1992—），女，本科，高级工程师，研究方向泵站优化设计。

0 引言

随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断推进，水资源紧缺问题日益突出，尤其是在水资源有限的地区，水资源的合理开发与高效利用显得尤为重要［1］。再生水，作为一种非常规水资源，因其能有效缓解水资源短缺问题而受到广泛关注。再生水利用是通过对经过污水处理厂处理后的水进行进一步处理，使其达到特定水质标准，进而在工业生产、市政杂用、居民生活和生态补水等方面加以利用［2］。这一过程不仅能够有效减少污水排放，降低环境污染，还能大幅提高水资源的利用率，促进城市的可持续发展。

在再生水利用系统中，泵站作为核心的输配水设备，直接影响着水资源的输送效率和系统的整体运行效果。泵站的合理设计和高效运行，不仅能够保障再生水的及时输送，还能够在降低能源消耗、减少运行成本方面发挥关键作用［3］。然而，目前许多再生水泵站在设计和运行过程中仍存在一些问题，如站址选择不合理、泵站形式不适应实际需求、运行效率偏低等［4-5］。这些问题不仅影响了再生水利用系统的效率，还增加了运营成本，限制了再生水资源的有效利用。遵义市播州区作为贵州省的一个重要区域，其水资源状况具有典型的区域特征。随着城市规模的不断扩大和工业的发展，水资源需求迅速增加，水资源供需矛盾日益突出。为应对这一挑战，播州区积极推进再生水的开发与利用，通过构建完善的再生水利用系统，力求缓解水资源短缺问题。在此背景下，对再生水泵站的优化设计与运行效率提升进行研究，具有重要的现实意义和应用价值。

本文以遵义市播州区为例，系统分析再生水泵站的设计理论与技术，针对现有泵站设计中的不足，提出优化设计方案。同时，结合智能控制与调度优化策略，探索提高泵站运行效率的有效途径。通过对典型案例的分析与验证，本研究旨在为再生水泵站的优化设计与高效运行提供理论支持和实践指导，推动再生水资源的合理开发与可持续利用。

1 泵站优化设计方案

1.1 泵站结构优化

1.1.1 泵站形式的优化选择

泵站形式应根据具体的地形和用水需求进行选择。对于遵义市播州区的泵站，可以结合地形特点选择地面泵站、地下泵站或半地下泵站。例如，在地势较低的区域，选择地下泵站可以减少占地面积和噪音影响；在空间充裕的区域，可以选择地面泵站，以便于设备的安装和维护。

1.1.2 设备配置优化

泵站设备的选择应以高效节能为原则，选择效率高、能耗低的水泵设备。同时，结合实际需求，合理配置备用泵和调节装置，以应对不同负荷下的运行需求。安装变频调速装置，根据实时用水量调整水泵的输出，避免能源浪费。

1.1.3 储水池与管道布置

合理布置泵站内的储水池和管道系统，确保水流顺畅，减少水头损失。储水池的容积应满足调节需求，管道布局应尽量减少弯道和分支，降低水流阻力。此外，管道材质应选择耐腐蚀、耐压性能良好的材料，以延长使用寿命和保证水质。

1.2 管网系统的优化

输水管网是连接泵站与用水点的纽带，其设计直接影响输水效率和系统的稳定性。优化管网系统可以有效减少水头损失和漏损，确保再生水的高效输送。根据再生水的特性和输水需求，选择合适的管道材质和规格。管道材质应具备良好的耐腐蚀性和抗压性，以应对再生水中可能存在的化学成分和输水压力。管道规格应根据输水量进行合理选择，避免因管道过细导致的水头损失或因管道过粗导致的投资浪费。输水路径应尽量选择直线布置，避免不必要的弯曲和绕行，以减少摩擦阻力。同时，在地形起伏较大的区域，可以利用地势高差合理设计管道坡度，实现自流输水，降低泵站的加压需求。

2 泵站运行效率提升策略

2.1 泵站运行模式分析

提升泵站的运行效率是确保再生水输送系统稳定高效运行的关键。首先，泵站的运行模式直接影响其能源消耗和输水效率。通过分析不同工况下的运行模式，优化泵站的工作状态，可以显著降低能耗。例如，在用水需求波动较大的情况下，可以采用分时段调度的运行模式，避免泵站在低负荷时的频繁启动和停机，从而减少不必要的能源浪费。

