摘要：預(yu)制泵(beng)站技術應(ying)用(yong)于(yu)排(pai)水管網系統的(de)中小型(xing)泵(beng)站，有(you)著傳統混凝土泵(beng)站無法比擬的(de)優(you)勢：體積(ji)小，材(cai)料新，流態好，造價低，集成度高，使(shi)用(yong)安全(quan)，安裝(zhuang)維護省時省力。而(er)這一切，都離不開容積(ji)優(you)化。本文將格蘭富公司數十年來(lai)對于(yu)該項(xiang)技術容積(ji)優(you)化方面的(de)研究(jiu)和探索(suo)進(jin)行(xing)分項(xiang)介紹及論(lun)證，通過對比傳統混凝土泵(beng)站的(de)相(xiang)應(ying)性能，證明了預(yu)制泵(beng)站是給排(pai)水技術領域(yu)的(de)一大進(jin)步(bu)，是泵(beng)站系統的(de)一種優(you)化，擁有(you)廣闊的(de)應(ying)用(yong)前景(jing)。

關鍵詞：預制泵(beng)站（PPS）　排水系統　容積優化　潛污泵(beng)　CFD

一、引言

泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)是(shi)為水(shui)提供(gong)勢(shi)能(neng)和(he)(he)(he)壓能(neng)，解決無(wu)自(zi)流條件(jian)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)排(pai)灌、供(gong)水(shui)和(he)(he)(he)水(shui)資(zi)源調配問題的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)唯一動力來(lai)(lai)源，因此它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)(yong)特殊，地位重要(yao)，長期以(yi)(yi)來(lai)(lai)和(he)(he)(he)人(ren)類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產生活密切相關[1,2]。而應用(yong)(yong)于(yu)排(pai)水(shui)系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)統(tong)(tong)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)作(zuo)(zuo)為目前的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主流泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)，有(you)著超過百年(nian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)歷史，為人(ren)類(lei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)污水(shui)收集處理和(he)(he)(he)防洪(hong)排(pai)澇做出(chu)了(le)(le)杰出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)貢獻。但隨著時(shi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)推移和(he)(he)(he)人(ren)類(lei)文明的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)進步，傳(chuan)統(tong)(tong)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)也(ye)(ye)日益暴露出(chu)它自(zi)身難以(yi)(yi)克(ke)服(fu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)缺(que)(que)點(dian)：混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)池壁(bi)容(rong)易腐蝕；泵(beng)(beng)(beng)(beng)坑雜質(zhi)沉積，減小了(le)(le)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)容(rong)積，還導致(zhi)(zhi)毒性惡(e)臭氣體(ti)揮發(fa)，帶來(lai)(lai)安(an)全隱(yin)患；水(shui)泵(beng)(beng)(beng)(beng)長期在(zai)惡(e)劣工況下工作(zuo)(zuo)，磨損和(he)(he)(he)故障率增加，縮短(duan)水(shui)泵(beng)(beng)(beng)(beng)壽命；集成(cheng)度(du)低下導致(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)動化程度(du)難以(yi)(yi)提高(gao)，使得泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)常(chang)常(chang)缺(que)(que)乏有(you)效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)監控和(he)(he)(he)管(guan)理，反過來(lai)(lai)又加劇了(le)(le)上述(shu)種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)問題[3]；同時(shi)，混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)造價一直(zhi)居高(gao)不(bu)(bu)下，也(ye)(ye)限制(zhi)了(le)(le)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)自(zi)動化監控水(shui)平(ping)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)提高(gao)。這些弊端都促使人(ren)們開(kai)始(shi)尋找一種(zhong)(zhong)性能(neng)更(geng)為優(you)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)替(ti)代品。格(ge)蘭(lan)(lan)富(fu)公司就是(shi)探索新(xin)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)先行者。早在(zai)40多(duo)年(nian)前，格(ge)蘭(lan)(lan)富(fu)研(yan)發(fa)中(zhong)心(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)員就已經致(zhi)(zhi)力于(yu)預制(zhi)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)（prefabricated pumping station，簡稱PPS）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究和(he)(he)(he)開(kai)發(fa)工作(zuo)(zuo)，時(shi)至今(jin)日，已經在(zai)歐洲各國擁有(you)不(bu)(bu)少成(cheng)功運行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)經驗。PPS目前在(zai)國外的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)主要(yao)集中(zhong)在(zai)管(guan)網末端污水(shui)收集和(he)(he)(he)中(zhong)途泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)，即中(zhong)小型泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)（流量小于(yu)0.5m3/s），并(bing)且幾乎可以(yi)(yi)克(ke)服(fu)上述(shu)傳(chuan)統(tong)(tong)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)所(suo)有(you)缺(que)(que)點(dian)。而PPS技(ji)術(shu)各方面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)優(you)勢(shi)綜合起來(lai)(lai)看，最顯著的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特點(dian)就是(shi)優(you)化了(le)(le)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)體(ti)積。本文將逐(zhu)項剖析PPS技(ji)術(shu)是(shi)如何通過理論研(yan)究和(he)(he)(he)各項技(ji)術(shu)革新(xin)達到優(you)化體(ti)積的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，從而克(ke)服(fu)傳(chuan)統(tong)(tong)混(hun)凝(ning)(ning)土(tu)泵(beng)(beng)(beng)(beng)站(zhan)(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)弊端。

