天津市某節(jié)能排海泵站工程設(shè)計

賴參森，王 瑞，楊麗麗

（1.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300392；2.天津市基礎(chǔ)設(shè)施耐久性企業(yè)重點實驗室，天津市 300392）

0 引 言

我國海岸線總長度3.2 萬多km，其中大陸海岸線1.8 萬多km。沿海地區(qū)城市河道入?？谝话阍O(shè)置排海泵站和防潮閘，作為市政及水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，發(fā)揮城市排水、防汛、防風(fēng)暴潮的重要功能。排海泵站通常采用動力強(qiáng)排將城市河道水體提升強(qiáng)制外排至港池；城市河道通過防潮閘的開啟來控制自身水位，并防止海水倒灌。城市河道水位與排?？诟鄢氐母叩统蔽挥绊懼藕１谜竞头莱遍l的使用。傳統(tǒng)防洪系統(tǒng)采取分別設(shè)置排海泵站和河道泄洪，分別管理，需要協(xié)調(diào)運行。

現(xiàn)以天津市某排海泵站設(shè)計為例，將河道自流外排與水泵強(qiáng)排結(jié)合建設(shè)一體排海泵站，有效利用城市河道水位和外排港池高低潮位的水位差，實現(xiàn)河道節(jié)能外排，達(dá)到節(jié)約用地、節(jié)能運行、科學(xué)運行的效果[1]。該項目已經(jīng)建成，運行效果很好，可為類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

本工程位于天津市某港口經(jīng)濟(jì)區(qū)，處于天津濱海新區(qū)核心區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶。所在區(qū)域內(nèi)規(guī)劃有環(huán)形河道，區(qū)域外圍規(guī)劃排海泵站與環(huán)形河道相連。環(huán)形河道兩側(cè)沿線具備重力自流入河的區(qū)域采用直排入河，其余地塊雨水通過市政雨水管道收集匯至各自雨水系統(tǒng)雨水泵站，由雨水泵站提升排入環(huán)形河道；當(dāng)汛期匯入環(huán)形河道的雨水量超過河道的調(diào)蓄能力時，將通過排海泵站將河道的雨水外排至港池，最終排入渤海。

根據(jù)區(qū)域排水規(guī)劃，本排海泵站設(shè)計流量25.0 m3/s，由進(jìn)水方涵從區(qū)域內(nèi)河道取水，經(jīng)進(jìn)水方涵進(jìn)入排海泵站，經(jīng)泵站排入南側(cè)港池。泵站地下主體構(gòu)筑物部分包括進(jìn)水閘井、格柵井、集水池、水泵強(qiáng)排渠道（或自流渠道）、出水池及防潮閘井；地上附屬房間部分包括變配電間、控制室、值班室及發(fā)電機(jī)房等。本工程采用1972 年天津大沽高程系，2003 年高程。

2 泵站總平面布置

結(jié)合周邊市政道路，泵站室外設(shè)計地面高程5.500 m。本泵站占地面積4 620.0 m2。泵站大門設(shè)于庭院北側(cè)，與規(guī)劃次干路相接。泵房位于庭院西部，附屬用房位于庭院東部，附屬用房建筑總面積為610 m2。排海泵房設(shè)計流量25.0 m3/s，其中地下泵池部分包括進(jìn)水閘井、格柵井、集水池、出水池，地上附屬房間部分包括變配電間、控制室、值班室及發(fā)電機(jī)房等，另設(shè)有防潮閘井1 座。

整個庭院布局緊湊，庭院道路與通往庭院外的規(guī)劃次干路緊密相連，交通便利。站內(nèi)道路6.0 m 寬，道路轉(zhuǎn)彎半徑不小于9 m，連通泵池與附屬用房，并與泵站外市政道路連接，便于車輛出入，并滿足消防要求。

泵站總平面布置見圖1。

圖1 泵站總平面布置圖（單位：m）

3 泵站總體設(shè)計

3.1 設(shè)計條件

（1）本區(qū)域河道規(guī)劃最高水位1.8 m，常水位1.4 m，汛期前低水位1.0 m，清淤最低水位0.5 m。

（2）南側(cè)港池潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，潮位特征值：50 a 一遇高潮位4.88 m，高潮累計頻率10%潮位3.30 m，最低低潮位-2.03 m，平均高潮位2.74 m，平均低潮位0.34 m，最大潮差4.37 m，平均潮差2.4 m。

（3）集水池設(shè)計水位：河道騰空最低水位0.500 m，自流入河管道騰空最低水位-0.800 m（河道在排海泵站取水方涵處局部挖深，方便周邊雨水管道自流入河）。

