受限空間內排水泵站與調蓄池合建的布置及配泵優化設計

近年來，我國很多城市在雨水排水係統末端建設強排泵站時,增設初期雨水調蓄設施,將攜帶了雨天出流大部分汙染負荷的初期雨水截流[1-31,於(yu) 雨後利用汙水管網設計充滿度以外的空餘(yu) 容積輸送至汙水處理廠集中處理。大量初雨的排入將對中途汙水提升泵站機組的穩定運行造成一定影響,對配泵選型提出要求。於(yu) 此同時,隨著城市化進程的加速，市政設施建設空間受限的情況逐漸成為(wei) 常態!,如何在該類情形中,對泵站進行合理布置,保證各設施和機組穩定有效運行，並與(yu) 周邊環境最大程度地協調，也成為(wei) 泵站設計過程中需要優(you) 化解決(jue) 的問題。本文以九星雨汙水合建泵站為(wei) 例，討論建設空間受限情形下,排水泵站與(yu) 調蓄池合建的布置方案設計，以及應對初期雨水排放進行的配泵優(you) 化，

項目概況

九星雨(含初期雨水調蓄池)汙水合建泵站位於(yu) 上海市閔行區七寶鎮橫新港南側(ce) 、虹莘路西側(ce) 的九星東(dong) 塊地區,地區規劃定位為(wei) 上海規模最大的綜合建材市場。目前泵站已開工建設，並計劃於(yu) 2022年汛期前投入運行,建成後除解決(jue) 所在地區雨、汙水排水出路外,也為(wei) 周邊相關(guan) 雨水係統整體(ti) 提標至P=5年一遇打下基礎。九星雨水泵站服務於(yu) 九星東(dong) 塊和虹井及平吉的部分區塊,匯水麵積約265.9hm';係統暴雨設計重現期P=5a,設計規模250m'/s;雨水經泵提升後排入北側(ce) 的橫新港。初期雨水調蓄池服務於(yu) 九星東(dong) 塊規劃區域內(nei) 的市政道路及部分虹莘路以東(dong) 現狀小區,設計規模2200m。汙水泵站服務於(yu) 九星東(dong) 塊地區,規劃平均日汙水量5599m'/d:降雨過後,另有共計1686m/d的地塊初雨棄流經汙水管網進入泵站,該部分初雨棄流來自擬建於(yu) 九星東(dong) 塊地區星北路東(dong) 側(ce) 的初期雨水調蓄池;站內(nei) 汙水經泵提升後由壓力出水管接入沿外環線東(dong) 側(ce) 敷設的蘇州河六支流∅2400汙水總管,最終至白龍港汙水處理廠。

泵站布置優(you) 化

建設條件

泵站規劃總用地麵積為(wei) 4503m,如圖1所示周邊限製因素較多。用地邊線東(dong) 側(ce) 13m處有4路平行於(yu) 紅莘路敷設的 110 kV 高壓電力排管,對泵站雨、汙水進水總管的布置造成一定影響:西北角用地邊線內(nei) 有1路220kV高壓架空線穿過,泵站建築邊線距其懸臂投影線需大於(yu) 15m;同時,泵站北側(ce) 為(wei) 待建幼兒(er) 園和大型綜合商辦,東(dong) 側(ce) 為(wei) 現狀居住小區南側(ce) 為(wei) 規劃環衛用地,均對泵站的建築形式和布置提出了一定要求。

總體(ti) 布置優(you) 化

綜合用地限製、運營管理和設備維修的便利性、及與(yu) 社區定位的協調性等各因素,泵站最終采用半地下合建的形式,主體(ti) 建構築物位於(yu) 場地中央,總平麵尺寸37.0mx351m,汙水泵房設於(yu) 雨水泵房北側(ce) ,初雨調蓄池設於(yu) 雨水泵房下部,雨水泵站進水閘門井設於(yu) 泵房東(dong) 側(ce) 。泵房下部工藝深度188m:設備間、變配電間、管理用房等附屬建築合建於(yu) 泵房上部,建築麵積約2202 m',最大建築高度16 m,為(wei) 階梯式局部3層;外立麵以底層的深色外磚牆搭配二、三層的白色仿石材塗料及玻璃幕牆,通過色彩的明暗對比和肌理的疏密序列打造建築質感。此外，站內(nei) 最大限度拓展綠化空間,除構、建築物及道路外的空地均布置綠化:圍牆處的外圍景觀以大樹環繞種植,用優(you) 美的林緣線打造自然內(nei) 外屏障,也使得在技術措施之餘(yu) ,站內(nei) 設施可能產(chan) 生的噪聲、臭氣等對外影響被削減至最小;靠近主體(ti) 建構築物的設備區景觀則以灌木搭配草坪為(wei) 主,為(wei) 工作人員營造良好環境。泵站總平布置見圖1。

