城镇给排水技术-水泵站构成分析

水泵是不能自己单独工作的，它必须和管道、电机组合成一体才能工作，水泵、管道、电机构成了泵站的主要工艺部分。因而，要正确设计和管理水泵站不但需要掌握水泵工作原理和安装要求，还要掌握泵站的设计和管理技术，如选泵、水泵布置、基础设计、吸压水管路设计、阀门及管配件安装等技术。

水泵站中的核心就是水泵，所以水泵的作用就是泵站的作用，即给水增加能量，达到输送水的目的。另外，为了保证水泵平稳工作，水泵站往往设有一定容积的蓄水池，所以泵站还有能调节水量的作用。

1.2.2.1 给水泵站

1.给水泵站的组成

给水泵站主要由以下几部分组成。

（1）进水构筑物。进水构筑物包括前池和吸水井，其作用是为水泵或水泵吸水管道的吸水喇叭口提供良好的进水条件。

（2）泵房。泵房是安装水泵、电动机、管道及其辅助设施的构筑物。其主要作用是为主机组的安装、检修和运行管理提供良好的工作条件。

（3）主机组。包括水泵和电动机，是泵站中的主要设备。

（4）管道。是指水泵的吸水管道和压水管道，水泵的吸水管道从进水构筑物吸水，经水泵后通过压水管道和管网系统将水送至用户。

（5）计量设备。包括流量计、真空表、压力表、温度计等。

（6）充水设备。当水泵为吸入式工作时，启动前需用充水设备进行充水。充水设备主要包括真空泵、气水分离器、循环水箱。

（7）排水设施。用以排除泵房内的积水，以保持泵房内环境整洁和运行安全。主要包括排水泵、集水坑、排水沟等。

（8）起重设备。为水泵、电动机及其他设备的安装、检修而设置的起重设备。起重设备主要有三脚架装手动葫芦、单轨悬挂吊车、桥式起重机等。

（9）通风采暖设备。指泵房的通风设备和采暖系统。

（10）防水锤设备。指防治水锤的有关设备。

（11）电气设备。指变电设备、高压配电设备、低压配电设备等。

（12）其他设施。主要包括通信、安全、防火、照明等。

2.给水泵站的分类

水泵、管道及电机3者构成了泵站中的主要工艺设施。为了掌握泵站设计与管理技术，对于泵站中的选泵依据、选泵要点、水泵机组布置、基础安装要求、吸压水管径确定、闸阀布置与管道安装要求以及电机电器设备的选用等方面的知识，是必须有深入的了解和掌握。此外，对于保证泵、管、机正常运行与维护所必需的辅助设施：计量、充水、起重、排水、通风、减噪、采光、交通以及水锤消除等方面的设备与措施的选用也必须有基本的了解与掌握。

（1）按照水泵机组设置的位置与地面的相对标高关系可分为地面式泵站、地下式泵站与半地下式泵站。

（2）按照操作条件及方式可分为人工手动控制、半自动化、全自动化和遥控泵站。

（3）在给水工程中，按泵站在给水系统中的作用可分为取水泵站、送水泵站、加压泵站及循环泵站。

1）取水泵站。取水泵站在水厂中也称一级泵站，在地面水水源中，取水泵站一般主要由吸水井、泵房及闸阀井等3部分组成，如图1.17所示。

2）送水泵站。送水泵站在水厂中也称为二级泵站，通常是建在水厂内。由净化构筑物处理后的出厂水，由清水池流入吸水井，送水泵站中的水泵从吸水井中吸水，通过输水干管将水输往管网，如图1.18所示。一般为长方形，吸水井也为长方形，吸水水位变化范围小，通常不超过3～4m，所以其埋深较浅，一般可建成地面式或半地下式。

