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摘要在以往的市政排水泵站设计中，水泵的设计扬程大多按集水池的最低水位与出水河道的最高水位差加上水泵及管路的水头损失和一定的安全水头确定。这样确定设计扬程的选泵方法导致水泵设计扬程的往往高于实际运行的扬程，水泵长期不在最佳工况点运行，水泵效率低下、水泵电机装机容量大、利用率低、电耗增加等一系列问题。为了改善这些问题，提出了通过不同设计参数水泵的组合来适应泵站运行中的扬程变化，提高泵站的整体效率。
关键词水泵设计扬程
0 引言
市政排水泵站是城市排水系统中的一个重要环节，它的职责是将城市的污水通过提升送到污水处理厂进行处理，将雨水提升后排入河流湖泊。因此市政排水泵站在整个城市排水系统中扮演着重要的角色。在市政排水泵站设计中选泵是关键，水泵是泵站的核心，选泵的好坏将直接影响泵站的是否能够正常、高效的运行。
选泵首先应根据泵站性质、设计水量和预计的水泵台数计算出单台水泵的设计流量，再根据泵站进出水水位的分析及水泵运行中水头损失的计算，确定水泵的最高、最低扬程和设计扬程。要求所选水泵的性能曲线应该在设计流量和设计扬程的工况点处于或接近最佳效率点，在最高和最低扬程时能够安全、稳定高效的运行。因此，选泵应根据最高和最低扬程综合确定设计扬程。
1 市政排水泵站最高和最低扬程的确定
对于市政雨污水泵站的最高和最低扬程，《室外排水设计规范（50014-2006）》的条文解释中有明确的说明。雨水泵站水泵的最高扬程为集水池最低水位与受纳水体高水位或防汛水位之差加上管路的水头损失；水泵的最低扬程为集水池最高水位与受纳水体低水位或平均水位之差加上管路的水头损失。对于污水泵站而言，水泵的最高扬程为设计最大流量时出水管渠水位与集水池最低水位之差加上管路的水头损失和安全水头；水泵的最低扬程为设计最小流量时出水管渠水位与集水池最高水位之差加上管路的水头损失和安全水头。
根据以上说法，雨污水泵站水泵的最高和最低扬程与集水池的设计最高和最低水位有关。这是为什么呢？首先说明一下雨污水泵站集水池最高、最低水位在泵站运行中所起的作用。集水池的设计最高水位是进水达到设计流量时的集水池的水位，是泵站自控运行时水泵全部开启的水位。在此工况下，泵站来水量与泵站设计总排水量基本相同，集水池内的水位不再上升，因此是水泵在设计工况下的理论最高运行水位。集水池的设计最低水位是水泵的停泵水位，是水泵在设计工况下的最低运行水位。因此，水泵运行的最高和最低扬程需通过集水池的最高和最低水位计算确定。
雨污水泵站集水池设计最高水位很容易确定，可按《室外排水规范规范》和《给水排水设计手册5》执行，即雨水泵站按进水管管顶高程减去了过栅损失选取；污水泵站按进水管设计充满度水位高程减去了过栅损失选取。而集水池的设计最低水位的确定则相对复杂一些，这是因为集水池的最低水位需根据水泵吸水喇叭口的安装条件和叶轮的淹没深度、集水池的容积、管道及泵站的养护管理、水泵的运行等条件综合确定。《给水排水设计手册.第05册.城镇排水》给出的集水池最低水位为一般雨水按最小一台水泵流量时进水干管充满度的水位，污水按管底或低于管底的高程确定最低水位。工程实践证明如果机械的把雨水按最小一台水泵流量时进水干管充满度的水位作为集水池的设计最低水位，在泵站的运行中会带来一些问题：
（1）最低水位的确定跟水泵的台数有关，如果设计水泵臺数较多，单泵流量就较小，集水池最低水位稍高于管底；但如果设计水泵台数较少的情况下，单泵流量较大，集水池的最低水位就高于管底很多（如果设计2台水泵，集水池的设计最低水位甚至在进水管管中的高程）。在集水池最高水位一定的情况下，水泵台数的多少将影响集水池最低水位的高程以及集水池有效容积的大小。
