城市排水系统节能优化控制研究

宋涛 中国市政工程中南设计研究总院有限公司

1 城市排水系统流量及节能控制单元

城市排水系统是排出降雨径流、生活污水、工业废水等，预防水体污染，促进水资源高效循环的重要基础设施。城市排水系统一般由由排水管网、蓄水池、输送管泵、污水处理厂等组成。鉴于篇幅限制，本文基于现行的流量计算方法，来探讨排放管网和污水泵站的节能优化。

1.1 污水流量计算

城市污水流量在排水系统中是不断增加的，至排水终点（污水处理厂）流量达到峰值。因此，在排水系统中应逐段确定管道流量。污水排放量与城市人口、经济水平、排水体制、污水管网设计参数等因素密切相关，一般是按照式⑴简单累加计算。式⑴中的城市污水总量是假定生活污水、工业废水等在同一时间内都达到峰值，但这种情况发生的概率较低，故将Q作为确定污水泵站型号或污水处理厂规模时的设计依据显然是不经济的。

式中Q1—居住区生活污水流量，L/s；Q2—工业企业生活污水及淋浴污水流量，L/s；Q1—工业废水流量，L/s。

1.2 降雨径流计算

根据《室外排水设计标准》（GB50014-2021），暴雨条件下的城市排水系统中的雨水径流可利用式⑵最小流域面积法计算。

式中Q—雨水径流量，L/s；Ψ—径流系数，具体取值参考表1；F—汇水面积，ha；q—设计暴雨强度，L/s，与降雨历时、降雨重现期等因素。

表1 径流系数取值

1.3 流量控制单元

1.3.1 管道控制单元

流入和流出管道的污水量取决于闸门上、下游水位高差和闸门开度，两者之间的关系基本符合式⑶。

式中q(t)—t时刻管道的污水流量，L/s；u—闸门流量系数，无量纲；f—闸门水域面积，m2；hup(t)、hdown(t)—分别为闸门上游和下游的水位高度，m。

1.3.2 水泵控制单元

水泵是一种能量转换机械，可将电能转化为液体动能和势能，以实现排水系统输送或储存液体的目标。水泵类型应结合污水性质选择，如酸性或腐蚀性较强的工业废水，宜使用耐腐蚀泵；如污泥使用扬程较低的离心泵、轴流泵等即可。选择水泵时，尽可能选择性能好、效率高的设备，小型泵站配置2～3台水泵，大中型泵站配置3～4台水泵。同时，为了达到节能效果，水泵可采用大、小泵搭配的方案，以适应排水系统内污水流量的变化。

1.3.3 污水处理厂

污水处理厂也是排水系统的重要的流量控制单元，在污水处理厂只需控制其服务流域范围内的总污水量。一般情况下，总污水量越大，污水处理厂的耗能越高，其耗能环节主要包括包括提升系统、曝气系统、污水污泥处理系统、电气系统等。相关研究表明，污水提升泵房的电耗量占比全部电耗的20%左右，曝气系统能耗可占到整个污水处理厂的60%～70%，均需重点关注。

2 基于分散控制的排水管网节能优化模型

城市排水系统是多变量耦合的复杂系统，每个区域所分布的泵站排水能力差异较大。本文基于分散控制理论，在保证管网不出现溢流条件下，建立城市排水系统局部水泵节能优化模型。这样可提高排水系统节能优化的效率，降低求解复杂度。

2.1 工程概况

本文依托某城市局部区域为研究对象，针对其排水系统能耗进行优化。区域内地势总体较平坦，局部起伏大，水文地质状况良好，属温带大陆性季风气候年平均降水量约989mm，降雨主要集中在6～10月区域内的排水泵站布置见图1。区域内共11个泵站，编号为S1～S11。将图中所示泵站划分成为单环和双环（黄色区域内）两种类型。假设单环为非综合调度泵站，双环为区域综合调度泵站。

图1 城市排水泵站布置

2.2 排水管网节能优化模型

2.2.1 非综合调度泵站节能优化模型

非综合调度泵站的控制目标是使单个泵站能量消耗达到最低值，且单根管道的水位尽量接近期望水位高度。如,泵站S1和S2是非综合调度泵站，对其采用分散控制，只需要考虑节点处水泵自身的工作情况，不必考虑该节点与其它节点水泵的相互影响。非综合调度泵站的节能优化模型可用式⑷表示。

式中vi(t)—管道i在t时刻的储水量；vi(t+1)—管道i在t+1时刻的储水量；qex、i(t)—t时刻的降雨在节点处产生的流量；qup、i(t)—上游管道汇进该管道的流量；qu、i(t)—节点处水泵的控制出水量。

2.2.2 区域综合调度泵站节能优化模型

对于有分支的综合调度泵站，为了更加精确地预测各分支上的泵站在将来某一时刻t流量，可将调度泵站与分支泵站构建成区域子系统（如S3和S7、S9节点为一个子系统），将子系统视为一个整体，统一进行节能控制，其节能控制目标是在子系统内所有节点不溢流的前提下，子系统的总耗能最低。区域综合调度泵站的节能优化模型可用式⑸表示。