图1.17　地面水取水泵站工艺流程

1—水源；2—吸水井；3—取水泵房；4—闸阀井（即切换井）；5—净化厂

图1.18　送水泵站工艺流程

1—清水池；2—吸水井；3—送水泵站；4—管网；5—高地水池（水塔）

3）加压泵站。城市给水管网面积大，输配水管线长，或给水对象所在地的地势很高，城市内地形起伏较大的情况下，通过技术经济比较，可以在城市管网中增设加压泵站。在近代大中城市给水系统中实行分区分压供水方式时，设置加压泵站已十分普遍。加压泵站的工况取决于加压所用的手段，一般有两种方式：采用在输水管线上直接串联加压，这种方式，水厂内送水泵站和加压泵站将同步工作；采用清水池及泵站加压供水方式（又称水库泵站加压供水方式），即水厂内送水泵站将水输入远离水厂、接近管网起端处的清水池内，由加压泵站将水输入管网，如图1.19所示。

图1.19　加压泵站供水方式

1—二级泵站；2—增压泵站；3—水库泵站；4—配水管网；5—输水管；6—逆止阀

图1.20　循环给水系统工艺流程

1—生产车间；2—净水构筑物；3—热水井；4—循环泵站；5—冷却构筑物；6—集水池；7—补充新鲜水

4）循环水泵站。在某些工业企业中，生产用水可以循环使用或经过简单处理后回用。在循环系统的泵站中，一般设置输送冷、热水的两组水泵，热水泵将生产车间排出的废热水，压送到冷却构筑物内进行降温，冷却后的水再由冷水泵抽送到生产车间使用。如果冷却构筑物的位置较高，冷却后的水可以自流进入生产车间供生产设备使用时，则可免去一组冷水泵。有时生产车间排出的废水温度并不高，但含有一些机械杂质，需要把废水先送到净水构筑物进行处理。然后再用水泵送回车间使用，这种情况下就不设热水泵、有时生产车间排出的废水，既升高了温度又含有一定量的机械杂质，其处理工艺流程如图1.20所示。

1.2.2.2 排水泵站

排水泵站的工作特点是它所抽升的水是不干净的，一般含有大量的杂质，而且来水的流量逐日逐时都在变化。

1.排水泵站的组成

排水泵站的基本组成有事故溢流井、格栅、集水池、机器间、出水井、辅助间和专用变电所等。

（1）事故滥流井。事故溢流井作为应急排水口，当泵站由于水泵或电源发生故障面停止工作时，排水管网中的水继续流向泵站。为了防止污水淹没集水池，在泵站进水管前设一专用闸门井，当发生事故时关闭闸门，将污水从溢流排水管排入自然水体或洼地。溢流管上可据需要设置阀门，通常应关闭。事故排水应取得当地卫生监督部门同意。

（2）格栅。格栅用来拦截雨水、生活污水和工业废水中大块的悬浮物或漂浮物，用以保护水泵叶轮和管道配件，避免堵塞和磨损，保证水泵正常运行，如图1.21所示。

格栅一般设在泵前的集水池内，安装在集水池前端。有条件时，宜单独设置格栅间，以利于管理和维修。小型格栅拦截的污物可采用人工清除，大型格栅采用机械消除。

（3）集水池。集水池的功能是在一定程度上调节来水量的不均匀，以保证水泵在较均匀的流量下高效率工作。集水池的尺寸应满足水泵吸水装置和格栅的安装要求。

图1.21　格栅

（4）水泵间（机器间）。水泵间用来安装水泵机组和有关辅助设备。

（5）辅助间。为满足泵站运行和管理的需要，所设的一些辅助性用房称为辅助间。主要有修理间，储藏室、休息室、卫生间等。

（6）出水井。出水井是一座把水泵压水管和排水明渠相衔接的构筑物，主要起消能稳流的作用，同时还有防止停泵时水倒流至集水池中的作用。压水管路的出口设在出水井中，这样可以省去阀门，降低造价及运行管理费用。

（7）专用变电所。专用变电所的设置应根据泵站电源的具体情况确定。

2.排水泵站的分类

排水泵站的类型取决于进水管渠的埋设深度、来水流量、泵机组的型号与台数、水文地质条件以及施工方法等因素。选择排水泵站的类型应从造价、布置、施工、运行条件等方面综合考虑。

