案例分析：特大型污水泵站設計要點
特大型污水泵站的設計對于泵站的正常運行至關重要。結合上海某污水處理廠新建粗格柵及進水泵站項目，在泵站整體水力模型試驗的基礎上，從泵站的總體布置、運行水位的確定、水泵揚程的計算、格柵井的整流措施、水泵配水管的布置、防水錘設計以及運行維護等方面，對特大型污水泵站在設計中應注意的內容進行了總結歸納，并提出了優化建議。
1 項目概況
上海某污水處理廠升級改造及擴建工程新建1座粗格柵及進水泵站（以下簡稱“進水泵站”），泵站規模按與南線規模43.71m3/s（280萬m3/d）一次建設，設備按本階段32 m3/s配置。在《上海市控制性詳細規劃技術標準（2016年修訂版》中，供水規模50萬~100萬m3/d的凈水廠定義為特大規模，則類比污水規模大于50萬m3/d的處理設施也可定義為特大規模，本項目進水泵站屬于特大型污水泵站。
進水泵站包括格柵井、泵房、泵后匯水池、控制室、值班室和配電間等。南線2根DN4 000鋼筋混凝土管通過頂管方式進入格柵井，格柵井內前池通過中隔墻分隔成兩倉，中隔墻上安裝了4 000×3 000mm手電兩用鑄鐵閘門互為連通和切換，可半倉獨立運行。格柵井內共設置了8臺抓斗式粗格柵，粗格柵前后均設置有閘門和疊梁門，分別用于檢修粗格柵和檢修閘門。
經過格柵井的污水通過4根DN3 500的出水管進入泵房。泵房間為圓形結構，內徑為59.2m，埋深近20.1m。在直徑方向共設置了8個泵位，近期安裝6臺，遠期再安裝2臺。根據污水量及揚程的特點，進水泵采用了立式蝸殼式混流污水泵。單臺流量為Q=6.36~7.29 m3/s，H=8.6~14.3 m，N=1 250 kW，近期雨季時5用1備，旱季時4用2備，其中2臺變頻。
進水泵站自2014年建成通水至今已有7年多時間，運行一切正常，在設計過程中的一些經驗值得總結。
2 泵站的總體設計
2.1 總平面布置
泵房形式通常有圓形以及矩形兩種，小型泵房常用圓形，大型泵站綜合考慮水力條件、占地、設備布置以及投資等因素常用矩形。但根據泵房深度及施工條件也有采用圓形，如SB泵站、彭越浦泵站等。
為降低工程投資，經綜合比選后確定采用格柵井與進水泵房分開，中間用管道連接的方式。從管道上分設進水流道，直接與泵吸入口相連。由于沒有大體積前池，長距離輸送過程中積聚的砂礫不易沉積，且粗格柵井與泵房間可分別采用沉井及地下連續墻開挖施工。粗格柵井與泵房間連接管道采用直徑DN 3 500的頂管，粗格柵井兼做頂管接受井，泵房作為頂管工作井。泵站總平面見圖1。
2.2 泵站的運行水位
進水泵站的運行水位受上游來水情況波動較大。通過近、遠期污水量預測及南線的水頭損失計算，在不同流量時，格柵井前池的液位統計如下：
遠期旱季平均流量時：1.15 m（絕對標高，下同）；遠期旱季高峰流量時：-0.67 m；遠期雨季流量時：-2.46 m。
從水泵節能、高效運行的角度出發，泵站的日常運行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運行液位也按1.15 m設計。
考慮到特殊情況下泵站需要在超低水位非常態運行，因此通過水力模型試驗，對泵站的極限最低水位進行了預測。試驗中觀測到當水位降低至-5.00 m時，開始出現明顯的陣發性凹渦，漩渦產生和破滅的頻率較快。當水位進一步降低時，陣發性凹渦增強、加深。當水位降至-5.40 m時，進水口前產生強度較大的漩渦，間隔時間很短，有明顯的漂浮物吸入，進口流態惡化。考慮到水力模型試驗無法完全反應水泵的運行情況，建議在實際運行中盡量避免在最低運行水位（-4.40 m）以下運行。
2.3 水泵揚程的確定
《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統設施的設計流量規定。其中，分流制污水管道應按旱季設計流量確定，并在雨季設計流量下校核。污水泵站的設計流量，應按泵站進水總管的旱季設計流量確定；污水泵站的總裝機流量應按泵站進水總管的雨季設計流量確定。本項目在設計時，按近期、遠期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚程進行了測算，計算結果詳見表1。
