預制式泵站應用于優化中小型泵站的研究
摘要：預制泵站技術應用于排水管網系統的中小型泵站，有著傳統混凝土泵站無法比擬的優勢：體積小，材料新，流態好，造價低，集成度高，使用安全，安裝維護省時省力。而這一切，都離不開容積優化。本文將格蘭富公司數十年來對于該項技術容積優化方面的研究和探索進行分項介紹及論證，通過對比傳統混凝土泵站的相應性能，證明了預制泵站是給排水技術領域的一大進步，是泵站系統的一種優化，擁有廣闊的應用前景。
關鍵詞：預制泵站（PPS） 排水系統 容積優化 潛污泵 CFD
一、引言
泵站是為水提供勢能和壓能，解決無自流條件下的排灌、供水和水資源調配問題的唯一動力來源，因此它的作用特殊，地位重要，長期以來和人類的生產生活密切相關[1,2]。而應用于排水系統的傳統混凝土泵站作為目前的主流泵站，有著超過百年的歷史，為人類的污水收集處理和防洪排澇做出了杰出的貢獻。但隨著時間的推移和人類文明的進步，傳統混凝土泵站也日益暴露出它自身難以克服的缺點：混凝土池壁容易腐蝕；泵坑雜質沉積，減小了泵站容積，還導致毒性惡臭氣體揮發，帶來安全隱患；水泵長期在惡劣工況下工作，磨損和故障率增加，縮短水泵壽命；集成度低下導致的自動化程度難以提高，使得泵站常常缺乏有效的監控和管理，反過來又加劇了上述種種問題[3]；同時，混凝土泵站的造價一直居高不下，也限制了泵站自動化監控水平的提高。這些弊端都促使人們開始尋找一種性能更為優化的替代品。格蘭富公司就是探索新技術的先行者。早在40多年前，格蘭富研發中心的成員就已經致力于預制泵站（prefabricated pumping station，簡稱PPS）的研究和開發工作，時至今日，已經在歐洲各國擁有不少成功運行的經驗。PPS目前在國外的應用主要集中在管網末端污水收集和中途泵站，即中小型泵站（流量小于0.5m3/s），并且幾乎可以克服上述傳統混凝土泵站的所有缺點。而PPS技術各方面的優勢綜合起來看，最顯著的特點就是優化了泵站的體積。本文將逐項剖析PPS技術是如何通過理論研究和各項技術革新達到優化體積的目的，從而克服傳統混凝土泵站的種種弊端。
二、PPS簡介
PPS是格蘭富公司研發的集成式預制泵站。該泵站的筒體采用先進的材質如強化玻璃鋼（GRP）或聚乙烯樹酯（PE）自動化鑄造而成。內部的水泵、管路、閥門、儀表、控制設備、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，質量可靠，土建工作少，成本較低的新型一體化泵站設備，容積優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、研究方法與技術成果
體積小是PPS的一大革新。傳統泵站由于采用混凝土材質，大多數都在現場澆鑄，其內部空間的利用率不高，加上設備供應商和土建承包商相互獨立，設備的相互匹配度不高，設計師必須為設備安裝預留出充足的空間，往往導致傳統混凝土泵站“大而深”。PPS的容積優化就是通過計算有效容積的優化，底部泵坑的CFD水力模型優化，新型筒體材質的應用，內部管配件包括粉碎性格柵的集成化安裝等來實現。可以將PPS的體積控制在傳統混凝土泵站的1/3甚至更小。由此大大縮小了PPS的尺寸，節約了土建成本，方便運輸和安裝。
通過有效容積的嚴謹計算，以及所配用的高質量潛污泵的性能保障，PPS的有效容積可以達到傳統混凝土泵站有效容積的1/3，并且保證安全運行。
智能化底部的設計，得益于計算流體動力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）的研究，設計優化了泵坑底部的水力模型，解決了泵坑堵塞的難題。由此大大方便了運行維護，保障了水泵的壽命。同時，有效抑制了劇毒及惡臭氣體的產生，保護了環境。
新材料GRP和PE的應用，使得PPS不僅體積小，而且重量輕，造價較低。內部管配件的集成式安裝，使得PPS內部空間利用率高。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械格柵，大大減小泵站占地面積，同時減少人工，提高了安全系數。
1、PPS有效容積的優化
在我國現行的設計規范中，普遍規定污水泵站的有效容積必須是最大一臺泵為5分鐘的流量[4,5]，這一規定背后的依據是水泵每小時最多可以啟動6~7次。格蘭富豐富和發展了泵站有效容積的計算理論，經過嚴謹的理論計算和對新型潛污泵性能的測試，大膽提出PPS的有效容積不必拘泥于最大一臺泵5分鐘的流量。