式中vm(t)—第i在区域子系统在t时刻的储水量；vi(t+1)—第i在区域子系统在t+1时刻的储水量；qex、m(t)—t时刻的降雨区域子系统处产生的流量；qup、m(t)—上游管道汇进区域子系统的流量；qu、i(t)—区域子系统控制出水量。

2.3 排水管网节能优化结果

利用上述排水管网节能优化模型（分散优化）和传统集中优化模型分别计算了排水系统在180s内的能量消耗。由计算结果可知，排水系统在传统集中优化模型下，能耗随排水时间变化较大，呈先增加后减小的趋势，在排水时间为58s左右能耗达到峰值，总能耗为1.58kWh；分散优化模型在排水过程中的能耗波动较小，排水能耗基本维持在0.05 kWh左右，总能耗为1.43 kWh。相对于传统优化模型，分散优化模型节能效果提升了9.5%，且整个排水系统的耗能更加稳定。

3 城市排水系统中的泵站能耗控制措施

目前，城市排水系统泵站普遍存在工作效率低下，能源消耗量大，运行成本高等问题。同时，排水系统中的水泵经过长时间运行，其工况可能严重偏离设计工况。因此，本文基于泵站的实际运行工况对其能耗进行分析，并提出相应的节能措施，确保泵站处于良好的运行状态，达到节能目标。

3.1 排水系统泵站运行工况

水泵在选型时通常是基于最严重工况，再乘以一个安全系数，使得水泵功率、扬程大大增加，造成一定的能源浪费。但在实际排水系统中，由于泵站流量的不确定性，泵站的工作状态可划分为流入泵站流量＞泵出流量、流入泵站流量＜泵出流量、流入泵站流量=泵出流量3种。泵站所处工况不同，耗能大小不同，对整体排水系统的影响也有一定程度的差异。

3.1.1 流入泵站流量＞泵出流量

当泵站处于Q流入＞Q泵出工况下，会使泵站进水口污水井水位升高，水泵的排流量增大。然而，水泵在某一转速下调节流量的能力并不是无限大的，且水泵排流量过大可能会引起出水口产生滞流，形成附加水柱△H（相当于增加了污水泵扬程），增加能力消耗，十分不利于泵站系统的整体稳定。

3.1.2 流入泵站流量＜泵出流量

在泵站处于Q流入＜Q泵出工况下，泵站进水口污水井水位迅速下降，水泵的排流量减小，水泵工作效率就会降低。随着流入泵站流量的减小，进水口出现回流和漩涡，随后水泵进入“马鞍型QH特性曲线”。如果流入泵站流量过小，达到临界淹没水位，应立即停机。需注意，启停机次数不得大于水泵所允许的次数，否则可能损坏水泵。

3.1.3 流入泵站流量=泵出流量

当Q流入=Q泵出，此时进出口的水位均是理想水位，水泵扬程减小，泵站运行效率高（运行状态最佳），节能效果最好，污水对整个排水系统的污染也较小。

3.2 排水系统泵站节能措施

3.2.1 变频调速技术

以图3所示的轴流泵工作特性曲线为例开展分析，排水流量Q=Q0时，水泵工作效率η达到峰值，一旦排水流量偏离Q0，水泵工作效率η会快速下降。由于排水系统中的流量是动态变化的，水泵固定高效率区运行难度大。使机泵在高效区运行，比较困难。基于上述工作特性，污水泵站可利用变频调速技术来节约电能消耗。变频调速控制系统一般是由变频器、控制器、传感器、切换接触器等装置组成，在污水流入量降低的条件下，水泵自动调慢转速，从而降低污水泵出流量。假设Q流入减少了10%，水泵转速下降使Q泵出也减少10%，且Q流入=Q泵出。此时排水流量偏离Q0，泵站功率大幅下降，节电效果十分明显。

图3 水泵工作特性曲线

3.2.2 控制水泵扬程

相关研究表明，污水泵站的耗能跟扬程大小有关。一般扬程越大，泵机提升等量污水所做的功越多，消耗的能量也越大，因此在排水系统中应尽量降低扬程来减小电能消耗。以图4所示的污水泵站为例开展杨程分析:①提高泵站运行水位，泵站正常工作状态下（Q流入=Q泵出），水泵扬程H=HAB+HBC+HCD，单位时间内泵站提升污水的耗能W=ρgQH（ρ为污水密度、g为重力加速度、Q为流入或泵出流量）。假设泵站运行水位从A上涨到B，扬程减少了HAB，泵站耗能减少了ρgQHAB。②当污水流入量较小时，可适当降低围堰闸的高度来减少无效扬程所消耗的电能。假设围堰闸的高度降低了HCD，泵站耗能减少ρgQHCD。

图4 污水泵站立面图

4 结语

本文研究了城市排水系统流量控制单元、排水管网分散优化模型、泵站节能措施等得出结论：①城市排水系统流量由降雨径流、生活污水、工业废水等组成，主要利用管道、水泵、污水处理厂等单元控制流量；②城市排水系统是多变量耦合的复杂系统，可基于分散控制理论，对非综合调度泵站和区域综合调度泵站分别进行优化；③经分散优化模型处理后的排水系统能耗峰值有明显降低，且能量波动小；④排水系统泵站可结合实际运行工况，通过变频调速技术、提高泵站运行水位、降低围岩闸高度等措施节省能源消耗。