2.2 智能控制与调度优化

泵站的智能控制和调度优化是提升运行效率的重要手段。现代智能控制系统可以实时监测泵站的运行状态，并通过自动调节水泵的输出功率，确保泵站始终处于最佳运行状态。结合变频调速技术，泵站可以根据实际需求动态调整运行参数，进一步降低能耗，提高运行效率。同时，通过对泵站运行数据的分析和反馈，智能系统能够预测未来的用水需求，并提前调整泵站的运行策略，避免突发情况下的能源浪费和运行风险。

2.3 运行效率优化方案

通过使用高效节能的水泵设备，结合科学的调度策略，可以大幅度提升泵站的整体运行效率。具体来说，在泵站的设计和运行中，应该重点关注设备的匹配性和协调性，确保各设备在不同运行工况下能够发挥最大的效能。此外，定期的设备维护和运行数据分析也是提升泵站效率的重要措施。通过对运行数据的定期监测和分析，可以及时发现并解决潜在的运行问题，确保泵站始终处于高效运行状态。

3 遵义市播州区优化案例分析

3.1 工程背景

龙坑污水处理厂是遵义市播州区再生水利用项目的核心组成部分，主要负责将处理后的污水进一步净化，供给城市杂用水和生态补水等用途。该处理厂日处理规模为30 000 m3，服务范围覆盖播州区城区的北部和南部的部分区域。龙坑污水处理厂再生水主要用于播雅湿地公园的绿地灌溉和公厕冲洗，以及湘源注水点的补水需求。然而，原有的泵站设计存在一些问题，包括站址选择不合理、能效较低、设备维护困难等，导致再生水输送效率较低，运行成本较高。

3.2 现有泵站设计问题分析

遵义市播州区的再生水泵站设计结合了区域内水资源的特点和用水需求，采用了多种形式的泵站配置，以适应不同区域的再生水输送任务。然而，在现有的泵站设计中仍存在一些不足之处，例如站址选择不够优化，导致部分泵站能耗较高，运行效率较低；某些泵站的设计形式与区域地形不完全匹配，造成了不必要的水头损失和输水管道的冗长。这些问题在一定程度上限制了再生水利用系统的整体效率，增加了运营成本。以某泵站为例，该泵站配备了3台单机离心泵，依据GB/T 30948-2021《泵站技术管理章程》计算，该泵站各离心泵耗电量如表1所示。

由表1可知，在离心泵运行过程中由于设备老化实际效率较低，均低于80%。经过计算，3台离心泵的实际年耗电量约为4 694.0万 kW·h。并且随着年限的增加，实际耗电量会逐渐增加。因此，需要从泵站设备优化以及管网系统优化等角度，对该泵站进行升级改造。

3.3 泵站结构优化

3.3.1 选址及高效能泵的选用

针对龙坑污水处理厂泵站存在的问题，进行了系统的优化设计。首先，泵站的站址进行了调整，靠近湿地公园和主要用水点，减少了输水距离和水头损失。此外，泵站形式由原先的地面泵站改为地下泵站，这不仅减少了占地面积，还降低了对周围环境的噪音影响。设备方面，泵站引入了高效节能的水泵设备。根据我国相关规范，潜水电泵能效限定值及能效标准中所述，对于额定功率是1 200 kW的离心泵，其效率应不小于80%。本次泵站优化，为实现更高的节能需求，选择泵的效率达到85%以上。按此标准计算得出的年耗电量为4 402万 kW·h，实现总节能约为292万 kW·h。

