近年来, 随着居民对饮用水水质要求的提高, 不少常规处理水厂考虑更新改造, 设置深度处理设施^[1]。由于深度处理设施是在原有净水工艺流程上新增加的, 因此改造时为匹配原有工艺流程, 需新建给水厂深度处理中间提升泵房。中间提升泵房虽然不是给水厂深度处理的净化工艺单元, 但其连接水厂常规处理构筑物和深度处理构筑物, 起到连接点和桥梁的作用, 其运行的可靠性直接影响到后续深度处理的稳定运行。

　　 作者在多年的给水工程设计中发现, 设计师会更多注重后续净化处理单元的参数选择和工程设计, 但容易忽视中间提升泵房的选型设计。当中间提升泵房的前调蓄水池容积不足、流态不好, 水泵选型不恰当时, 常规处理来水量一旦发生波动, 中间提升泵房难以适应, 会发生溢流或抽干的现象, 给运营单位带来很多管理风险。本文对中间提升泵房的水泵选型设计、泵房优化布置、泵房前调蓄水池设计等进行总结, 以期为今后给水厂中间提升泵房的工程设计和运营提供参考。

　　 图1是常见的常规处理给水厂高程布置示意, 沉淀池进水水位4.60 m, 清水池最高水位-0.10 m, 如果在V型滤池出水进入清水池之间新增深度处理设施, 则需考虑新建中间提升泵房, 将V型滤池出水提升至后续深度处理单元再处理。如果深度处理采用臭氧-生物活性炭工艺, 臭氧接触池单元水头损失约0.5 m, 生物活性炭单元水头损失约2.5 m, 考虑连接管路损失约1.5 m, 则臭氧-生物活性炭单元的水头损合计为4.5 m左右, 需由中间提升泵房提升。

　　 中间提升泵房将V型滤池出水提升至后续深度处理单元, 提升泵房内需设置泵前调蓄水池和水泵机组^[2]。调蓄水池有效水深一般为4～5 m, 因此设计水泵扬程为8～10 m, 且设置变频控制。中间提升泵房的水泵为大流量小扬程的水泵。

　　 为节约能耗并方便管理, 中间提升泵房水泵配置的几点原则如下:①为便于运行管理和维护, 应采用相同结构型式的水泵;②配泵方案需满足泵前调蓄水池水位变化导致的扬程变化, 能使水泵运行在高效范围内;③为适应上游重力流来水的流量变化和调蓄水池的水位变化, 水泵均应考虑设置变频调速^[3];④水泵配置的台数和泵房前调蓄水池容积密切相关。

　　 目前给水厂设计中常用叶片式水泵按流体转出叶轮方向的不同可分为离心泵、混流泵和轴流泵3种类型。对于以上3种水泵类型, 由于中间提升泵房的水泵扬程一般为8～10 m, 从水泵比转速来分析, 所采用的水泵应为高比转速离心泵或混流泵。

　　 不同类型的水泵按照安装方式和电机设置部位不同又分为卧式、立式和潜水型3种形式, 不同形式的水泵对应不同的泵房土建设计方式。实际工程中, 给水厂中间提升泵房一般会采用3种水泵:卧式离心泵、立式混流泵和潜水混流泵。本文按照某水厂所需额定流量Q=2 292 m³/h, 扬程H=10 m水泵的实际选型来比较不同水泵的运行差异。

　　 由于水泵扬程较低, 因此所选的卧式离心泵为高比转速, 低水泵转速的泵型号, 采用8级电机, 水泵电机功率P为90 kW。水泵安装形式如图2所示, 所选水泵的Q-H曲线和Q-P曲线如图3所示。

　　 卧式离心泵关死扬程为设计工况的1.1～1.3倍, 扬程随流量减少而增加, 从曲线看扬程变化比较缓慢。其关死功率较小, 轴功率随流量增加而略有下降, 且曲线比较平缓。由于采用8级电机, 卧式离心泵造价较高。卧式离心泵的效率较高, 所选水泵额定点效率为82.5%。

