泵站工程设计中几个问题的探讨

李会兴

（天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204）

1 简述

泵站工程也称提水工程，是通过消耗一定能量把水量提升到一定高度或输送一定距离，在工农业生产和人民日常生活中十分常见并越来越受到重视。

泵站工程按任务分类，可以划分为：供水泵站、排水泵站、调水泵站、加压泵站、蓄能泵站；按水泵类型分类，可以划分为：离心泵站、轴流泵站、混流泵站；按动力分类，可以划分为：电动泵站、机动泵站、水轮泵站、风力泵站、太阳能泵站等[1]。

20世纪60年代以来，世界各国的泵站工程发展很快，由于工农业生产的需要，我国的泵站工程也得到了迅速的发展，这些泵站的实施为抗御旱涝灾害、发展农业生产、改变农村面貌发挥了重要作用。近年来，随着我国水资源配置的优化，跨流域调水工程在我国迅速发展。引滦入津、南水北调、引黄济青、东深供水等工程都建设了不同型式、不同流量的泵站，在调水工程中发挥着重要的作用。

为使泵站更好地发挥作用、提高泵站运行管理的自动化水平，在工程设计中需要不断优化设计方案，选取安全可靠、经济合理、高效节能、信息化完备的方案。因此，需要深入研究优化解决泵站选址、工程布置、水泵选型、厂区设计、信息化建设等方面的问题。

2 泵站选址

泵站站址的选取，是泵站设计中首先要考虑的问题。站址的选择，应根据灌溉、排水、工业级城镇供水规划、泵站规模、运行特点和综合利用要求，考虑地形、地质、水源或承泄区、电源、枢纽布置、对外交通、占地、拆迁、施工、环境、管理等因素及扩建的可能性，经技术经济比较选定[2]。

2.1 灌溉泵站站址的选取

灌溉泵站站址一般选择在提水灌溉范围便于控制、输水系统布置简单、造价经济的地点。泵站取水口宜选择在主流稳定靠岸，能保证引水，有利于防洪、防潮、防沙、防冰及防污的河段。从水库取水的灌溉泵站，站址应根据灌区与水库的相对位置、地质条件和水库水位变化情况，选择在岸坡稳定，靠近灌区，取水方便，不受或少受泥沙淤积、冰冻影响的地点。

2.2 排水泵站站址的选取

以排涝为主的排水泵站，站址应选在排水区的最低处，与自然汇流相适应，尽可能靠近河岸且外河水位较低的地段，以便降低排水扬程，减少装机容量和电能消耗。防洪保护区的排水泵站站址宜选择在防洪控制线附近；潮沙河口排水泵站站址宜选择在岸线和岸坡稳定且站址泓滩冲淤变化较小的河口附近。

很多排水泵站位于两级河道交口，需要将内河的涝水排泄到外河，以保证低内河河道两岸的排水安全，避免土地浸泡及人民群众财产损失。从排水顺畅的角度，河口泵站跨河布置，往往进水、出水为直线型，排水较为顺畅，水泵使用效率更高。随着近年来人们对生活环境要求的提高、城镇景观建设的需要，也常将河口泵站建设在河道一侧，在河道交口建设节制闸。泵站侧向布置，可以减少对河道的占用，较大程度地保留河道水面面积，并为河道间连通、通航留有建设空间。

2.3 供水泵站站址的选取

供水泵站站址宜选择在受水区上游、河床稳定、水源可靠、水质良好、取水方便的河段。

3 工程布置

泵站工程的组成包括泵房、进水建筑物（站前闸、引渠、前池和进水池等）和出水建筑物（出水管道、出水池或压力水箱等）、专用变电站、其他建筑物和工程管理用房、职工住房、内外交通、通信以及其他管理维护设施等[3]。

取水泵站布置一般分为引水式和岸边式2 种。当水源与出水池之间距离较远、站址地势平坦时，采用引水式布置，利用引渠将水源引至泵房前，泵房接近出水池，可以缩短出水管道的长度。当出水池靠近水源，常采用岸边式泵站布置形式，将泵站建在水源的岸边，直接从水源取水。

排水泵站建于沿江、滨湖和平原地区的低洼地带，雨季涝水不能自流排出，必须提排才能避免或减轻涝灾的地方。设计过程中，应注意暴雨历时短、水量大的特点，充分利用内外水高程差自流排水，根据河、湖、沟、渠等的调蓄容积，合理确定泵站装机功率。排水泵站在整个使用期间的运行时间较短，应尽量使其兼做排涝、排渍、灌溉等功能，提高设备利用率，充分发挥工程的综合效益。