3.3.2 变频调速技术的应用

变频调速技术在泵站优化运行中起到了关键作用。该技术通过改变电机的转速来调节水泵的运行状态，从而实现流量和扬程的精确控制。与传统的固定速运行相比，变频调速技术能够根据实际的用水需求动态调整泵站的输出功率，大幅降低了能耗，提升了泵站的整体运行效率。在遵义市播州区泵站的优化过程中，变频调速技术的应用尤为显著。泵站安装了高效的变频器和调速电机，使得水泵可以在不同负荷下保持最佳的工作状态。例如，在用水需求较低的时段，变频器会自动降低水泵的转速，减少能量的浪费；而在用水高峰期，系统则会提高水泵的转速，确保供水的稳定性。通过安装变频调速器，得到泵站节能效果如表2所示。数据表明通过应用变频调速技术，泵站的能耗得到了显著降低。1#离心泵在变频调速后的功率从1 200 kW降低至1 056 kW，每年节约了295.2万kW·h的电能；2#离心泵分别在1 020 kW和960 kW的功率下节约了324.0万kW·h和432.0万kW·h的电能。变频调速技术通过动态调整泵站的运行功率，使得泵站能够更高效地响应实际的用水需求，避免了不必要的能量浪费。

3.4 管网系统的优化设计

遵义市播州区的再生水泵站优化设计中，管网系统的优化主要包括管道材质于规格的优化以及输水路径的优化。

管道材质的选择应考虑耐腐蚀性、抗压性和使用寿命等因素。再生水中可能含有一定的化学物质，因此管道材质应具备良好的耐腐蚀性。因此选择采用聚氯乙烯（PVC）或高密度聚乙烯（HDPE）等材料，这些材料不仅具有优异的耐腐蚀性能，还能在高压下保持稳定性；输水路径的设计应尽量减少弯道和分支，以降低水流阻力和水头损失。在实际应用中，采用直线布局是最优选择，这可以最大限度地减少管道的摩擦阻力，从而提高输水效率。在地形复杂的区域，可以利用地势高差，通过自然重力实现部分输水，减少泵站的加压需求。此外，应合理规划管道的走向，避开建筑物和其他地下设施，确保管网的长期稳定运行。管网系统的优化设计如表3所示。

表3中的4个管段（A段、B段、C段、D段）在优化后，管径均发生了变化。通过优化，管段A和管段B的管径从1.2 m和1.0 m分别缩小至1.0 m和1.1 m，而管段C和管段D的管径则分别增大至1.5 m。这种调整表明，通过合理调整管径，可以更好地适应水流的需求，减少摩擦损失，提高输水效率。

综合来看，通过对管网系统的管径优化和摩擦损失控制，显著提高了管网系统的输水效率，减少了泵站的能耗。管段C的优化效果最为显著，说明在实际应用中，适当增大管径可以显著降低摩擦损失，提高节能效果。此外，表格中的数据表明，即使是微小的管径调整和摩擦损失的降低，也能带来可观的节能效益，为管网系统的优化设计提供了有力的支持。

4 结束语

本研究以遵义市播州区为例，深入探讨了再生水泵站的优化设计与运行效率提升策略。通过对泵站结构、管网系统以及运行模式的综合优化，显著提升了再生水泵站的整体运行效率，降低了能耗，并为再生水资源的有效利用提供了坚实保障。首先，在泵站结构优化方面，合理的站址选择、高效能泵的引入以及变频调速技术的应用，有效减少了水头损失和能源消耗，实现了泵站运行的节能增效。其次，通过优化管网系统的管径和输水路径，进一步提高了输水效率，显著降低了摩擦损失，尤其是管段C的优化效果尤为突出。

综合来看，泵站和管网系统的优化设计不仅能有效提高再生水的输送效率，还能显著降低运营成本，为实现水资源的可持续利用奠定了基础。此类优化策略在其他地区的再生水利用系统中同样具有推广应用的潜力。未来的研究可以进一步结合智能控制技术和大数据分析，持续提升泵站系统的运行效率，为城市水资源管理提供更为高效和智能化的解决方案。

参考文献

［1］ 李金伟， 李江奇. 昆明市水资源短缺问题及解决措施［J］. 四川建筑， 2016， 36（6）： 22-25.

［2］ 高赛君. 市政再生水逐级处理分质利用的实践探索［J］. 四川建材， 2024， 50（8）： 235-237.

［3］ 陈飞华. 用于自然河道的再生水补水泵站设计研究［J］. 城市道桥与防洪， 2018（5）： 177-179+19.

［4］ 徐静蓉. 城市再生水利用输水形式分析研究［J］. 水利水电技术， 2015， 46（10）： 105-110.

［5］ 陈银川. 产城融合背景下城市新区污水再生利用规划研究［J］. 江西建材， 2022（5）： 274-275+278.