（1）排水泵站按其排水的性质，一般分为污水（生活污水、生产污水）泵站、雨水泵站、合流泵站和污泥泵站。

（2）按其在排水系统中的作用，可分为中途泵站（或称为区域泵站）和终点泵站（又称为总泵站）。中途泵站通常是为了避免排水干管埋设太深而设置的。终点泵站就是将整个城镇的污水或工业企业的污水抽送到污水处理厂或将处理后的污水进行农田灌溉或直接排入水体。

（3）按泵启动前能否自流充水分为自灌式泵站和非自灌式泵站。

（4）按泵房的平面形状分为圆形泵站和矩形泵站。

（5）按泵的特殊性分为潜水泵站和螺旋泵站。

（6）按照控制方式分为人工控制、自动控制和遥控3类。

（7）按集水池与机器间的组合情况分为合建式泵站和分建式泵站。

图1.22为合建式圆形排水泵站，装设卧式泵，进行自灌式工作，适合于中、小型排水量，泵不超过4台。圆形结构的优点是：受力条件好，便于采用沉井法施工，可降低工程造价，泵启动方便，易于根据吸水井中水位实现自动操作；缺点是：机器内机组与附属设备布置较困难，当泵房很深时，工人上下不便，且电动机容易受潮。由于电动机深入地下，需考虑通风设施，以降低机器间的温度。若将此种类型泵站中的卧式泵改为立式离心泵（也可用轴流泵），就可避免上述缺点。但是，立式离心泵安装技术要求较高，特别是泵房较深，传动轴甚长时，须设中间轴承及固定支架，以免泵运行时传动轴发生振荡。由于这种类型能减少泵房面积，降低工程造价，并使电气设备运行条件和工人操作条件得到改善，故在我国仍广泛采用。

图1.23为合建式矩形排水泵站，装设立式泵，进行自灌式工作。大型泵站用此种类型较合适。泵台数为4台或更多时，采用矩形机器间，在机组、管道和附属设备的布置方面较为方便，启动操作简单，易于实现自动化。电气设备置于上层，不易受潮，工人操作管理条件良好。缺点是建造费用高。当土质差、地下水位高时，因不利施工而不宜采用。

图1.22　合建式圆形排水泵站

1—排水管渠；2—集水池；3—机器间；4—压水管；5—卧式污水泵；6—格栅(www.xing528.com)

图1.24为分建式排水泵站。当土质差、地下水位高时，为了减少施工困难和降低工程造价，将集水池与机器间分开修建是合理的。将一定深度的集水池单独修建，施工上相对容易些。为了减小机器间的地下部分深度，应尽量利用泵的吸水能力，以提高机器间标高。但是，应注意泵的允许吸上真空高度不要利用到极限，以免泵站投入运行后吸水发生困难。因为在设计当中对施工时可能发生的种种与设计不符情况和运动后管道积垢、泵磨损、电源频率降低等情况都无法事先准确估计，所以适当留有余地是必要的。

图1.23　合建式矩形排水泵站

1—排水管渠；2—集水池；3—机器间；4—压水管；5—立式污水泵；6—立式电动机；7—格栅

图1.24　分建式圆形排水泵站

1—排水管渠；2—集水池；3—机器间；4—压水管；5—水泵机组；6—格栅

分建式泵站的主要优点是结构上处理比合建式简单，施工较方便，机器间没有污水渗透和被污水淹没的危险。它的最大缺点是启动泵较频繁，给运行操作带来困难。

3.排水泵站的一般规定

（1）排水泵站的规模应按排水工程总体规划所划分的远近期规模设计，应满足流量发展的需要。排水泵站的建筑物宜按远期规模设计，水泵机组可按近期水量配置，根据当地的发展，随时增装水泵机组。

（2）泵站的占地面积与泵站性质、规模以及所处的位置有关。

（3）城市排水泵站一般规模较大。对周围环境影响较大，因此宜采用单独的建筑物。工业企业及居住小区的排水泵站是否与其他建筑物合建，可视污水性质及泵站规模等因素确定，例如抽送会产生易燃易爆和有毒气体的污水泵站，必须设计为单独的建筑物，并应采取相应的防护措施。