二、PPS簡介

PPS是格(ge)蘭(lan)富公司(si)研發(fa)的(de)(de)集成式(shi)預制泵(beng)站。該泵(beng)站的(de)(de)筒體采用先進的(de)(de)材質(zhi)如強(qiang)化玻璃(li)鋼(gang)（GRP）或聚乙烯(xi)樹酯（PE）自(zi)動化鑄造(zao)而成。內部(bu)的(de)(de)水泵(beng)、管路、閥門、儀(yi)表、控制設(she)備、樓梯以(yi)(yi)及(ji)其它(ta)(ta)用戶所(suo)需要的(de)(de)附件都(dou)可(ke)(ke)以(yi)(yi)由(you)格(ge)蘭(lan)富公司(si)成套提供(gong)，并安(an)裝完畢后出廠。它(ta)(ta)甚至可(ke)(ke)以(yi)(yi)帶維修間和格(ge)柵，是一種使用方便，質(zhi)量可(ke)(ke)靠(kao)，土建工作少(shao)，成本較低的(de)(de)新型一體化泵(beng)站設(she)備，容積優化是其最(zui)顯著的(de)(de)特征，可(ke)(ke)以(yi)(yi)作為(wei)中(zhong)小型混凝土泵(beng)站的(de)(de)替代品(pin)。

三、研究(jiu)方法(fa)與技術成(cheng)果

體積(ji)(ji)小是(shi)PPS的(de)(de)(de)(de)一大(da)革(ge)新(xin)。傳(chuan)統(tong)泵(beng)站由于采(cai)用(yong)混(hun)凝土(tu)材質，大(da)多(duo)數都(dou)在(zai)現場澆鑄，其內部(bu)空(kong)間的(de)(de)(de)(de)利(li)用(yong)率不高(gao)，加上設備供應(ying)商和(he)土(tu)建承包(bao)商相(xiang)互獨立，設備的(de)(de)(de)(de)相(xiang)互匹配(pei)度不高(gao)，設計師必須為設備安裝(zhuang)預留(liu)出充足的(de)(de)(de)(de)空(kong)間，往(wang)往(wang)導致傳(chuan)統(tong)混(hun)凝土(tu)泵(beng)站“大(da)而深”。PPS的(de)(de)(de)(de)容積(ji)(ji)優化(hua)就是(shi)通(tong)過計算(suan)有效容積(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)優化(hua)，底部(bu)泵(beng)坑的(de)(de)(de)(de)CFD水力模型優化(hua)，新(xin)型筒體材質的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)，內部(bu)管配(pei)件包(bao)括粉(fen)碎性(xing)格柵的(de)(de)(de)(de)集(ji)成化(hua)安裝(zhuang)等來(lai)實現。可以將PPS的(de)(de)(de)(de)體積(ji)(ji)控制在(zai)傳(chuan)統(tong)混(hun)凝土(tu)泵(beng)站的(de)(de)(de)(de)1/3甚至更小。由此大(da)大(da)縮(suo)小了(le)(le)PPS的(de)(de)(de)(de)尺(chi)寸，節約了(le)(le)土(tu)建成本，方便運(yun)輸(shu)和(he)安裝(zhuang)。