（2）如果集水池的最低水位高于管内底高程，这样进水管内长期会存有一定深度的雨水，减少了进水管道的过水断面，降低了管道过流能力。
（3）如果集水池的最低设计水位定在低于管底的高程，虽然可增加集水池的有效容积，但会增加泵站的埋深，导致投资的增加。而水泵扬程的运行区间也会加大，这样将导致水泵在运行过程中，高效区很难覆盖整个扬程运行区间，导致水泵工作效率下降。
因此从提高泵站的有效容积而又不过多增加泵站埋深、保持泵站进水管的100%过流量，充分发挥泵站的作用以及在工程设计中便于操作的角度考虑，雨污水泵站集水池的设计最低水位可按进水管管底高程减去过栅损失选定。
2 市政排水泵站水泵设计扬程的确定
在以往的市政排水泵站设计中，雨水泵站水泵设计扬程往往根据集水池的最低水位与受纳水体的高水位之差加上管路水头损失及一定的安全水头确定；污水泵站水泵设计扬程按集水池最低水位与出水管水位之差加上管路水头损失及安全水头确定。这样选出来的水泵设计扬程往往高于实际工况下的工作扬程（雨水泵站的水泵扬程的运行区间远远大于污水泵站，所以雨水泵站上述问题更加突出），导致水泵运行时偏离高效区，水泵效率下降明显，水泵电机利用效率低，装机和电耗不经济。下面以某雨水泵站设计的工程实例具体说明：
某雨水泵站，设计流量为18m3/s，进水管为双排3.5m*2.8m方涵，进水方涵涵底高程为-3.0米，出水河道高水位为2.5米。设计为8台潜水轴流泵，单泵流量为2.25 m3/s。以往水泵设计选型过程及方法如下：
（1）集水池的最高水位为-0.3米（进水方涵涵顶高程减去过栅损失0.1m），集水池的最低水位为-2.75米（按单台水泵流量时进水方涵充满度的水位减去过栅损失）。
（2）通过计算水泵及管路的损失为2.6米，安全水头取0.5米
（3）水泵设计扬程取：H=2.5-（-2.75）+2.6+0.5=8.35m
所选水泵参数为Q=2.25 m3/s，H=8.3m，叶片角度为-2°，电机功率为250KW，其性能曲线见图1。由图可见，所选水泵在设计扬程8.35米时，效率为84%。
水泵性能曲线图1（Q=2.25 m3/s，H=8.3m）
当泵站在达到设计流量时，集水池水位为-0.3米，此时工况下水泵工作扬程为：H=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m
当泵站达到设计流量时，水泵的工作扬程为5.9米，根据所选水泵的性能曲线看，水泵的运行工况点与选泵时的设计工况点偏移较大，此时8台水泵的理论工作效率为从84%下降至77%左右，水泵运行已经偏离了高效区。扬程的降低会导致水泵的轴功率降低，因此250KW的电机功率浪费很多。可见水泵设计扬程偏高对泵站实际运行效率的影响是非常大的。
在雨水泵站设计中，为使雨水泵站水泵适应扬程的变化，在运行中始终保持高效、稳定运行的方法主要有增加调速装置的变速调节法和通过不同设计参数水泵的组合达到适应泵站扬程变化等方法。下面结合以上举例的雨水泵站设计介绍一下通过不同设计参数水泵组合达到适应泵站扬程变化的水泵选型方法。首先确定水泵的最高、最低扬程。
①水泵最高扬程H1（集水池最低设计水位时即单台水泵流量时）为：H1=2.5-（-2.7）+2.6+0.5=8.3m
②水泵最低扬程H2（集水池最高设计水位时即达到设计流量时）为：H2=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m