（4）排水泵站的位置应视排水系统上的需要而定，通常建在需要提升的管（渠）段，并设在距排放水体较近的地方。并应尽量避免拆迁，少占耕地。由于排水泵站一般埋深较大。且多建在低洼处，因此，泵站位置要考虑地址条件和水文地址条件，要保证不被洪水淹没，要便于设置事故排放口和减少对周围环境的影响，同时，也要考虑交通，通信、电源等条件。单独设立的泵站，根据废水对大气的污染程度，机组噪声等情况，结合当地环境条件，应与居住房屋和公共建筑保持必要距离，四周应设置围墙，并应绿化。

（5）水泵台数不多于4台的污水泵站和3台或以下的雨水泵站，其地下部分结构采用圆形最为经济，其地面以上构筑物的型式，必须与周围建筑物相适应。当水泵台数超过4台时，地下及地上部分都可以采用矩形或由矩形组合成的多边形；地下部分有时为了发挥圆形结构比较经济和便于沉井施工的优点，也可以采取将集水池和机器间分开为两个构筑物的布置方式，或者将水泵分设在两个地下的圆形构筑物内，地上部分可以处理为矩形或腰圆形。这种布置适用于流量较大的雨水泵站或合流泵站。

1.2.2.3 泵站水锤及其防护

1.停泵水锤

在压力管道中，由于流速的剧烈变化而引起一系列急剧的压力交替升降的水力冲击现象，称为水锤。所谓停泵水锤是指水泵机组因突然失电或其他原因，造成开阀停车时，在水泵及管路中水流速度发生递变而引起压力递变现象。

停泵水锤的特点是：突然停电（泵）后，水泵工作特性开始进入水力暂态过程。在此阶段中，由于停电主驱动力矩消失，机组失去正常运行时的力矩平衡状态，由于惯性作用仍继续正转，但转速降低。机组转速的突然降低导致流量减少和压力降低，所以先在泵站处产生压力降低。这点和水力学叙述的关阀水锤显然不同。此压力降以波的方式由泵站及管路首端向末端的高位水池传播，并在高位水池处引起升压波（反射波），此反射波由水池向管路首端及泵站传播。由此可见，停泵水锤和关阀水锤的技术（边界）条件不同，而水锤在管路中的传播、反射与相互作用等，则和关阀水锤中的情况完全相同。

2.停泵水锤的防护措施

（1）防止水柱分离。减小管道的铺设坡度；增加翻越点以下管线长度；减小管径、增加管壁厚度；在管线上增加孔板消能装置。

（2）防止升压过高。

1）设置水锤消除器，如图1.25所示。

2）设空气缸，如图1.26所示。

3）采用缓闭阀。通过缓闭，减少管路系统中水的倒流和消除水锤压力波动。

4）取消止回阀。需进行停泵水锤计算；采取相应措施。

图1.25　下开式水锤消除器

1—阀板；2—分水锥；3—重锤；4—排水口；5—三通管；6—压力表；7—放气门；8—闸阀

图1.26　空气缸

A—没有气囊；B—有气囊

1.2.2.4 泵站噪声及其消除

1.泵站中噪声源

泵站中噪声源有电机噪声、泵和液力噪声、风机噪声、阀门噪声和变压器噪声等。其中以电机转子高速转动时，引起与定子间的空气振动而发出的高频声响为最大。

2.泵站内的噪声防治

泵站内的噪声防治一般采用吸音、消音、隔音、隔振等噪声控制技术。吸音是用吸音材料装饰在水泵房的内表面，将室内的声音吸掉一部分，以降低噪声。消音可采用消声器，它是消除空气动力性噪声的重要技术措施，把消声器安装在气体通道上，噪声被降低，而气体可以通过。隔音是把发音的物体或者需要安静的场所封闭在一定的空间内，使其与周围环境隔绝，如做成隔音罩或隔音间。隔振是在机组下装置隔振器，使振动不至传递到其他结构体而产生辐射噪声。