　　 立式混流泵为干式电机, 电机位于泵筒上部, 水泵电机功率为90 kW, 水泵安装形式如图4所示, 所选水泵的Q-H曲线和Q-P曲线如图5所示。

　　 立式混流泵关死扬程为设计工况的1.5～1.8倍, 扬程随流量减少而增加, 变化较急, Q-H曲线较陡。其关死功率不高, 轴功率随流量增加有波动, 先变小后变大再变小。所选立式混流泵额定点效率为81.1%。

　　 潜水混流泵是潜水型电机, 水泵电机功率为110 kW, 水泵安装形式如图6所示, 所选水泵的Q-H曲线和Q-P曲线如图7所示。

　　 潜水混流泵关死扬程为设计工况的1.2～1.3倍, 扬程随流量减少先急速增加, 后平稳, 流量大时变化较急。其关死功率较大, 轴功率随流量增加而急速变小。所选潜水混流泵额定点效率为78.5%。

　　 干式泵房就是泵前调蓄水池和水泵间用隔墙分开, 水泵的吸水管和叶轮与水接触, 这样水泵和电机可以保持干燥。卧式离心泵干式泵房的形式与水厂常见的反冲洗泵房或二级泵房类似, 泵房需设置巡检通道和检修空间, 占地面积大, 泵房土建费用高。

　　 图8为某给水厂将采用卧式离心泵的中间提升泵房结合滤池反冲洗泵房合建的泵房布置。该水厂中间提升泵房实际运行中发生以下问题:① 泵前调节水池只有1个吸水廊道, 容积小, 频繁发生启停泵情况, 溢流次数多, 特别是在反冲洗水泵运行前后, 流量冲击负荷大, 原因详见后文章节分析内容;②提升泵房卧式离心泵布置很拥挤, 人员巡检不便;③水泵进出口手动阀门、电动阀门和止回阀水头损失大, 水泵扬程仅10 m, 克服泵后阀门损失就有1～2 m水头;④ 吸水室无分隔, 泵前调蓄水池检修时该流程需完全停水。

　　 立式混流泵要求泵体安装于水下并保证一定的淹没水深, 泵房深度较大, 还需要较长的吸水流道。水泵立式安装对泵房的面积要求较小, 相同水泵数量条件下泵房的宽度小。立式混流泵检修时需先拆除顶部干式电动机, 再将水泵抽轴后检修, 需要有较高的起吊高度。

　　 图9为某给水厂的立式混流泵泵房布置, 与卧式离心泵泵房相比, 该泵房占地面积小, 布置紧凑。但该立式混流泵泵房较深, 底板埋深约7.2 m, 为了满足电机起吊检修和水泵抽轴检修, 提升泵房高度较高, 高出地面约12 m。该水厂中间提升泵房实际操作运行中存在的问题是:① 水泵安装精度要求高, 检修抽轴繁琐, 需要专业技术人员;② 水泵出口设置的拍门损坏度较高, 且每次拍门维修需要出水室停水排空, 影响其余水泵的运行。

　　 湿式泵房采用泵前调蓄水池和水泵间合建方式, 水泵的泵体和电机为潜水式, 与水接触。潜水混流泵所需安装尺寸较小, 占地面积最小, 且由于是潜水式, 可不设上部建筑, 或只设置简易吊架, 最低水位视电机冷却要求, 若带自冷则要求较低。

　　 图10为某给水厂潜水混流泵泵房布置示意, 该泵房占地面积最小, 无上部建筑, 仅设置吊架, 造价最低。该水厂中间提升泵房目前运行稳定可靠, 且由于水泵出水口无阀门设置, 为自由出水, 日常检修工作量少。潜水混流泵的检修只需要将水泵从井筒中吊出进行维护, 单泵检修时不会影响到其余水泵的正常运行, 无需停水。