从泵站水泵运行的情况看，水泵的开停是通过浮球阀自动控制的，当集水池的水位达到预定的开泵水位时，水泵依次启动开车。从第一台水泵的开启到进水达到设计流量时水泵全部开启，在这个过程中，水泵的工作扬程是一个逐渐变化的过程，但每台水泵工作扬程的变化区间是不一样的。第一台开启的水泵工作扬程的变化区间最大，从水泵最高扬程H1到水泵最低扬程H2，区间范围为8.3-5.9=2.4米；最后一台开启的水泵工作扬程变化区间最小，区间范围为0。由于设计雨水泵站水泵台数较多为8台，如果统一按一个参数工况进行水泵选型，很难保证每台水泵在运行过程中都处于高效区。但如果按多个参数工况进行水泵选型，又不利于泵站的维护和管理。因此从保证大多数水泵在运行中处于最佳工况点，少数水泵在扬程的大范围变化中始终在高效区内运行为原则，按工作扬程的区间范围将8台水泵分为2组，前两台开启水泵为第一组，其工作扬程区间范围为5.9～8.3米；后六台开启水泵为第二组，其工作扬程区间范围为5.9～7.6（第三台水泵开启的水位）米。两组水泵设计扬程可以分别按最高扬程和最低扬程选取，即第一组水泵设计扬程按最高扬程8.3米选型（按集水池最低水位计算的最高扬程），第二组水泵设计扬程按5.9米选型（按集水池最高水位计算的最低扬程）。第一组水泵的设计参数为Q=2.25 m3/s，H=8.3m，叶片角度为-2°，电机功率为250KW（性能曲线见图1），水泵台数为2台。第二组水泵的设计参数为Q=2.25 m3/s，H=5.9m，叶片角度为+2°，电机功率为160KW（性能曲线见图2），水泵台数为6台。
从第一组水泵的性能曲线上看，在其最佳工况点Q=2.25 m3/s，H=8.3m时，水泵的效率为84%；在其工作扬程5.9～8.3米区间范围内，其水泵的效率区间为84%（工作扬程8.3米）～77%（工作扬程5.9米），水泵效率虽然随着水泵工作扬程的下降而下降，但该组水泵能够适应整个运行区间的工作扬程变化，牺牲一些效率还是值得的。
水泵性能曲线图2（Q=2.25 m3/s，H=5.9m）
从第二组水泵的性能曲线上看，在其最佳工况点Q=2.25 m3/s，H=5.9m时，水泵的效率为84%；在其工作扬程5.9～7.6米区间范围内，其水泵效率区间为79%～84%。当泵站进水量达到设计流量时（工作扬程为5.9米时），6台水泵全部达到最高效率点；在低效区（工作扬程为7.6米时）工作的水泵台数较少，并且随着来水量的增大，水泵在低效区运行的时间较短。在低效区时水泵仍能安全、稳定、较高效的运行。
两次水泵选型对比结果见下表：
比较项目 原水泵选型方案 本次水泵选型方案 对比结果
水泵设计扬程及效率 H=8.3m，84%（8台） H=8.3m，84%（2台）；
H=5.9m，84%（6台） 在设计工况点，原方案与本次方案所选型水泵的运行效率均较高。
泵站达到设计流量时水泵的运行扬程及效率 H=5.9m，77%（8台） H=5.9m，77%（2台）；
H=5.9m，84%（6台） 在达到设计流量时，原方案选型8台水泵全部在低效区运行，而本次选型水泵6台工作完全处于最佳工况点。
水泵电机功率 250KW（8台） 250KW（2台）
160KW（6台） 原水泵选型方案比本次水泵选型方案电机的装机容量大，造成电机投资加大，利用率低下，电耗增加。
3 结论
通过与以往方法选型水泵运行情况的对比，按本次水泵设计扬程选定方法的所选的水泵在运行中具有相对高效、节能和降低部分投资的优点。雨水泵站的设计特点是泵站流量较大、水泵设计台数较多、水泵扬程的运行区间较大，因此为使大多数水泵在设计工况下处于高效区，水泵选型可分成两组，设计扬程可分别按最高扬程（在集水池最低水位时）和最低扬程（进水达到设计流量时即集水池最高水位时）选定，按最低扬程选定的水泵台数应占多数。由于污水泵站的设计流量较小、水泵台数较少、水泵扬程的工作运行区间较小，水泵的高效区较容易覆盖整个水泵运行的区间，所以污水泵站水泵的设计扬程可按水泵最低扬程选取，即按集水池最低设计水位计算的设计扬程选取。
作者简介：
张晓琳：男，1980年12月生，籍贯天津，工程师，学士学位，从2004年起在天津市市政工程设计研究院从事给排水设计工作