1.2.2.5 泵站中的辅助设施

1.计量

图1.27　涡轮流量计

1—涡轮；2—导流器；3—磁电感应转换器；4—外壳；5—前置放大器

为了有效地调度泵站的工作，并进行经济核算，泵站内必须设置计量设施。目前，泵站中常用的计量设施有电磁流量计、超声波流量计、涡轮流量计（图1.27）以及均速流量计等。这些流量计的工作原理虽然各不相同，但它们基本上都是由变送器（传感元件）和转换器（放大器）两部分组成。传感元件在管流中所产生的微电信号或非电信号，通过变送、转换放大为电信号在液晶显示仪上显示或记录。

2.引水

水泵的工作有自灌式和吸入式两种方式。装有大型水泵，自动化程度高、供水安全要求高的泵站，宜采用自灌式工作。自灌式工作的水泵外壳顶点应低于吸水池内的最低水位。当水泵在吸入式工作时，在启动前必须引水。引水方法可分为两类：①吸水管带有底阀；②吸水管不带底阀。

3.起重

泵房中必须设置起重设备以满足安装与维修需要。它的服务对象主要为水泵、电机、阀门及管道。常用的起重设备有移动吊架、单轨吊车梁和桥式行车（包括悬挂起重机）3种，除吊架为手动外，其余两种既可手动，也可电动，如图1.28和图1.29所示。

图1.28　U形单轨吊车梁布置图

1—进水阀门；2—出水阀门；3—单轨吊车梁；4—大门

图1.29　桥式行车工作范围图

1—进水阀门；2—出水阀门；3—吊车边缘工作点轨迹；4—死角区

起重设备的布置主要是根据起重机的设置高度和作业面来进行。

4.通风与采暖

泵房内一般采用自然通风。当泵房为地下式或电动机功率较大，自然通风不够时，宜采用机械通风。机械通风分抽风式与排风式。泵房通风设计主要是布置风道系统与选择风机。选择风机的依据是风量和风压。

在寒冷地区，泵房应考虑采暖设备。泵房采暖温度：对于自动化泵站，机器间为5℃，非自动化泵站，机器间为16℃。在计算大型泵房采暖时，应考虑电动机所散发的热量；但也应考虑冬季天冷停机时可能出现的低温。辅助房间室内温度在18℃以上。对于小型泵站可用火炉取暖，我国南方地区多用此法。大中型泵站中亦可考虑采取集中采暖的方法。

5.其他设施

泵站的其他设施包括排水、通信、安全与防火设施。

（1）排水。泵房内由于水泵填料盒滴水、闸阀和管道接口的漏水、拆修设备时泄放的存水以及地沟渗水等，常须设置排水设备，以保持泵房环境整洁和安全运行（尤其是电缆沟不允许积水）。地下式或半地下式泵房，一般设置手摇泵、电动排水泵或水射器等排除积水。地面式泵房，积水就可以自流入室外下水道。另外，无论是自流或提升排水，在泵房内地面上均需设置地沟集水；排水泵也可采用液位控制自动启闭。

（2）通信。泵站内通信十分重要，一般是在值班室内安装电话机，供生产调度和通信之用。电话间应具有隔音效果，以免噪声干扰。

（3）防雷。泵房中防火主要是防止用电起火以及雷击起火。起火的原因可能是用电设备过负荷超载运行、导线接头接触不良，电阻发热使导线的绝缘物或沉积在电气设备上的粉尘自燃。短路的电弧能使充油设备爆炸等。设在江河边的取水泵房，可能是雷击较多的地区，泵房上如果没有可靠的防雷保护措施，便有可能发生雷击起火。泵站中防雷保护设施常用的是避雷针、避雷线和避雷器3种。

（4）安全与防火。泵站安全设施中除了防雷保护外，还有接地保护和灭火器材的使用。接地保护是接地线和接地体的总称，当电线设备绝缘破损，外壳接触漏了电，接地线便把电流导入大地，从而消除危险，保证安全，如图1.30所示。

泵站中常用的灭火器材有四氧化碳灭火机、二氧化碳灭火机、干式灭火机等。

图1.30　保护接零和保护接地