預(yù)制式泵站應(yīng)用于優(yōu)化中小型泵站的研究
摘要：預(yù)制泵站技術(shù)應(yīng)用于排水管網(wǎng)系統(tǒng)的中小型泵站，有著傳統(tǒng)混凝土泵站無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)：體積小，材料新，流態(tài)好，造價(jià)低，集成度高，使用安全，安裝維護(hù)省時(shí)省力。而這一切，都離不開容積優(yōu)化。本文將格蘭富公司數(shù)十年來(lái)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)容積優(yōu)化方面的研究和探索進(jìn)行分項(xiàng)介紹及論證，通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)混凝土泵站的相應(yīng)性能，證明了預(yù)制泵站是給排水技術(shù)領(lǐng)域的一大進(jìn)步，是泵站系統(tǒng)的一種優(yōu)化，擁有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：預(yù)制泵站（PPS） 排水系統(tǒng) 容積優(yōu)化 潛污泵 CFD
一、引言
泵站是為水提供勢(shì)能和壓能，解決無(wú)自流條件下的排灌、供水和水資源調(diào)配問(wèn)題的唯一動(dòng)力來(lái)源，因此它的作用特殊，地位重要，長(zhǎng)期以來(lái)和人類的生產(chǎn)生活密切相關(guān)[1,2]。而應(yīng)用于排水系統(tǒng)的傳統(tǒng)混凝土泵站作為目前的主流泵站，有著超過(guò)百年的歷史，為人類的污水收集處理和防洪排澇做出了杰出的貢獻(xiàn)。但隨著時(shí)間的推移和人類文明的進(jìn)步，傳統(tǒng)混凝土泵站也日益暴露出它自身難以克服的缺點(diǎn)：混凝土池壁容易腐蝕；泵坑雜質(zhì)沉積，減小了泵站容積，還導(dǎo)致毒性惡臭氣體揮發(fā)，帶來(lái)安全隱患；水泵長(zhǎng)期在惡劣工況下工作，磨損和故障率增加，縮短水泵壽命；集成度低下導(dǎo)致的自動(dòng)化程度難以提高，使得泵站常常缺乏有效的監(jiān)控和管理，反過(guò)來(lái)又加劇了上述種種問(wèn)題[3]；同時(shí)，混凝土泵站的造價(jià)一直居高不下，也限制了泵站自動(dòng)化監(jiān)控水平的提高。這些弊端都促使人們開始尋找一種性能更為優(yōu)化的替代品。格蘭富公司就是探索新技術(shù)的先行者。早在40多年前，格蘭富研發(fā)中心的成員就已經(jīng)致力于預(yù)制泵站（prefabricated pumping station，簡(jiǎn)稱PPS）的研究和開發(fā)工作，時(shí)至今日，已經(jīng)在歐洲各國(guó)擁有不少成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。PPS目前在國(guó)外的應(yīng)用主要集中在管網(wǎng)末端污水收集和中途泵站，即中小型泵站（流量小于0.5m3/s），并且?guī)缀蹩梢钥朔鲜鰝鹘y(tǒng)混凝土泵站的所有缺點(diǎn)。而PPS技術(shù)各方面的優(yōu)勢(shì)綜合起來(lái)看，最顯著的特點(diǎn)就是優(yōu)化了泵站的體積。本文將逐項(xiàng)剖析PPS技術(shù)是如何通過(guò)理論研究和各項(xiàng)技術(shù)革新達(dá)到優(yōu)化體積的目的，從而克服傳統(tǒng)混凝土泵站的種種弊端。
二、PPS簡(jiǎn)介
PPS是格蘭富公司研發(fā)的集成式預(yù)制泵站。該泵站的筒體采用先進(jìn)的材質(zhì)如強(qiáng)化玻璃鋼（GRP）或聚乙烯樹酯（PE）自動(dòng)化鑄造而成。內(nèi)部的水泵、管路、閥門、儀表、控制設(shè)備、樓梯以及其它用戶所需要的附件都可以由格蘭富公司成套提供，并安裝完畢后出廠。它甚至可以帶維修間和格柵，是一種使用方便，質(zhì)量可靠，土建工作少，成本較低的新型一體化泵站設(shè)備，容積優(yōu)化是其最顯著的特征，可以作為中小型混凝土泵站的替代品。
三、研究方法與技術(shù)成果
體積小是PPS的一大革新。傳統(tǒng)泵站由于采用混凝土材質(zhì)，大多數(shù)都在現(xiàn)場(chǎng)澆鑄，其內(nèi)部空間的利用率不高，加上設(shè)備供應(yīng)商和土建承包商相互獨(dú)立，設(shè)備的相互匹配度不高，設(shè)計(jì)師必須為設(shè)備安裝預(yù)留出充足的空間，往往導(dǎo)致傳統(tǒng)混凝土泵站“大而深”。PPS的容積優(yōu)化就是通過(guò)計(jì)算有效容積的優(yōu)化，底部泵坑的CFD水力模型優(yōu)化，新型筒體材質(zhì)的應(yīng)用，內(nèi)部管配件包括粉碎性格柵的集成化安裝等來(lái)實(shí)現(xiàn)？梢詫PS的體積控制在傳統(tǒng)混凝土泵站的1/3甚至更小。由此大大縮小了PPS的尺寸，節(jié)約了土建成本，方便運(yùn)輸和安裝。
