预制式泵站应用于优化中小型泵站的研究
摘要：预制泵站技术应用于排水管网系统的中小型泵站，有着传统混凝土泵站无法比拟的优势：体积小，材料新，流态好，造价低，集成度高，使用安全，安装维护省时省力。而这一切，都离不开容积优化。本文将格兰富公司数十年来对于该项技术容积优化方面的研究和探索进行分项介绍及论证，通过对比传统混凝土泵站的相应性能，证明了预制泵站是给排水技术领域的一大进步，是泵站系统的一种优化，拥有广阔的应用前景。
关键词：预制泵站（PPS） 排水系统 容积优化 潜污泵 CFD
一、引言
泵站是为水提供势能和压能，解决无自流条件下的排灌、供水和水资源调配问题的唯一动力来源，因此它的作用特殊，地位重要，长期以来和人类的生产生活密切相关[1,2]。而应用于排水系统的传统混凝土泵站作为目前的主流泵站，有着超过百年的历史，为人类的污水收集处理和防洪排涝做出了杰出的贡献。但随着时间的推移和人类文明的进步，传统混凝土泵站也日益暴露出它自身难以克服的缺点：混凝土池壁容易腐蚀；泵坑杂质沉积，减小了泵站容积，还导致毒性恶臭气体挥发，带来安全隐患；水泵长期在恶劣工况下工作，磨损和故障率增加，缩短水泵寿命；集成度低下导致的自动化程度难以提高，使得泵站常常缺乏有效的监控和管理，反过来又加剧了上述种种问题[3]；同时，混凝土泵站的造价一直居高不下，也限制了泵站自动化监控水平的提高。这些弊端都促使人们开始寻找一种性能更为优化的替代品。格兰富公司就是探索新技术的先行者。早在40多年前，格兰富研发中心的成员就已经致力于预制泵站（prefabricated pumping station，简称PPS）的研究和开发工作，时至今日，已经在欧洲各国拥有不少成功运行的经验。PPS目前在国外的应用主要集中在管网末端污水收集和中途泵站，即中小型泵站（流量小于0.5m3/s），并且几乎可以克服上述传统混凝土泵站的所有缺点。而PPS技术各方面的优势综合起来看，最显著的特点就是优化了泵站的体积。本文将逐项剖析PPS技术是如何通过理论研究和各项技术革新达到优化体积的目的，从而克服传统混凝土泵站的种种弊端。
二、PPS简介
PPS是格兰富公司研发的集成式预制泵站。该泵站的筒体采用先进的材质如强化玻璃钢（GRP）或聚乙烯树酯（PE）自动化铸造而成。内部的水泵、管路、阀门、仪表、控制设备、楼梯以及其它用户所需要的附件都可以由格兰富公司成套提供，并安装完毕后出厂。它甚至可以带维修间和格栅，是一种使用方便，质量可靠，土建工作少，成本较低的新型一体化泵站设备，容积优化是其最显著的特征，可以作为中小型混凝土泵站的替代品。
三、研究方法与技术成果
体积小是PPS的一大革新。传统泵站由于采用混凝土材质，大多数都在现场浇铸，其内部空间的利用率不高，加上设备供应商和土建承包商相互独立，设备的相互匹配度不高，设计师必须为设备安装预留出充足的空间，往往导致传统混凝土泵站“大而深”。PPS的容积优化就是通过计算有效容积的优化，底部泵坑的CFD水力模型优化，新型筒体材质的应用，内部管配件包括粉碎性格栅的集成化安装等来实现。可以将PPS的体积控制在传统混凝土泵站的1/3甚至更小。由此大大缩小了PPS的尺寸，节约了土建成本，方便运输和安装。
通过有效容积的严谨计算，以及所配用的高质量潜污泵的性能保障，PPS的有效容积可以达到传统混凝土泵站有效容积的1/3，并且保证安全运行。
智能化底部的设计，得益于计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）的研究，设计优化了泵坑底部的水力模型，解决了泵坑堵塞的难题。由此大大方便了运行维护，保障了水泵的寿命。同时，有效抑制了剧毒及恶臭气体的产生，保护了环境。
新材料GRP和PE的应用，使得PPS不仅体积小，而且重量轻，造价较低。内部管配件的集成式安装，使得PPS内部空间利用率高。尤其是粉碎性格栅的使用，将可以替代一整套人工格栅或机械格栅，大大减小泵站占地面积，同时减少人工，提高了安全系数。
1、PPS有效容积的优化
在我国现行的设计规范中，普遍规定污水泵站的有效容积必须是最大一台泵为5分钟的流量[4,5]，这一规定背后的依据是水泵每小时最多可以启动6~7次。格兰富丰富和发展了泵站有效容积的计算理论，经过严谨的理论计算和对新型潜污泵性能的测试，大胆提出PPS的有效容积不必拘泥于最大一台泵5分钟的流量。