通過有效容(rong)積的(de)(de)嚴謹計算，以及所配用的(de)(de)高(gao)質量潛污泵(beng)的(de)(de)性能保障，PPS的(de)(de)有效容(rong)積可以達到傳(chuan)統混凝(ning)土泵(beng)站有效容(rong)積的(de)(de)1/3，并(bing)且保證安(an)全運行。

智能化(hua)底部的設計(ji)，得益(yi)于計(ji)算流體動力學（computational fluid dynamics，簡稱CFD）的研究，設計(ji)優化(hua)了(le)泵坑底部的水力模型，解(jie)決(jue)了(le)泵坑堵塞的難題。由(you)此大大方便了(le)運行維護，保障了(le)水泵的壽(shou)命。同時，有效(xiao)抑(yi)制(zhi)了(le)劇毒及(ji)惡(e)臭氣(qi)體的產生，保護了(le)環境。

新材料GRP和PE的應用，使得PPS不(bu)僅(jin)體積小(xiao)，而(er)且重量輕，造價(jia)較低。內部管配(pei)件(jian)的集(ji)成式安(an)裝，使得PPS內部空間利用率高(gao)。尤(you)其是粉碎性格(ge)柵的使用，將可以替代(dai)一整套人工格(ge)柵或機械格(ge)柵，大(da)大(da)減小(xiao)泵站占地面積，同時(shi)減少人工，提(ti)高(gao)了安(an)全系數。

1、PPS有效容積的優化

在(zai)我國現行的(de)(de)設計規范(fan)中(zhong)，普遍規定污(wu)水(shui)泵(beng)(beng)(beng)站的(de)(de)有效(xiao)容(rong)積必(bi)須是最大一臺泵(beng)(beng)(beng)為5分鐘的(de)(de)流量[4,5]，這(zhe)一規定背后的(de)(de)依據是水(shui)泵(beng)(beng)(beng)每小時(shi)最多可以啟動6~7次(ci)。格蘭富(fu)豐(feng)富(fu)和發展了泵(beng)(beng)(beng)站有效(xiao)容(rong)積的(de)(de)計算(suan)理論，經(jing)過嚴謹的(de)(de)理論計算(suan)和對新型潛污(wu)泵(beng)(beng)(beng)性(xing)能(neng)的(de)(de)測試(shi)，大膽提出PPS的(de)(de)有效(xiao)容(rong)積不必(bi)拘(ju)泥于最大一臺泵(beng)(beng)(beng)5分鐘的(de)(de)流量。

以一個(ge)入流流量為(wei)50l/s的泵(beng)(beng)(beng)站(zhan)計(ji)，傳統混凝(ning)土泵(beng)(beng)(beng)站(zhan)必(bi)須(xu)考慮(lv)水(shui)泵(beng)(beng)(beng)的可靠性(xing)而(er)留有(you)(you)(you)超過必(bi)須(xu)的余量，按照(zhao)傳統的設計(ji)理念，并且不考慮(lv)混凝(ning)土的建(jian)造誤差等因素，設計(ji)師必(bi)須(xu)保證(zheng)泵(beng)(beng)(beng)站(zhan)有(you)(you)(you)9個(ge)立方米的有(you)(you)(you)效(xiao)容積(ji)，而(er)按照(zhao)PPS的設計(ji)理念，2.7個(ge)立方米的有(you)(you)(you)效(xiao)容積(ji)就足(zu)夠了，而(er)且水(shui)泵(beng)(beng)(beng)的使用安全(quan)性(xing)也有(you)(you)(you)保障。