雨水配泵選型與(yu) 上部建築布置優(you) 化

九星雨水泵站需配備8台單機功率約288kW的軸流泵,該單泵功率下,目前常用的潛水和幹式抽芯軸流泵在投資和檢修維護方麵各占優(you) 勢(50,所需水泵間亦大小相當,但綜合考慮總裝機容量後,機電設備的配套需求使得整體(ti) 的占地和造價(jia) 產(chan) 生較大差異:根據軸流泵的總體(ti) 裝機容量和市政供線情況,機組母排進線需由10kV市政供線接入，首先對於(yu) 電機位於(yu) 水下的潛水軸流泵而言,更高的電機防護要求使得其10kV母排進線在接入泵站開關(guan) 櫃後,各單泵配電均需至獨立的250kV變壓器轉為(wei) 低壓，再經獨立的低壓配電櫃接人各水泵的電機,供其在低壓條件下安全運行;變壓器和低壓配電櫃需分開設置,並有較高的散熱需求,共需建築麵積約150m，設備購置價(jia) 格約150萬(wan) 。而置於(yu) 水泵間上部的幹式抽芯泵,機組可在10kV的高壓條件下直啟工作,其進線能夠自市政供線接人後,在不經軟啟動的情況下自開關(guan) 櫃直接接人各水泵電機,省去了水泵專(zhuan) 用變壓器間、低壓配電櫃間的占地以及額外的通風散熱設施。在本工程較高集約化布置要求下,綜合考慮工程造價(jia) ,水泵變配電需求導致的差異,泵站最終選擇幹式抽芯軸流泵作為(wei) 雨水主泵。

下部空間優(you) 化利用

冷卻水泵間及檢修樓梯泵站利用雨水泵房北側(ce) 、調蓄池頂部的地下空倉(cang) ,布置幹式抽芯軸流泵需配備的冷卻設施,並結合設置樓梯,一並解決(jue) 電纜夾層、汙水泵閥門安裝平台、冷卻水泵間及調蓄池的日常維護及檢修需求,具體(ti) 見圖 2、圖 3。

九星雨水泵房集水池共2倉(cang) ,每倉(cang) 各對應1台柵條間距 70 mm 的回轉鏈板式格柵,調蓄池通過名艙格柵後設置的DN800截流管入流,其起停由管道上的速閉閥控製,人流設施後安有頂部與(yu) 泵站設計低水位齊平的擋水堰，以控製調蓄池進水水位人流設施利用雨水泵房進水區擴散角多餘(yu) 空間進行布置(詳見圖2),考慮到調蓄池的清通養(yang) 護及放空泵的運行維護,雨水格柵的柵條間距仍過大;此外，調蓄池上部空倉(cang) 布置有雨水泵冷卻水泵間等設備用房,調苦池疊層布於(yu) 雨水泵房下方,若速閉閥損壞,無法停止進水,則會(hui) 對機組的安全運行造成一定的風險;故於(yu) 兩(liang) 側(ce) 的 DN800 截流管前各增設1艘隔間,設置間隙 20 mm的提籃格柵和 DN800 速閉閘,以保證調蓄池的穩定運行。

優(you) 化布置小結

麵對受限頗多的外部條件和苛刻狹小的用地空間,合建泵站在采用雨水、調蓄池上下合建,及雨、汙水泵站共用地下結構和管理設施的集約化總體(ti) 布置方案的前提下，還能夠通過機組選型、下部空間優(you) 化等手段,進一步精簡建築麵積、提高機組運行效率並使之與(yu) 工程投資做到最大化的平衡。

其中,就機組選型而言,主泵機組的配電需求會(hui) 對建築麵積和工程投資產(chan) 生一定影響,宜在設計初期綜合強電專(zhuan) 業(ye) 的配電方案確進行確定。如對於(yu) 九星泵站主泵機組的單機功率、總裝機容量和周邊市政供電情況而言,采用幹式抽芯泵能使各方達到平衡和最優(you) 化。而若單機功率升高至330kW以上:在水泵機組數量不變的情況下，其總裝機容量的上升將使得水泵的直啟動對市政電網造成一定衝(chong) 擊，故而需在開關(guan) 櫃和機組間增設軟啟動設備,其增加的建築麵積與(yu) 潛水離心泵低壓啟動時所需的變配電設備相近,而費用則增加將近約330萬(wan) ,因此在該工況下,選用潛水離心泵就成了較優(you) 方案。如若單機功率不變,水泵台數增加至10台,則總裝機容量增大至需由13kV市政供線接人,水泵的高壓直啟動對市政電網將不再造成衝(chong) 擊,此時幹式抽芯泵的造用又將成為(wei) 最優(you) 方案。

其次,集約化布置的合建泵站,地下空間情況複雜,宜提前預判各部分設施的運行維護需求,充分利用地下空倉(cang) 進行檢修設施及閥管布置,保證各主體(ti) 部分的日常檢修和穩定運行。

最後,宜在詳盡的現場調查基礎上,對主體(ti) 建築外立麵的造型、材質及色彩進行設計,以做到與(yu) 周邊環境最大程度的和諧。並因地製宜地進行綠化景觀布置,外圍景觀可以高大植物如樹木或竹類為(wei) 主,除在空間上形成自然隔斷外,也可使得噪聲、臭氣等對外影響被削減至最小:主體(ti) 建、構築物附近則可以低矮植物為(wei) 主,營造綠色優(you) 美的工作環境。3 汙水泵站配泵優(you) 化