2.2 泵站的運行水位
進水泵站的運行水位受上游來水情況波動較大。通過近、遠期污水量預測及南線的水頭損失計算，在不同流量時，格柵井前池的液位統計如下：
遠期旱季平均流量時：1.15 m（絕對標高，下同）；遠期旱季高峰流量時：-0.67 m；遠期雨季流量時：-2.46 m。
從水泵節能、高效運行的角度出發，泵站的日常運行液位確定為1.15 m，因此，近期泵站的運行液位也按1.15 m設計。
考慮到特殊情況下泵站需要在超低水位非常態運行，因此通過水力模型試驗，對泵站的極限最低水位進行了預測。試驗中觀測到當水位降低至-5.00 m時，開始出現明顯的陣發性凹渦，漩渦產生和破滅的頻率較快。當水位進一步降低時，陣發性凹渦增強、加深。當水位降至-5.40 m時，進水口前產生強度較大的漩渦，間隔時間很短，有明顯的漂浮物吸入，進口流態惡化。考慮到水力模型試驗無法完全反應水泵的運行情況，建議在實際運行中盡量避免在最低運行水位（-4.40 m）以下運行。
2.3 水泵揚程的確定
《室外排水設計標準》（GB 50014—2021）新增了部分污水輸送系統設施的設計流量規定。其中，分流制污水管道應按旱季設計流量確定，并在雨季設計流量下校核。污水泵站的設計流量，應按泵站進水總管的旱季設計流量確定；污水泵站的總裝機流量應按泵站進水總管的雨季設計流量確定。本項目在設計時，按近期、遠期，旱季平均、旱季高峰、雨季以及檢修工況，對污水流量、水泵揚程進行了測算，計算結果詳見表1。
根據污水泵揚程計算結果，確定污水泵的單泵流量Q=6.36~7.29 m3/s，揚程H=8.6~14.3 m。污水泵的總體效率要求≥80%，在經常運行工況，即污水泵流量Q=6.36 m3/s，揚程H=8.60 m時，要求水泵達到最高效率≥88%。泵轉速≤250 r/min，變頻泵流量調節范圍100%~60%。
3 格柵井的設計優化
3.1 前端進水整流措施
為保證水流流向泵站機組的過程中能夠平順擴散，為泵站機組提供良好的流態，泵站進水一般采用正向進水，當泵站進水為側向進水或者斜向進水需要采取工程措施。由于泵站為典型的斜向進流，且主流集中于格柵井的底部，格柵井的前部易產生平面回流、立面翻滾等不良流態，使經過各格柵的流量明顯不均，從而對進水管的進流產生不良影響。因此，結合水力模型試驗結果，對格柵井進水端進行設計優化。
在格柵井前段設置八字形導流墩，長度分別為9.88 m、9.68 m，導流墩與格柵井中心線的夾角分別為13.4°和6.5°，墩高均為8 m。在導流墩方向設置傾角為60°的壓水板，壓水板底緣高程為-8.70 m，上緣與導流墩同高，兩側與格柵井側壁相接，將格柵孔前底坡放緩為1∶2，見圖2。
泵站前池內設置壓水板能夠顯著改善直邊正向前池和曲邊正向前池水流的主流效應，提高前池底部水流流速，增強水流平面擴散，在減少前池泥沙淤積的同時保證了水泵有利的進水條件。水力模型試驗結果表明，在雨季、旱季平均、旱季高峰以及檢修等工況下，從中隔墻往兩端4個格柵孔（圖2中①~④的流量分配比例分別為24.5%~27.3%、23.9%~24.9%、23.6%~26.0%和23.8%~26.9%。優化后的布置方案能有效改善格柵井的水流流態，均化各柵孔過流水量，同時能有效增加和均化格柵井前部的底部流速，防止泥沙的淤積。
3.2 后端增加縱、橫向消渦梁
格柵井的后部離配水管進口距離較短，底坡較陡，不利于水流擴散，且受過格柵水流分布不均、配水管流量差異等因素的共同影響，格柵井后部存在著平面回流及立面翻滾等不良流態，在某些工況甚至會產生間歇性吸氣漩渦，對水泵運行產生危害。因此，結合整體水力模型試驗，對格柵井后端設計進行了優化。