2、PPS底部空間的優(you)化

傳統泵站(zhan)的(de)(de)混凝土底(di)部(bu)通常(chang)(chang)會有嚴重的(de)(de)污(wu)泥(ni)淤積，不時需要(yao)人工清淤來保障(zhang)水泵的(de)(de)正常(chang)(chang)使用。這一過程不但(dan)繁瑣，而且對(dui)于清淤人員有一定(ding)的(de)(de)危(wei)險。PPS則利用CFD技(ji)術，在三(san)維模型中根據要(yao)求和(he)(he)經驗更改水泵的(de)(de)位置和(he)(he)底(di)面的(de)(de)形狀，調(diao)整坡度(du)，設計出最(zui)優的(de)(de)具(ju)有自(zi)清潔功能的(de)(de)底(di)部(bu)空間，即智能化底(di)部(bu)。

CFD是通過計算(suan)機數值計算(suan)和(he)圖像顯示，對包含有(you)流體流動和(he)熱傳導等相(xiang)關(guan)物(wu)理(li)現象的(de)(de)系統所做(zuo)的(de)(de)分析(xi)[6,7]。CFD方法與傳統的(de)(de)理(li)論分析(xi)方法、實驗(yan)測量方法組成了(le)研(yan)究流體流動問題的(de)(de)完(wan)整(zheng)體系，圖3為流體力學(xue)三種(zhong)研(yan)究方法的(de)(de)示意圖。

采(cai)用CFD的方法對流體流動進行數(shu)值(zhi)模擬，通常(chang)會包括如下幾個步驟(zou)：

①建立反(fan)映工(gong)程問題或物理問題本質(zhi)的(de)數(shu)學模型。即建立流體的(de)基(ji)本控制方程，通常包括質(zhi)量(liang)(liang)守恒(heng)方程、動量(liang)(liang)守恒(heng)方程、能量(liang)(liang)守恒(heng)方程以(yi)及這些(xie)方程的(de)定解條件(jian)。

②尋求高效率、高準確(que)度的計算(suan)方(fang)法(fa)。包括微分(fen)方(fang)程的離散化方(fang)法(fa)以及(ji)求解方(fang)法(fa)、貼(tie)體坐標的建立、邊(bian)界條件的處理(li)等。

③編制程序并進(jin)行計(ji)算，主要包括計(ji)算網格的劃(hua)分(fen)、初始條件(jian)(jian)和邊界條件(jian)(jian)的輸(shu)入、控制參數的設定(ding)等。這是整個CFD工作(zuo)中花(hua)時間最多(duo)的部分(fen)。

④對計算結果進(jin)行后處理，這一步對檢查(cha)和判斷分析質量(liang)和結果有重要參考(kao)意義(yi)。

水泵(beng)吸入口附(fu)近流(liu)速(su)很大，該(gai)底部不會(hui)產生污(wu)泥沉積。當潛(qian)污(wu)泵(beng)停止(zhi)運行時，經CFD特(te)殊設計的PPS智能化底部只允許少量(liang)的污(wu)水停留在泵(beng)坑(keng)，當泵(beng)再次啟動時，泵(beng)坑(keng)附(fu)近的大流(liu)速(su)可以達到自清潔的效(xiao)果，免(mian)除(chu)了人(ren)工清淤(yu)。

3、新材料的應用

PPS采用了GRP和(he)PE材(cai)質，具有輕便(bian)，堅固(gu)，防水，運輸便(bian)捷(jie)，抗腐蝕(shi)能力強的(de)優點[8]。進(jin)一(yi)步優化了PPS的(de)體積。此(ci)外，在用GRP鑄造筒(tong)體的(de)過程中，完全由計算(suan)機(ji)控制整個“織造”過程，并且引(yin)入了有限(xian)元（finite element）計算(suan)分析(xi)方法，建(jian)立線性模(mo)型進(jin)行計算(suan)，確保(bao)筒(tong)體和(he)頂蓋(gai)等部件的(de)強度。圖6為(wei)用于(yu)有限(xian)元分析(xi)的(de)三維(wei)和(he)二(er)維(wei)軸對稱模(mo)型。鑒于(yu)有限(xian)元分析(xi)方法的(de)復(fu)雜性，在此(ci)不一(yi)一(yi)贅述。