参考文献：
（1）、GB50014-2006，室外排水设计规范[S]
（2）、给水排水设计手册.第二版.第05期.城镇排水[M]，中国建筑工业出版社
（3）、GB50265-2010，泵站设计规范 [S]
（4）、盧心虹 胡大卫 沈云法 高家增，天津市政泵站设计技术开发的实践与展望[D]，给水排水，2001.6
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词水泵设计扬程
0 引言
市政排水泵站是城市排水系统中的一个重要环节，它的职责是将城市的污水通过提升送到污水处理厂进行处理，将雨水提升后排入河流湖泊。因此市政排水泵站在整个城市排水系统中扮演着重要的角色。在市政排水泵站设计中选泵是关键，水泵是泵站的核心，选泵的好坏将直接影响泵站的是否能够正常、高效的运行。
选泵首先应根据泵站性质、设计水量和预计的水泵台数计算出单台水泵的设计流量，再根据泵站进出水水位的分析及水泵运行中水头损失的计算，确定水泵的最高、最低扬程和设计扬程。要求所选水泵的性能曲线应该在设计流量和设计扬程的工况点处于或接近最佳效率点，在最高和最低扬程时能够安全、稳定高效的运行。因此，选泵应根据最高和最低扬程综合确定设计扬程。
1 市政排水泵站最高和最低扬程的确定
对于市政雨污水泵站的最高和最低扬程，《室外排水设计规范（50014-2006）》的条文解释中有明确的说明。雨水泵站水泵的最高扬程为集水池最低水位与受纳水体高水位或防汛水位之差加上管路的水头损失；水泵的最低扬程为集水池最高水位与受纳水体低水位或平均水位之差加上管路的水头损失。对于污水泵站而言，水泵的最高扬程为设计最大流量时出水管渠水位与集水池最低水位之差加上管路的水头损失和安全水头；水泵的最低扬程为设计最小流量时出水管渠水位与集水池最高水位之差加上管路的水头损失和安全水头。
根据以上说法，雨污水泵站水泵的最高和最低扬程与集水池的设计最高和最低水位有关。这是为什么呢？首先说明一下雨污水泵站集水池最高、最低水位在泵站运行中所起的作用。集水池的设计最高水位是进水达到设计流量时的集水池的水位，是泵站自控运行时水泵全部开启的水位。在此工况下，泵站来水量与泵站设计总排水量基本相同，集水池内的水位不再上升，因此是水泵在设计工况下的理论最高运行水位。集水池的设计最低水位是水泵的停泵水位，是水泵在设计工况下的最低运行水位。因此，水泵运行的最高和最低扬程需通过集水池的最高和最低水位计算确定。
雨污水泵站集水池设计最高水位很容易确定，可按《室外排水规范规范》和《给水排水设计手册5》执行，即雨水泵站按进水管管顶高程减去了过栅损失选取；污水泵站按进水管设计充满度水位高程减去了过栅损失选取。而集水池的设计最低水位的确定则相对复杂一些，这是因为集水池的最低水位需根据水泵吸水喇叭口的安装条件和叶轮的淹没深度、集水池的容积、管道及泵站的养护管理、水泵的运行等条件综合确定。《给水排水设计手册.第05册.城镇排水》给出的集水池最低水位为一般雨水按最小一台水泵流量时进水干管充满度的水位，污水按管底或低于管底的高程确定最低水位。工程实践证明如果机械的把雨水按最小一台水泵流量时进水干管充满度的水位作为集水池的设计最低水位，在泵站的运行中会带来一些问题：
（1）最低水位的确定跟水泵的台数有关，如果设计水泵臺数较多，单泵流量就较小，集水池最低水位稍高于管底；但如果设计水泵台数较少的情况下，单泵流量较大，集水池的最低水位就高于管底很多（如果设计2台水泵，集水池的设计最低水位甚至在进水管管中的高程）。在集水池最高水位一定的情况下，水泵台数的多少将影响集水池最低水位的高程以及集水池有效容积的大小。
（2）如果集水池的最低水位高于管内底高程，这样进水管内长期会存有一定深度的雨水，减少了进水管道的过水断面，降低了管道过流能力。