根据泵站使用情况，往往在泵站进口设置站前闸，出口设置出口闸。排水泵站主要用于汛期排出暴雨产生的涝水，在较大暴雨强度下入河、入湖涝水往往携带较多污物，大量污物会降低排水泵站水泵使用效率甚至损坏水泵，为此常在排水泵站站前闸位置设置清污设施，力求将涝水携带的污物拦截在前池上游、不进入水泵内，减少对水泵的损坏，以保证泵站的正常使用。涝水由内河排向外河，此时的外河往往承接多条河道来水或为行洪河道、正在高水位运行，排水泵站停止排水后，需要防止外河河水倒灌，为此在排水泵站出口一般设出口闸，防止外河河水倒灌进入内河。

以排水泵站为例，泵站工程按顺水流方向一般布置有引渠、站前闸（含清污设施）、前池、进水池、泵房、出水管道、出水池、穿堤管道、出口闸等，如图1所示。

图1 工程布置

为减少泵站电能消耗，在排水泵站设计中常设置自流道。设置自流道，可以充分利用内外河水位差自流排水，减少泵站提排时间，节能降耗。在非汛期，自流道的设置，还可以在外河水位高、内河水位低的情况下自流引外河水进入内河，满足内河景观、换水及灌溉需求。

自排与抽排结合是排水泵站的最佳布置形式。自流道布置分为分建式、合建式。自流道与泵站分建，自流道排水闸与泵站出口闸各自独立，自流道与泵站之间干扰较小，这种布置形式适用于原先已建有排水闸、单靠自流排水不能解决内涝问题、需要建设泵站在自流道排水闸关闸期间排水的情况。自流道与泵站合建，工程布置紧凑、投资较省，适用于工程建设受占地制约的情况，如图1所示，且为节省占地，自流道为埋地管道，管道上部可建设厂区道路或进行绿化、改善厂区环境。

4 水泵选择

水泵是泵站工程的核心设备。在城镇及工业企业的给水排水工程中，大量使用的水泵是叶片式水泵[4]。叶片式泵分为离心泵、轴流泵和混流泵。

4.1 离心泵

在城镇及工业农业的给水排水工程中，离心泵的使用最为普遍。单级单吸离心泵的特点是扬程较高，流量较小，结构简单，维修容易，体积小，重量轻，移动方便；泵进口直径为50～200 mm，流量常小于0.1 m3/s，扬程为5～125 m。单级双吸离心泵的特点是扬程较高，流量较大；泵进口直径为150～1 400 mm，流量为0.05～5 m3/s，扬程为12～125 m。分段式多级离心泵的特点是流量小，扬程高，扬程可根据使用需要，通过选用的叶轮级数来达到；水泵流量一般小于0.125 m3/s，扬程为17.5～600 m。

4.2 轴流泵

轴流泵的特点是扬程较低、流量较大。立式轴流泵结构简单，外形尺寸小，占地面积小，泵房较小。立式轴流泵叶轮安装在进水池最低水位以下，启动方便。轴流泵叶轮的叶片可以调节，使用工况发生变化时，只要改变叶片角度，就可改变泵的性能。中、小型轴流泵进口直径为150～1 400 mm，流量为0.1～5 m3/s，扬程为2～21 m，适用于平原地区的灌溉和排涝。

4.3 混流泵

混流泵的特点是流量比离心泵大，但比轴流泵小；扬程比离心泵低，但较轴流泵高；泵的效率高且高效区较宽广；抗气蚀性能好，运行平稳。混流泵兼有离心泵和轴流泵的优点，广泛应用于平原地区、丘陵山区的灌溉与排涝。泵进口直径为50～900 mm，流量在1.7 m3/s以内，扬程范围为2～25 m。

随着水泵制造水平的提高，各种类型的水泵尺寸还在不断变化，适应的流量及扬程范围也在不断调整中。

离心泵、轴流泵和混流泵在适用流量、适用扬程上有不少交叉的空间，同一适用条件可能会有一种或几种水泵型式的选择。为此，水泵型式的选择需要在满足使用功能的前提下，根据使用可靠性、检修便捷性、占地面积限制性、景观协调性、工程投资等因素综合考虑确定。目前，在北方平原地区，立式轴流泵、潜水轴流泵因其安装维修简便、投资适中、运行可靠等优势在排水泵站中被广泛使用。