3.2 泵站功能設(shè)計

（1）排除河道水

為降低排海泵站的能源消耗，本工程在泵池集水池兩側(cè)預(yù)留兩處自流通道，當(dāng)港池水位低于河道水位時，優(yōu)先采用自流方式將河道水自流外排至港池；當(dāng)不滿足自流條件時，再采用水泵強(qiáng)排的方式將河道水排至港池。

（2）排除雨水管道水

為滿足環(huán)形河道兩側(cè)沿線重力自流入河區(qū)域雨水管道排放的要求，將該區(qū)域雨水管道自流排入規(guī)劃河道，經(jīng)排海泵站提升后排入規(guī)劃港池。

（3）汛期前后騰空雨水管道

為了在汛期前后騰空雨水管道，利用河道上設(shè)置的攔截壩將河道上游來水?dāng)r截，將排海泵站降至最低水位-0.800 m 運行，已達(dá)到騰空雨水管道的目的。

4 泵站工藝流程設(shè)計

在泵站進(jìn)水方涵前的河道終點和泵站出水方涵出口港池處，分別設(shè)置液位監(jiān)測設(shè)備，依據(jù)二者液位差的信號反饋來決定泵站運行工藝。

4.1 泵站自流工藝流程

當(dāng)港池水位低于河道水位時，優(yōu)先采用自流方式將河道水自流外排至港池，泵站工藝流程為：

4-3 000 mm×2 000 mm 進(jìn)水方涵→進(jìn)水閘井→格柵井→集水池→自流渠道→壓力出水池→防潮閘井（DN1800 mm 鴨嘴閥→疊梁閘井）→3-3 000 mm×2 000 mm 出水方涵→港池。

泵站自流工藝流程見圖2。

圖2 自流工藝流程圖

4.2 泵站強(qiáng)排工藝流程

當(dāng)港池水位高于河道水位時，則采用水泵強(qiáng)排的方式將河道水排至港池，泵站工藝流程為：

4-3 000 mm×2 000 mm 進(jìn)水方涵→進(jìn)水閘井→格柵井→集水池→水泵強(qiáng)排渠道→水泵→壓力出水池→防潮閘井（DN1800 mm 鴨嘴閥→疊梁閘井）→3-3 000 mm×2 000 mm 出水方涵→港池。

泵站強(qiáng)排工藝流程見圖3。

圖3 強(qiáng)排工藝流程圖

5 工藝設(shè)計

本工程排海泵站采用泵池主體與泵站附屬用房分建的形式。

5.1 設(shè)計參數(shù)

根據(jù)排水系統(tǒng)及河道設(shè)計方案，排海泵站進(jìn)水方涵與區(qū)域內(nèi)河道順接，4-3 000 mm×2 000 mm 進(jìn)水方涵高程-1.700 m，集水池根據(jù)區(qū)域河道各工程結(jié)合確定水位：河道騰空最低水位0.500 m，管道騰空最低水位-0.800 m；河道最高水位1.800 m，泵房內(nèi)集水池最高水位1.700m。3-3 000 mm×2 000 mm出水方涵涵底高程0.300 m，排水出路為泵站南側(cè)港池，港池設(shè)計水位3.300 m，高水位4.880 m。

排海泵站的設(shè)計流量為25.0 m3/s，當(dāng)集水池水位高于河道騰空最低水位0.500 m 時，可根據(jù)進(jìn)水水量選擇8 臺泵搭配開啟；當(dāng)集水池水位低于河道騰空最低水位0.500 m 且高于自流入河管道騰空最低水位-0.800 m 時，開啟小泵；當(dāng)集水池水位低于自流入河管道騰空最低水位-0.800 m 時，水泵停止運行。為更好匹配泵站運行功能以及泵站強(qiáng)排水量規(guī)模，泵站共設(shè)8 臺水泵，其中：6 臺大泵，大泵單泵流量3.5 m3/s；2 臺小泵，小泵單泵流量2.0 m3/s。

5.2 水泵設(shè)計參數(shù)

大泵：出水水位3.30 m，出水校核水位4.88 m，泵房設(shè)計最低水位0.500 m，靜揚程2.800 m，出水管的損失合計為2.200 m，總揚程5.000 m。單臺水泵設(shè)計流量Q=3.50 m3/s，設(shè)計揚程H=5.00 m，電機(jī)功率N=280 kW。