運行條件分析

九星汙水泵站平時接納九星東(dong) 塊地區的旱流汙水,雨天降雨結束後,除地區汙水外還有地塊初期雨水棄流排入。泵站集水池內(nei) 的汙水經潛水泵提升後,於(yu) 設於(yu) 泵站內(nei) 的A#井與(yu) 雨水泵站下部設置的初期雨水調蓄池放空泵出水管匯合,經壓力出水管接人蘇州河六支流∅2400汙水總管,壓力出水管設計管徑DN400,長度共計約585m。泵站進、出水路由示意如圖4。

為(wei) 保證控汙設施的運行效果”，係統初期雨水棄流應於(yu) 降雨過後24h內(nei) 排空,考慮到汙水泵站及下遊管網設備配置及運行的穩定性，調蓄池均擬於(yu) 每場降雨後按16h的放空時間錯峰排放。結合前文中所列各水量分析,汙水泵房及出水壓力管在旱天及降雨過後24h內(nei) 共有5種不同的運行工況，分別如表1和表2所示。汙水泵房集水池水位根據《城鎮排水泵站設計標準》(DGJ08-22-2018)[8]中的相關(guan) 要求,結合上位汙水規劃計算得到;汙水泵房出水管接入外環線總管處(井B)水位根據相關(guan) 管理單位提供的資料確定。

分析各設計條件可知，汙水泵房的流量在工況 1、4、5 下與(yu) 工況 2、3下相差較大,如其在工況 1下與(yu) 工況2下相差2倍有餘(yu) ;此外,泵房壓力出水管管路較長,使得因流量變化造成的水頭損失變化增大,從(cong) 而導致水泵在不同工況下的揚程變化也隨之增大。故該工程在方案階段采用了兩(liang) 種配泵方案進行比選，以合理配泵,使機組能在各工況下均高效節能地運行。

配泵方案優(you) 化比選

配泵方案1

采用變頻器調節水泵運行參數,擬配3用1備共4台同種規格的潛水離心泵。以工況1的流量作為(wei) 總配泵流量,進行揚程計算,得到需配備的單泵電機功率 15 kW。對各工況下水泵的運行參數進行校核,結果如表3,可見降雨過後24h內(nei) ,泵站出水壓力管內(nei) 的流量差異較小，機組的平均工作揚程變化範圍在7%以內(nei) ;而旱天時,泵站出水壓力管內(nei) 的流量差異增大,平均及低峰流量時(工況2、3)水泵的工作揚程已偏離所配水泵的工作曲線,且對應的流量偏低。因此該方案中,為(wei) 保證泵站旱天平均和低峰流量時的正常運行,有3台水泵需加設變頻裝置，

配泵方案2

采用大、小泵搭配,應對不同工況的需要。分別以工況1和工況2的流量作為(wei) 大、小泵的總配泵流量,進行揚程計算,得到該方案共配置3大(1台冷備用)2小5台潛水離心泵,大、小泵電機功率分別為(wei) 15 kW和5.5 kW。對各運行工況下水泵的運行工況進行校核,結果如表4,可見,大、小泵對應的各工況下,泵站出水壓力管內(nei) 流量差異均不大，水泵的平均工作揚程變化範圍分別在7%及2%以內(nei) ，機組能夠在各工況下均平穩運行,僅(jin) 在工況2有1台大泵需為(wei) 2台小泵作備用時,由於(yu) 小泵的工作揚程較低偏離了大泵的工作曲線,需有1台大泵采用變頻。

配泵方案比選

首先,從(cong) 投資的角度而言,兩(liang) 者差別不大。方案1需配備3個(ge) 變頻器,相應增加約5%的電機費用及控製櫃的維護措施;方案2僅(jin) 需配備一個(ge) 變頻器,但另需增加1台潛水泵作為(wei) 冷備用。其次，從(cong) 長期運行穩定性的角度而言,方案2更有優(you) 勢。根據《上海市城市排水(雨水)防澇綜合規劃》上海年平均降雨日約132天,且約60%集中在5~9月,由此可見若采用方案1的配泵方式,則汙水泵房在晴天平均及低峰流量時,都需要依靠變頻運行;而方案2則將運行工況進行分類,分別配置不同規格的大、小泵，從(cong) 而保證了所配機組在各工況下均能夠穩定地在高效區運行。結合以上分析,該工程最終以方案2作為(wei) 汙水泵房的配泵方案。

結語

九星雨汙水合建泵站在空間受限的情形下，通過機組選型、下部空間優(you) 化等手段,結合因地製宜的總平布置,在保證各設施和機組在安全有效運行的前提下,做到總體(ti) 的集約化布置和與(yu) 周邊環境最大程度地協調。同時,通過汙水配泵優(you) 化，應對初期雨水排放對汙水提升泵站機組的運行及養(yang) 護帶來的影響。以期為(wei) 類似工程的設計和建設提供參考。