5 厂区设计

泵站是水利工程中的重要建筑物，泵站工程往往需要配备变配电室、固定管理人员及管理用房。泵站的厂区是泵站工程所在的、包含泵站工程所需设备和房屋的固定区域。泵站厂区的布置需要根据泵站的工程布置确定，同时兼顾厂区对外交通、泵站运行管理等因素。

泵站厂区除了包括泵站主体工程外，还包括主厂房（潜水泵可不设）、变配电室、管理用房、仓库等地上配套建筑物。各地上建筑物之间的距离，应满足厂区防火及交通道路布置要求。建筑物周边及厂区道路两侧可进行绿化种植，通过不同植株的高低搭配达到美化环境、净化空气的效果。

泵站的变配电室一般靠近水泵设备布置，以减少供电电缆长度，节省工程投资。管理用房、仓库可以合并布置，减少地上建筑物数量。为管理方便，在厂区主入口一般设门卫室，便于进出厂区人员管理。

泵站厂区高程的选取，是泵站工程设计中十分重要的内容。厂区高程要与泵站电机层高程相协调，为避免厂区内雨涝水进入电机层影响水泵运行，且考虑检修车辆由厂区进入电机层方便，厂区高程低于电机层高程以0.2～0.5 m 为宜。另外，厂区高程应结合厂区周边交通道路高程确定。泵站的设备维修、清污设备的污物外运往往需要较大车辆进出厂区，厂区高程选择宜与外部道路尽量减小高差，使进厂道路坡度较小，便于通行。

6 信息化建设

近年来，随着我国工农业及社会发展的需要，许多大中型泵站陆续建成投入使用。机组容量的不断增大、使用对象重要性的提高，对泵站工程的运行安全、信息化建设提出了更高的要求。为保证工程安全、稳定和经济运行，降低工作人员劳动强度，提高自动化管理水平及运行效率，一般在泵站内设置计算机监控系统、安防系统、综合布线系统等。

6.1 计算机监控系统

泵站计算机监控系统的监控范围主要包括变电站、高低压配电系统、主机设备、辅机设备、启闭机等设备以及压力、水位等重要数据。监控系统采用计算机与PLC 相结合的监控技术，分设主控层和现地控制单元（LCU）。泵站内部建立光纤工业以太网，以计算机网络通信方式构架主控层、现地控制单元之间的联络。主控层以服务器作为监控中枢，下级为现地控制单元级，设集中LCU 控制柜、闸门LCU柜等。泵站主控层负责整个泵站的监视、控制和调节，并实现从各LCU 和外部子系统采集数据、数据归档、事件记录与归档、生产报表、绘制趋势曲线和语音报警功能。

6.2 安防系统

安防系统配置综合管理平台及安防主机，通过协议转换网关，将火灾自动报警系统、视频监控系统、危险探测系统、厂区入侵监测系统等子系统接入安防综合管理平台，实现基于平台的统一显示、统一存储、统一操作、统一查询、统一管理等功能。通过平台系统软件进行集中管理和监控，拓展各安防技术子系统的应用范围，实现各子系统的联动、协调工作，增强安防防控能力，提高安全管理工作效率及水平。

6.3 综合布线系统

在泵站主厂房、变配电室、管理用房配置综合布线系统，设置配线架，将监控系统、安防系统等线缆进行综合配线。在厂区配置厂区综合布线系统，在进出建筑物设置检修人孔，各转角及管道汇接处设置检修手孔，各检修孔之间采用钢管及格栅管布线，实现系统间通信。

各泵站工程的信息化建设，需要考虑与区域智慧水务平台的兼容性，按照水利网信发展要求，具备将泵站信息上传到更高级水务平台的功能，实现水务空间数据资源和空间服务平台的共享共建。

7 结语

泵站是水利工程的重要组成部分，深入研究泵站选址、优化泵站布置、合理选择水泵型式会使泵站布局更加合理、使用效率更高、能源消耗更少。优化泵站厂区内各建筑物布局，不仅能减少工程投资，还可以使泵站的运行管理更加方便。信息化建设是现阶段及未来泵站工程的重要建设内容，可以提高泵站自动化运行水平，为区域智慧水务平台建设提供基础数据，实现区域水利设施联合调度。