以一個入流流量為50l/s的泵站計，傳統混凝土泵站必須考慮水泵的可靠性而留有超過必須的余量，按照傳統的設計理念，并且不考慮混凝土的建造誤差等因素，設計師必須保證泵站有9個立方米的有效容積，而按照PPS的設計理念，2.7個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底部空間的優化
傳統泵站的混凝土底部通常會有嚴重的污泥淤積，不時需要人工清淤來保障水泵的正常使用。這一過程不但繁瑣，而且對于清淤人員有一定的危險。PPS則利用CFD技術，在三維模型中根據要求和經驗更改水泵的位置和底面的形狀，調整坡度，設計出最優的具有自清潔功能的底部空間，即智能化底部。
CFD是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析[6,7]。CFD方法與傳統的理論分析方法、實驗測量方法組成了研究流體流動問題的完整體系，圖3為流體力學三種研究方法的示意圖。
采用CFD的方法對流體流動進行數值模擬，通常會包括如下幾個步驟：
①建立反映工程問題或物理問題本質的數學模型。即建立流體的基本控制方程，通常包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及這些方程的定解條件。
②尋求高效率、高準確度的計算方法。包括微分方程的離散化方法以及求解方法、貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。
③編制程序并進行計算，主要包括計算網格的劃分、初始條件和邊界條件的輸入、控制參數的設定等。這是整個CFD工作中花時間最多的部分。
④對計算結果進行后處理，這一步對檢查和判斷分析質量和結果有重要參考意義。
水泵吸入口附近流速很大，該底部不會產生污泥沉積。當潛污泵停止運行時，經CFD特殊設計的PPS智能化底部只允許少量的污水停留在泵坑，當泵再次啟動時，泵坑附近的大流速可以達到自清潔的效果，免除了人工清淤。
3、新材料的應用
PPS采用了GRP和PE材質，具有輕便，堅固，防水，運輸便捷，抗腐蝕能力強的優點[8]。進一步優化了PPS的體積。此外，在用GRP鑄造筒體的過程中，完全由計算機控制整個“織造”過程，并且引入了有限元（finite element）計算分析方法，建立線性模型進行計算，確保筒體和頂蓋等部件的強度。圖6為用于有限元分析的三維和二維軸對稱模型。鑒于有限元分析方法的復雜性，在此不一一贅述。
4、集成式內置設備
PPS的集成化程度非常高，管配件等設備在出廠前就已經安裝到位，充分利用了筒內的空間。此外，還可以根據用戶需要配備電控設備，工作臺，盥洗設施等，都能在PPS的有限空間里得到合理體現。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，配以高質量的潛污泵，粉碎后的小顆粒雜質可以通過潛污泵直接泵出，而無需人工清渣。
粉碎型格柵配套于PPS，只需安裝在進水管路上，并加開檢修井即可。幾乎沒有增加任何土建工作，輕松達到格柵的效果。使得整套PPS設施保持緊湊實用。
四、結論
本文通過介紹泵站有效容積計算，CFD流場模擬和計算，FE有限元模型的模擬計算和控制，以及粉碎型格柵等設備的整合，綜述了PPS技術是如何把理論研究和技術革新相結合，成功應用于中小型污水泵站，從而實現了泵站的容積優化，具有很高的應用價值。和傳統現澆混凝土泵站相比，PPS具有如下顯著的優點：
（1）PPS技術結合高質量潛污泵，通過計算證明和潛污泵性能保證，在設計上可以縮小有效容積，優化泵站體積。
（2）PPS技術立足于一家供應商，集設計，安裝，維護于一體，系統整合性能得到空前優化，所有設備和管配件在出廠前就已經通過測試并安裝完畢，系統質量和售后服具有強有力的保障，為用戶節約了寶貴的時間。同時，可以方便地滿足用戶的個性化需求，可配以粉碎型格柵，管道清潔器等設施，提高自控水平，方便日常運行管理。因此，現有PPS產品分為：濕井泵站，帶維修間的泵站，集成式泵站，綜合泵站（工程化產品）等，形式多樣，都是容積優化的體現。
（3）使用了GRP等新材料，通過計算機控制的筒體和底部鑄造，保證強度，滿足使用要求，同時使PPS具有質輕，環保，耐用的特點。
（4）除了上述優點外，PPS在投資性價比上也具有明顯的優勢。已有數據表明，PPS的造價（含現場安裝時的土建費用）至少可以比使用混凝土泵站節約20%，這一數據還不包括投入運行后所節約的人工費，管理費和維護費用。
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