　　 结合以上研究, 3种水泵在给水厂中间提升泵房使用的比较如表1所列。

　　 结合表1比较, 几点说明如下:

　　 (1) 从本次所选水泵效率看, 卧式离心泵效率高, 其次为立式混流泵, 潜水混流泵效率最低。水泵的效率与各厂商的制造精度也有关系。

　　 (2) 从比转速角度分析, 卧式离心泵主要适用于扬程较高的工作工况, 在低扬程工作条件下需要采用8级或10级电机, 造价高, 且易于产生过流超载现象。高比转速的混流泵类型可选择的余地大。

　　 (3) 卧式离心泵中间提升泵房需设置巡检通道和检修空间, 占地面积大, 上部建筑需满足卧式离心泵起吊要求, 泵房土建费用高。立式混流泵对泵房的面积要求较小, 泵房的宽度小, 但需安装于水下并保证一定的淹没水深, 泵房深度较大, 且检修时需先拆除顶部干式电动机, 再将水泵抽轴后检修, 上部建筑较高。潜水混流泵中间提升泵房为湿式泵房, 所需安装尺寸小, 占地面积最小, 可不设上部建筑, 或只设置简易吊架, 泵房土建造价低。

　　 (4) 中间提升泵房前会设置调蓄水池, 受水厂用地条件的限制, 调蓄水池一般占地面积不大, 水位变幅较大。中间提升泵房的流量随着水厂处理水量的变化而变化, 同时扬程的变幅也较大。实际运行时, 当调蓄水池水位低所需泵扬程高时, 希望水泵的流量小些, 反之, 当调蓄水池水位高时, 希望水泵的出水量大些, 因此选用Q-H曲线略陡的混流泵, 能更好地适应实际运行。

　　 中间提升泵房前调蓄水池的设置至关重要^[4], 水泵从调蓄水池内吸水提升, 调蓄水池的容积大小与诸多因素有关, 包括前续工艺来水日常变化规律、来水突变的情况、水泵配置台数、单泵流量大小、水泵变频设置、水泵曲线情况等。如果泵房前调蓄水池容积设置过大, 则会造成土建施工浪费;如果泵房前调蓄水池容积过小, 则日常运行调蓄水池内水位变幅大, 水泵开关频繁。如多台水泵并联曲线的运行范围不能完全覆盖进水流量的变化, 则会发生溢流情况, 极大地影响水厂的制水生产安全。

　　 在实际设计过程中, 会设定一些前提条件, 在假定的前提条件下, 分析确定泵房前调蓄水池的容积。笔者一般采用美国环境保护局USEPA的EPANET软件模拟提升泵房调蓄水池在水泵不变频条件下的水位情况, 以此初步判断水泵的运行情况以及设置的调蓄水池能否满足实际生产运行需求。

　　 某30万m³/d规模给水厂某一较大流量典型日的制水流量变化统计值, 如表2所列。该水厂21:00～24:00时水流量偏大是因为水厂考虑峰谷电价, 夜间实施滤池反冲洗, 以及多制水生产充满清水池。

　　 以表2的制水流量为参考, 分析提升泵房调蓄水池的容积需求。在EPANET软件中模拟调蓄水池水泵提升模型如图11所示, 设置6台常用潜水混流泵自调蓄水池吸水后提升至后续臭氧接触池, 软件中单台水泵Q-H曲线设定如图12所示。

　　 模拟计算的前提条件和假定说明如下:①中间提升泵房后续工艺臭氧接触池进水水位恒定;②本工程调蓄水池有效水深3.60 m, 当水位较低时, 单台水泵运行扬程大, 流量小, 水位较高时, 单台水泵运行扬程小, 流量大, 本模拟计算时暂不考虑水泵变频调速, 以水泵自身的流量扬程调节以及开停泵来控制水位;③根据进水流量规律, 计算人为设定6台水泵中1～3#水泵常态运行, 4～6#水泵考虑开停。其中设定6#水泵, 当调蓄水池水位低于1.6 m时关闭, 当水位高于2.6 m时开启;5#水泵, 当水位低于1.2 m时关闭, 当水位高于2.9 m时开启;4#水泵, 当水位低于0.8 m时关闭, 当水位高于3.2 m时开启。