小泵：出水水位3.300 m，出水校核水位4.88 m，泵房設(shè)計最低水位-0.800 m，靜揚程4.100 m，出水管的損失合計為2.100 m，總揚程6.200 m。單臺水泵設(shè)計流量Q=2.00 m3/s，設(shè)計揚程H=6.20 m，電機(jī)功率N=185 kW。

5.3 構(gòu)筑物工藝設(shè)計

（1）進(jìn)水閘井

為方便泵站檢修，共設(shè)四組進(jìn)水閘井，閘井設(shè)2臺2.0 m×2.0 m 兩臺鑄鐵方閘門，共8 臺，配套手電兩用啟閉機(jī)。每組閘井尺寸5.50 m×2.50 m。

（2）進(jìn)水格柵井

為保證格柵有效運行，排海泵站采用回轉(zhuǎn)式格柵除污機(jī)，配螺旋壓榨機(jī)。格柵井共設(shè)4 組，過篦流速：0.60 m/s，格柵寬度5 100 mm，柵條間距：40 mm，格柵安裝角度75°。每組格柵井寬5.5 m，高8.0 m。

（3）集水池

集水池的有效容積滿足排海泵站最大單臺泵30 s 流量的要求。為了使水流順暢、流速均勻、池內(nèi)不產(chǎn)生渦流，集水池的擴(kuò)散角取20°。集水池有效容積660 m3，大于大泵30 s 的流量要求。

（4）水泵強(qiáng)排渠道

水泵強(qiáng)排設(shè)置8 臺潛水軸流泵，水泵機(jī)組一字排開。為安全、水泵檢修及減少停泵水錘，每臺水泵出水管上配有一個DN1 200 mm 鴨嘴閥。為了使水泵進(jìn)水流速均勻，不產(chǎn)生旋渦，提高水泵運行效率，各水泵之間設(shè)置導(dǎo)流墻。為了便于檢修，頂板處開設(shè)水泵的檢修孔。本工程附屬房間內(nèi)設(shè)固定吊裝設(shè)備，以便泵站設(shè)備檢修使用。水泵間深度為8.8 m。水泵強(qiáng)排渠道寬2.8 m，長9.0 m。

（5）自流渠道

為減少能源消耗，使河道水位高于港池水位時，河道水能夠自流入海，在排海泵站集水池兩側(cè)設(shè)置自流渠道2 條，自流渠道與泵站出水池連接處設(shè)置2臺2.0 m×2.0 m 雙向受壓鑄鐵方閘門，配套手電兩用啟閉機(jī)，溢流出水經(jīng)3-3 000 mm×2 000 mm 出水方涵排入南側(cè)港池。自流渠道寬2.8 m，長9.0 m。

（6）壓力出水池

水泵出水在壓力出水池內(nèi)會合后，經(jīng)3-3 000 mm×2 000 mm 出水方涵接入防潮閘井。出水池池頂設(shè)有8 個壓力井蓋以便檢修和安裝之用，位置對應(yīng)各臺水泵的鴨嘴閥處。壓力井蓋上設(shè)有復(fù)合排氣閥，以排出壓力出水池的氣體。壓力出水池長5.0 m，寬30.8 m，高5.7 m。

（7）防潮閘井

為滿足泵站檢修要求，排海泵站設(shè)防潮閘井1座，井內(nèi)設(shè)DN1 800 mm 鴨嘴閥6 臺，疊梁閘1 套，疊梁閘井出水經(jīng)3-3 000 mm×2 000 mm 出水方涵排入南區(qū)規(guī)劃北港池。防潮閘井長10.2 m，寬21.6 m，高7.7 m。

6 結(jié) 語

水泵消耗的電能是排海泵站能耗的主體，是節(jié)能的關(guān)鍵。以天津市某排海泵站工程設(shè)計為例，設(shè)計時進(jìn)出水管道管路短而直，管徑大小合理，以減少水頭損失，從而減少水泵的揚程。同時設(shè)置6 臺大流量水泵、2 臺小流量水泵，對水泵實行合理控制，使水泵在高效率段運轉(zhuǎn)，以降低能耗。同時，結(jié)合南側(cè)港池潮汐類型為不規(guī)則半日潮型，每天有兩個低潮位的現(xiàn)狀，本排海泵站單獨設(shè)置了自流通道，當(dāng)河道水位高于港池海水水位時，可利用河道水位與海水水位的高程差將河道水直接通過自流通道排入南側(cè)港池。本項目已經(jīng)建成，實現(xiàn)了節(jié)約用地、節(jié)能運行、科學(xué)運行的良好效果，同時為類似工程提供了設(shè)計思路。