在配水管進口前分別設置縱、橫向消渦梁，其中縱向消渦梁設置于配水管進口之間，一端接格柵井后壁，另一端與格柵井中隔墩相連，縱向消渦梁分上下3層，最下緣高程為-6.10 m，最上緣高程為-2.30 m，梁高為1.0 m，梁間隔均為0.4 m。橫向消渦梁水平布置，兩端分別與格柵井側墻相連，梁底緣與最下方的縱向消渦梁底緣同高，采用半橢圓截面，梁寬均為0.6 m，梁與格柵井后壁、梁與梁的間隔均為0.35 m，見圖3。
經過前端進水整流、后端設置消渦梁等措施，格柵井內的水力流態和水泵的進水條件較原方案有較大改善，但格柵井內的水頭損失有所增加，經水力模型試驗，水頭損失增加約0.08~0.011 5 m，仍處于可接受的范圍內。
3.3 溢流及放空設計
在格柵井前端設置了溢流槽，當機組因事故突然失電時，污水可通過溢流渠接至廠區超越箱涵，從而避免溢流事故的發生。溢流渠的堰上水頭按泵房最大流量43.71 m3/s設計，堰上水頭約1.0 m，格柵井頂板設計標高大于堰上水頭。經試驗分析和驗證，溢流槽的溢流能力可以滿足事故工況的運行要求。
考慮到格柵井檢修的需要，在進水端導流墻內安裝了2臺放空泵（潛水混流泵）。當格柵檢修時，先關閉格柵后端的閘門，然后通過放空泵降低格柵井內的水位（-8.0 m以下），隨后關閉需要檢修格柵的前端閘門，對單組格柵進行檢修作業。當閘門檢修時，利用閘門前后端的疊梁閘，配合放空泵降低水位，對閘門進行檢修。當格柵井需要放空清淤或其他檢修作業時，則先關閉格柵后端的閘門，利用放空泵盡可能的降低格柵井內的水位。
4 泵房的設計優化
4.1 配水管的可行性驗證
為節約工期、降低工程投資，本工程采用格柵井與進水泵房分開，中間用管道連接的建設形式。目前對泵站流態的研究主要側重進水池體形及相關整流措施的研究，所選取的工況一般為全部機組同時運行時的水流流態。因此，在設計中，對配水管進口及分岔口等處水流流態、不同開機組合條件下壓力和水頭損失等進行了模型試驗。
水力模型試驗表明，各水泵進水管首段與岔管連接處的轉角雖然有一定的差別，但流態基本相同。格柵井水位變化只引起進水管的壓力值的升降，對其變化規律的影響很小。工程中采用立式蝸殼式混流污水泵，水泵進水管與水泵進口通過90°彎管連接，通過試驗觀測，各工況錐管進出口斷面邊壁時均動水壓強分布均勻，水泵進水管設計合理。
考慮到部分泵變頻運行，流量可能較設計值有一定改變，因此對兩種極端組合進行了試驗驗證。一種是一條配水管上兩岔管對應的水泵流量相等（均為設計值），另一種則是一條配水管上兩岔管對應的水泵一臺為設計值，而另一臺為0。試驗中觀測到，配水管進口流態良好，配水管水流平順，至岔管段，水流能平順向兩側擴散流向兩支管，未見局部脫流等不良流態。兩支管末段水流均勻。沿程動水壓力分布規律與各泵同流量運行工況相近。僅局部壓強升降幅度略有變化。水泵進水管流態與設計運行工況相近。
試驗結果表明，同一條配水管對應兩臺水泵，其中一臺水泵流量有一定改變時，對配水管道和水泵進水流態無明顯影響。
4.2 防水錘設計及措施
4.2.1 水錘力的計算
壓力波的計算公式見式（1）：
根據上述公式計算，本項目水錘壓力波為Vw=961.5 m/s，介質流速v=2.32 m/s，則ΔP=22.31 bar，發生水錘時止回閥承受的壓力為P+ΔP=3.02 MPa。如無防水錘措施，則會對水泵的葉輪及結構造成極大的破壞性。
4.2.2 防水錘設備的選用
本工程選用帶液壓緩沖裝置的偏心斜置微阻緩閉止回閥來替代傳統的止回閥，當水流發生逆流時，閥瓣可迅速響應，防止水錘發生。閥板具有紡錘體型的設計，開啟時閥板迎水面流線型能防止掛積垃圾。軸封處密封可靠，閥瓣與軸采用鉸鏈式的連接，配自潤滑軸承，啟閉壓差小于2 m。閥瓣在啟閉過程中只有軸承的摩擦，軸封采用靜態密封。
本工程選用電動速閉閘門來替代普通的電動閘門，在發生緊急情況時，可在180s內迅速將閘門關閉，切斷水流。
4.2.3 管道支架、支墩設計