通過(guò)有效容積的嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算，以及所配用的高質(zhì)量潛污泵的性能保障，PPS的有效容積可以達(dá)到傳統(tǒng)混凝土泵站有效容積的1/3，并且保證安全運(yùn)行。
智能化底部的設(shè)計(jì)，得益于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）的研究，設(shè)計(jì)優(yōu)化了泵坑底部的水力模型，解決了泵坑堵塞的難題。由此大大方便了運(yùn)行維護(hù)，保障了水泵的壽命。同時(shí)，有效抑制了劇毒及惡臭氣體的產(chǎn)生，保護(hù)了環(huán)境。
新材料GRP和PE的應(yīng)用，使得PPS不僅體積小，而且重量輕，造價(jià)較低。內(nèi)部管配件的集成式安裝，使得PPS內(nèi)部空間利用率高。尤其是粉碎性格柵的使用，將可以替代一整套人工格柵或機(jī)械格柵，大大減小泵站占地面積，同時(shí)減少人工，提高了安全系數(shù)。
1、PPS有效容積的優(yōu)化
在我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中，普遍規(guī)定污水泵站的有效容積必須是最大一臺(tái)泵為5分鐘的流量[4,5]，這一規(guī)定背后的依據(jù)是水泵每小時(shí)最多可以啟動(dòng)6~7次。格蘭富豐富和發(fā)展了泵站有效容積的計(jì)算理論，經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撚?jì)算和對(duì)新型潛污泵性能的測(cè)試，大膽提出PPS的有效容積不必拘泥于最大一臺(tái)泵5分鐘的流量。
以一個(gè)入流流量為50l/s的泵站計(jì)，傳統(tǒng)混凝土泵站必須考慮水泵的可靠性而留有超過(guò)必須的余量，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并且不考慮混凝土的建造誤差等因素，設(shè)計(jì)師必須保證泵站有9個(gè)立方米的有效容積，而按照PPS的設(shè)計(jì)理念，2.7個(gè)立方米的有效容積就足夠了，而且水泵的使用安全性也有保障。
2、PPS底部空間的優(yōu)化
傳統(tǒng)泵站的混凝土底部通常會(huì)有嚴(yán)重的污泥淤積，不時(shí)需要人工清淤來(lái)保障水泵的正常使用。這一過(guò)程不但繁瑣，而且對(duì)于清淤人員有一定的危險(xiǎn)。PPS則利用CFD技術(shù)，在三維模型中根據(jù)要求和經(jīng)驗(yàn)更改水泵的位置和底面的形狀，調(diào)整坡度，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的具有自清潔功能的底部空間，即智能化底部。
CFD是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析[6,7]。CFD方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法組成了研究流體流動(dòng)問(wèn)題的完整體系，圖3為流體力學(xué)三種研究方法的示意圖。
采用CFD的方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通常會(huì)包括如下幾個(gè)步驟：
①建立反映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。即建立流體的基本控制方程，通常包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程以及這些方程的定解條件。
②尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。包括微分方程的離散化方法以及求解方法、貼體坐標(biāo)的建立、邊界條件的處理等。
③編制程序并進(jìn)行計(jì)算，主要包括計(jì)算網(wǎng)格的劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數(shù)的設(shè)定等。這是整個(gè)CFD工作中花時(shí)間最多的部分。