　　 在容积一定的情况下, 调蓄水池的水位变幅受水泵运行特性曲线自平衡和开关水泵台数所影响, 试算不同调蓄水池容积条件下, 水泵的开停在可接受的范围内。试算工况一:调蓄水池容积为800 m³时, 一天24 h内, 4#泵开停1次, 5#泵开停2次, 6#泵开停45次, 合计一天开停水泵次数48次。试算工况二:调蓄水池容积为1 200 m³时, 一天24 h内, 4#泵开停1次, 5#泵开停2次, 6#泵开停25次。一天开停水泵28次, 平均约1 h 1次。工况二条件下泵前调蓄水池一天24 h水位变幅如图13所示, 6#水泵的单泵产水流量如图14所示 (图14中1个峰即为开停1次) 。

　　 提升泵房调蓄池容积越小, 水池水位变幅越快, 水泵开停次数越频繁。工程最终选定调蓄水池容积为1 200 m³, 约为单台水泵30 min的水量。以上模拟了一个较为典型的工况, 实际运行时发生的工况更为复杂, 同时, 实际运行时水泵设置变频, 通过水泵变频调速适应来水流量的波动和其他情况的发生, 此时水泵的开停次数会更少或尽量避免。水厂为节能运行, 有条件时会尽量维持提升泵房前调蓄水池的高水位运行。根据现有的水厂自控水平做到水泵变频调速高水位节能运行没有问题, 但在线仪表可能会有误判或其他故障, 因此提升泵房调蓄池不建议太小, 且需设置溢流措施。

　　 (1) 市政给水厂在原有净水工艺流程上新增加深度处理设施, 改造时为适应原有工艺流程, 需新建中间提升泵房。中间提升泵房虽然不是给水厂深度处理的净化工艺单元, 但其连接水厂常规处理构筑物和深度处理构筑物, 其运行的可靠性直接影响到常规处理与后续深度处理水量的稳定衔接。

　　 (2) 给水厂中间提升泵房可选择3种水泵形式:卧式离心泵、立式混流泵和潜水混流泵。从比转速角度分析, 卧式离心泵主要适用于扬程较高的工作工况, 在低扬程工作条件下需要采用8级或10级电机, 造价高, 中间提升泵房一般优选高比转速的混流泵类型。立式混流泵房占地面积较小, 泵房的宽度也比较小, 但水泵叶轮安装有一定的淹没水深要求, 泵房深度较大, 且水泵检修时需先拆除顶部干式电动机, 泵房上部建筑较高。潜水混流泵房为湿式泵房, 所需安装尺寸小, 占地面积小, 可不设上部建筑, 只需设置简易吊架, 泵房土建造价低。潜水混流泵的出水口可以不设置阀门, 日常检修工作量少, 单泵检修时不会影响到其他水泵的正常运行, 泵房也无需停水。

　　 (3) 为便于运行管理和设备维护, 中间提升泵房宜采用相同型式和相同规格的水泵;能适应泵前调蓄水池各种水位变化导致的扬程变化, 能运行在水泵高效范围内;为适应上游常规处理来水的流量变化和调蓄水池的水位变化, 水泵可设置变频调速。

　　 (4) 中间提升泵房前的调蓄水池容积与前序常规处理来水因各种原因引起的变化, 及提升泵房的水泵数量、单泵流量、水泵是否设置变频、水泵特性曲线等情况密切相关, 在实际设计中, 需分析计算水泵的运行情况来评估设置的调蓄水池能否满足实际生产运行需求。