在分析計算水泵進、出水管道受力條件的基礎上，對管道的支架、支墩進行特殊設計，以確保水泵運行的穩定性。在發生事故情況下，可通過支架、支墩減少水錘力對水泵的沖擊。本項目在水泵出水管路上共設置了4處支墩、支架，設置位置見圖5。圖5中：①安裝于止回閥下部。在正常運行工況下，主要承載止回閥及出水管段的部分重力。在事故工況時，將止回閥承擔的部分水錘力通過支墩向下傳遞、分散，從而減少對水泵結構的影響。②安裝于出水管90°彎頭的下方。在正常運行工況時，主要承擔出水管豎管的部分重力。在事故工況時，通過支架將部分水錘力傳遞到結構底板，從而減少止回閥、水泵結構可能受到的水錘力沖擊。③安裝于出水管90°彎頭的側方。在正常運行工況時，減少橫向水流對管段的沖擊，減少豎管可能發生的晃動。④安裝于出水豎管電機層，采用抱箍的形式，主要是用于減少豎管的晃動，在發生事故工況時，將水錘力盡可能往下傳遞。
圖5 出水管道支架位置示意
4.3 泵房的集約化設計
泵站的規模大，泵房的體量也很大，為盡可能的降低工程費用，在設計中也進行了集約化、精細化的布置和設計。
（1）水泵的冷卻水系統。立式蝸殼式混流污水泵的冷卻水系統較為復雜，水泵電機軸承、水泵軸承等均有冷卻要求。為滿足水泵的正常運行要求，本項目設計了專用的冷卻水系統。廠區的中水（再生水）進入中間水箱，隨后通過管道加壓泵，經電機軸承冷卻水管、水泵軸承冷卻水管對水泵關鍵部位進行冷卻降溫。在中間水箱前端，設置了一路供水管，當廠區中水水質達不到冷卻水要求時，用自來水進行補充備用。
（2）試車水回水管設計。泵房設置試車水回水管。在水泵試車時，打開回水管上的閥門，將泵送的水流通過管道回至格柵井。回流管管徑按最大一臺水泵的流量確定。為節約空間和工程投資，回水管沿泵房電機層的空腔內敷設。
（3）檢修操作設計。考慮到日常檢修的需要，泵站在泵房內、出水井以及格柵井等處，設置了橋式起重機、電動葫蘆等起吊設施，用于設備的安裝及檢修起吊。在泵房電機層，配備有移動式升降平臺及爬梯，用于水泵日常維護。在泵房內設置有垂直電梯和消防樓梯，滿足日常檢修及消防的需要。
5 泵站運行情況及優化建議
泵站于2014年建成通水，目前已基本滿負荷，運行穩定、可靠。經設計優化后工程投資約1.5億元，泵站實際運行單位水量電耗約0.12~0.13 kW·h/m3。經設計回訪，結合新技術的發展、新標準的發布，建議在類似工程項目設計中做如下優化。
（1）建議引入BIM模型進行設計優化。進水泵站的設計較為復雜，二維圖紙不夠直觀，各專業在設計協調過程中不可避免會出現錯、漏、碰、缺的情況。同時，給水、排水、冷卻水系統與電纜橋架等走向較為隨意，不規整、不美觀。水泵操作層，排水管線貼地面敷設，不便于運營維護。因此，建議引入BIM模型對設計進行優化，便于施工指導。
（2）管網與泵站的智慧化系統設計。建議在城市或區域建立智慧化污水系統模型，通過系統模擬旱季、雨季，近期、遠期的污水管網分時污水量，為泵站的水泵配置提供最優方案。通過帶水位預測功能的運行管理系統對污水管網的水位進行預測，使運行最合理化。
（3）水泵冷卻系統的優化。本工程采用中水和自來水兩套冷卻水系統，管路較為復雜，無法實現泵房電機層、操作層的完全無水化。隨著技術的發展，水泵可以采用自冷卻系統、空冷系統，或兩者相結合的方式替代傳統的水冷系統，同時采用無供水的軸承、軸封裝置，從而取消冷卻水系統，實現泵房的完全無水化。
6 小 結
對于特大型污水泵站，為加快施工進度、節約工程投資，建議采用格柵井與進水泵房分開的方式。
對于進水條件復雜的特大型污水泵站，建議開展水力模型試驗。通過整體模型試驗，優化泵站的進水流態、水泵的進水條件等。
泵站的運行水位、水泵的選型，建議結合近期、遠期，在綜合考慮未來運行工況的條件下進行計算和選擇。水泵在經常運行工況點達到最高效率。
為有效降低水錘事故對泵站運行的影響，建議選用帶防水錘功能的閘門、止回閥，細化管道支架（支墩）計算及設計。
為滿足水泵日常維護要求，建議設置可靠的冷卻系統、排水系統。對于水泵經常檢修部位，應設置易于操作的爬梯和平臺。
大型污水泵站的設計較為復雜，建議引入BIM模型進行設計優化，在城市或區域建立智慧化污水系統模型，為泵站的水泵配置提供最優方案。
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