④對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，這一步對(duì)檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。
水泵吸入口附近流速很大，該底部不會(huì)產(chǎn)生污泥沉積。當(dāng)潛污泵停止運(yùn)行時(shí)，經(jīng)CFD特殊設(shè)計(jì)的PPS智能化底部只允許少量的污水停留在泵坑，當(dāng)泵再次啟動(dòng)時(shí)，泵坑附近的大流速可以達(dá)到自清潔的效果，免除了人工清淤。
3、新材料的應(yīng)用
PPS采用了GRP和PE材質(zhì)，具有輕便，堅(jiān)固，防水，運(yùn)輸便捷，抗腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[8]。進(jìn)一步優(yōu)化了PPS的體積。此外，在用GRP鑄造筒體的過(guò)程中，完全由計(jì)算機(jī)控制整個(gè)“織造”過(guò)程，并且引入了有限元（finite element）計(jì)算分析方法，建立線性模型進(jìn)行計(jì)算，確保筒體和頂蓋等部件的強(qiáng)度。圖6為用于有限元分析的三維和二維軸對(duì)稱模型。鑒于有限元分析方法的復(fù)雜性，在此不一一贅述。
4、集成式內(nèi)置設(shè)備
PPS的集成化程度非常高，管配件等設(shè)備在出廠前就已經(jīng)安裝到位，充分利用了筒內(nèi)的空間。此外，還可以根據(jù)用戶需要配備電控設(shè)備，工作臺(tái)，盥洗設(shè)施等，都能在PPS的有限空間里得到合理體現(xiàn)。以粉碎型格柵為例，粉碎型格柵具有占地小，使用方便的功能，配以高質(zhì)量的潛污泵，粉碎后的小顆粒雜質(zhì)可以通過(guò)潛污泵直接泵出，而無(wú)需人工清渣。
粉碎型格柵配套于PPS，只需安裝在進(jìn)水管路上，并加開檢修井即可。幾乎沒(méi)有增加任何土建工作，輕松達(dá)到格柵的效果。使得整套PPS設(shè)施保持緊湊實(shí)用。
四、結(jié)論
本文通過(guò)介紹泵站有效容積計(jì)算，CFD流場(chǎng)模擬和計(jì)算，F(xiàn)E有限元模型的模擬計(jì)算和控制，以及粉碎型格柵等設(shè)備的整合，綜述了PPS技術(shù)是如何把理論研究和技術(shù)革新相結(jié)合，成功應(yīng)用于中小型污水泵站，從而實(shí)現(xiàn)了泵站的容積優(yōu)化，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。和傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土泵站相比，PPS具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
（1）PPS技術(shù)結(jié)合高質(zhì)量潛污泵，通過(guò)計(jì)算證明和潛污泵性能保證，在設(shè)計(jì)上可以縮小有效容積，優(yōu)化泵站體積。
（2）PPS技術(shù)立足于一家供應(yīng)商，集設(shè)計(jì)，安裝，維護(hù)于一體，系統(tǒng)整合性能得到空前優(yōu)化，所有設(shè)備和管配件在出廠前就已經(jīng)通過(guò)測(cè)試并安裝完畢，系統(tǒng)質(zhì)量和售后服具有強(qiáng)有力的保障，為用戶節(jié)約了寶貴的時(shí)間。同時(shí)，可以方便地滿足用戶的個(gè)性化需求，可配以粉碎型格柵，管道清潔器等設(shè)施，提高自控水平，方便日常運(yùn)行管理。因此，現(xiàn)有PPS產(chǎn)品分為：濕井泵站，帶維修間的泵站，集成式泵站，綜合泵站（工程化產(chǎn)品）等，形式多樣，都是容積優(yōu)化的體現(xiàn)。
（3）使用了GRP等新材料，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的筒體和底部鑄造，保證強(qiáng)度，滿足使用要求，同時(shí)使PPS具有質(zhì)輕，環(huán)保，耐用的特點(diǎn)。
（4）除了上述優(yōu)點(diǎn)外，PPS在投資性價(jià)比上也具有明顯的優(yōu)勢(shì)。已有數(shù)據(jù)表明，PPS的造價(jià)（含現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的土建費(fèi)用）至少可以比使用混凝土泵站節(jié)約20%，這一數(shù)據(jù)還不包括投入運(yùn)行后所節(jié)約的人工費(fèi)，管理費(fèi)和維護(hù)費(fèi)用。
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