4、集成式內置設備

PPS的集成化(hua)程度非常高(gao)，管配件等設(she)備在出廠前就(jiu)已經安裝到位，充(chong)分利用(yong)了(le)筒內的空(kong)間。此(ci)外，還(huan)可以(yi)(yi)根據用(yong)戶需要(yao)配備電(dian)控設(she)備，工作臺，盥洗設(she)施等，都能(neng)在PPS的有限空(kong)間里得到合理(li)體現。以(yi)(yi)粉(fen)(fen)碎(sui)型格柵為例，粉(fen)(fen)碎(sui)型格柵具(ju)有占地小，使用(yong)方便的功能(neng)，配以(yi)(yi)高(gao)質量的潛污泵(beng)(beng)(beng)，粉(fen)(fen)碎(sui)后(hou)的小顆粒(li)雜質可以(yi)(yi)通(tong)過(guo)潛污泵(beng)(beng)(beng)直接(jie)泵(beng)(beng)(beng)出，而無需人工清渣。

粉碎型格柵配套于PPS，只需(xu)安裝在進水管(guan)路上(shang)，并加(jia)開檢修(xiu)井即可。幾乎沒(mei)有增加(jia)任何土建工(gong)作(zuo)，輕松達到格柵的效(xiao)果。使(shi)得整套PPS設施保持緊湊實用。

四、結論

本文通過介紹泵(beng)站(zhan)有(you)(you)效容積計算，CFD流場模(mo)擬和計算，FE有(you)(you)限元模(mo)型(xing)的模(mo)擬計算和控制，以及粉碎型(xing)格柵等設備的整合，綜述了PPS技術是(shi)如何把理論研究(jiu)和技術革(ge)新相結合，成功應(ying)(ying)用于中小型(xing)污(wu)水(shui)泵(beng)站(zhan)，從(cong)而實現(xian)了泵(beng)站(zhan)的容積優化，具(ju)有(you)(you)很高的應(ying)(ying)用價值(zhi)。和傳統現(xian)澆混凝土泵(beng)站(zhan)相比，PPS具(ju)有(you)(you)如下顯著(zhu)的優點：

（1）PPS技(ji)術結合高質(zhi)量潛污(wu)泵(beng)，通過計(ji)算證明和潛污(wu)泵(beng)性能(neng)保證，在設計(ji)上(shang)可(ke)以縮小(xiao)有效(xiao)容積，優化泵(beng)站體積。

（2）PPS技(ji)術立足(zu)于一(yi)家(jia)供應(ying)商，集設(she)計，安(an)裝，維(wei)(wei)護于一(yi)體，系(xi)統整合(he)性(xing)能得到空前(qian)優化(hua)(hua)(hua)，所有(you)(you)(you)設(she)備和管(guan)(guan)配件在出廠(chang)前(qian)就已(yi)經通過測試并(bing)安(an)裝完畢，系(xi)統質量和售后服具有(you)(you)(you)強有(you)(you)(you)力(li)的(de)保障，為用(yong)戶(hu)節約了寶貴(gui)的(de)時間。同時，可以方便地滿足(zu)用(yong)戶(hu)的(de)個性(xing)化(hua)(hua)(hua)需求(qiu)，可配以粉(fen)碎型(xing)格柵，管(guan)(guan)道清(qing)潔(jie)器等設(she)施，提高自控水平，方便日常運(yun)行管(guan)(guan)理。因此，現有(you)(you)(you)PPS產(chan)品分為：濕井(jing)泵站，帶維(wei)(wei)修(xiu)間的(de)泵站，集成(cheng)式(shi)泵站，綜(zong)合(he)泵站（工程化(hua)(hua)(hua)產(chan)品）等，形(xing)式(shi)多樣，都是容積(ji)優化(hua)(hua)(hua)的(de)體現。

（3）使用(yong)了GRP等新材料(liao)，通(tong)過計算機控制的(de)筒(tong)體(ti)和底部鑄造，保證強度，滿足使用(yong)要求，同時(shi)使PPS具有質輕，環保，耐用(yong)的(de)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。
 

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”

相關文章