以一个入流流量为50l/s的泵站计，传统混凝土泵站必须考虑水泵的可靠性而留有超过必须的余量，按照传统的设计理念，并且不考虑混凝土的建造误差等因素，设计师必须保证泵站有9个立方米的有效容积，而按照PPS的设计理念，2.7个立方米的有效容积就足够了，而且水泵的使用安全性也有保障。
2、PPS底部空间的优化
传统泵站的混凝土底部通常会有严重的污泥淤积，不时需要人工清淤来保障水泵的正常使用。这一过程不但繁琐，而且对于清淤人员有一定的危险。PPS则利用CFD技术，在三维模型中根据要求和经验更改水泵的位置和底面的形状，调整坡度，设计出最优的具有自清洁功能的底部空间，即智能化底部。
CFD是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析[6,7]。CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系，图3为流体力学三种研究方法的示意图。
采用CFD的方法对流体流动进行数值模拟，通常会包括如下几个步骤：
①建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。即建立流体的基本控制方程，通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及这些方程的定解条件。
②寻求高效率、高准确度的计算方法。包括微分方程的离散化方法以及求解方法、贴体坐标的建立、边界条件的处理等。
③编制程序并进行计算，主要包括计算网格的划分、初始条件和边界条件的输入、控制参数的设定等。这是整个CFD工作中花时间最多的部分。
④对计算结果进行后处理，这一步对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。
水泵吸入口附近流速很大，该底部不会产生污泥沉积。当潜污泵停止运行时，经CFD特殊设计的PPS智能化底部只允许少量的污水停留在泵坑，当泵再次启动时，泵坑附近的大流速可以达到自清洁的效果，免除了人工清淤。
3、新材料的应用
PPS采用了GRP和PE材质，具有轻便，坚固，防水，运输便捷，抗腐蚀能力强的优点[8]。进一步优化了PPS的体积。此外，在用GRP铸造筒体的过程中，完全由计算机控制整个“织造”过程，并且引入了有限元（finite element）计算分析方法，建立线性模型进行计算，确保筒体和顶盖等部件的强度。图6为用于有限元分析的三维和二维轴对称模型。鉴于有限元分析方法的复杂性，在此不一一赘述。
4、集成式内置设备
PPS的集成化程度非常高，管配件等设备在出厂前就已经安装到位，充分利用了筒内的空间。此外，还可以根据用户需要配备电控设备，工作台，盥洗设施等，都能在PPS的有限空间里得到合理体现。以粉碎型格栅为例，粉碎型格栅具有占地小，使用方便的功能，配以高质量的潜污泵，粉碎后的小颗粒杂质可以通过潜污泵直接泵出，而无需人工清渣。
粉碎型格栅配套于PPS，只需安装在进水管路上，并加开检修井即可。几乎没有增加任何土建工作，轻松达到格栅的效果。使得整套PPS设施保持紧凑实用。
四、结论
本文通过介绍泵站有效容积计算，CFD流场模拟和计算，FE有限元模型的模拟计算和控制，以及粉碎型格栅等设备的整合，综述了PPS技术是如何把理论研究和技术革新相结合，成功应用于中小型污水泵站，从而实现了泵站的容积优化，具有很高的应用价值。和传统现浇混凝土泵站相比，PPS具有如下显著的优点：
（1）PPS技术结合高质量潜污泵，通过计算证明和潜污泵性能保证，在设计上可以缩小有效容积，优化泵站体积。
（2）PPS技术立足于一家供应商，集设计，安装，维护于一体，系统整合性能得到空前优化，所有设备和管配件在出厂前就已经通过测试并安装完毕，系统质量和售后服具有强有力的保障，为用户节约了宝贵的时间。同时，可以方便地满足用户的个性化需求，可配以粉碎型格栅，管道清洁器等设施，提高自控水平，方便日常运行管理。因此，现有PPS产品分为：湿井泵站，带维修间的泵站，集成式泵站，综合泵站（工程化产品）等，形式多样，都是容积优化的体现。
（3）使用了GRP等新材料，通过计算机控制的筒体和底部铸造，保证强度，满足使用要求，同时使PPS具有质轻，环保，耐用的特点。
（4）除了上述优点外，PPS在投资性价比上也具有明显的优势。已有数据表明，PPS的造价（含现场安装时的土建费用）至少可以比使用混凝土泵站节约20%，这一数据还不包括投入运行后所节约的人工费，管理费和维护费用。
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