（3）如果集水池的最低设计水位定在低于管底的高程，虽然可增加集水池的有效容积，但会增加泵站的埋深，导致投资的增加。而水泵扬程的运行区间也会加大，这样将导致水泵在运行过程中，高效区很难覆盖整个扬程运行区间，导致水泵工作效率下降。
因此从提高泵站的有效容积而又不过多增加泵站埋深、保持泵站进水管的100%过流量，充分发挥泵站的作用以及在工程设计中便于操作的角度考虑，雨污水泵站集水池的设计最低水位可按进水管管底高程减去过栅损失选定。
2 市政排水泵站水泵设计扬程的确定
在以往的市政排水泵站设计中，雨水泵站水泵设计扬程往往根据集水池的最低水位与受纳水体的高水位之差加上管路水头损失及一定的安全水头确定；污水泵站水泵设计扬程按集水池最低水位与出水管水位之差加上管路水头损失及安全水头确定。这样选出来的水泵设计扬程往往高于实际工况下的工作扬程（雨水泵站的水泵扬程的运行区间远远大于污水泵站，所以雨水泵站上述问题更加突出），导致水泵运行时偏离高效区，水泵效率下降明显，水泵电机利用效率低，装机和电耗不经济。下面以某雨水泵站设计的工程实例具体说明：
某雨水泵站，设计流量为18m3/s，进水管为双排3.5m*2.8m方涵，进水方涵涵底高程为-3.0米，出水河道高水位为2.5米。设计为8台潜水轴流泵，单泵流量为2.25 m3/s。以往水泵设计选型过程及方法如下：
（1）集水池的最高水位为-0.3米（进水方涵涵顶高程减去过栅损失0.1m），集水池的最低水位为-2.75米（按单台水泵流量时进水方涵充满度的水位减去过栅损失）。
（2）通过计算水泵及管路的损失为2.6米，安全水头取0.5米
（3）水泵设计扬程取：H=2.5-（-2.75）+2.6+0.5=8.35m
所选水泵参数为Q=2.25 m3/s，H=8.3m，叶片角度为-2°，电机功率为250KW，其性能曲线见图1。由图可见，所选水泵在设计扬程8.35米时，效率为84%。
水泵性能曲线图1（Q=2.25 m3/s，H=8.3m）
当泵站在达到设计流量时，集水池水位为-0.3米，此时工况下水泵工作扬程为：H=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m
当泵站达到设计流量时，水泵的工作扬程为5.9米，根据所选水泵的性能曲线看，水泵的运行工况点与选泵时的设计工况点偏移较大，此时8台水泵的理论工作效率为从84%下降至77%左右，水泵运行已经偏离了高效区。扬程的降低会导致水泵的轴功率降低，因此250KW的电机功率浪费很多。可见水泵设计扬程偏高对泵站实际运行效率的影响是非常大的。
在雨水泵站设计中，为使雨水泵站水泵适应扬程的变化，在运行中始终保持高效、稳定运行的方法主要有增加调速装置的变速调节法和通过不同设计参数水泵的组合达到适应泵站扬程变化等方法。下面结合以上举例的雨水泵站设计介绍一下通过不同设计参数水泵组合达到适应泵站扬程变化的水泵选型方法。首先确定水泵的最高、最低扬程。
①水泵最高扬程H1（集水池最低设计水位时即单台水泵流量时）为：H1=2.5-（-2.7）+2.6+0.5=8.3m
②水泵最低扬程H2（集水池最高设计水位时即达到设计流量时）为：H2=2.5-（-0.3）+2.6+0.5=5.9m
从泵站水泵运行的情况看，水泵的开停是通过浮球阀自动控制的，当集水池的水位达到预定的开泵水位时，水泵依次启动开车。从第一台水泵的开启到进水达到设计流量时水泵全部开启，在这个过程中，水泵的工作扬程是一个逐渐变化的过程，但每台水泵工作扬程的变化区间是不一样的。第一台开启的水泵工作扬程的变化区间最大，从水泵最高扬程H1到水泵最低扬程H2，区间范围为8.3-5.9=2.4米；最后一台开启的水泵工作扬程变化区间最小，区间范围为0。由于设计雨水泵站水泵台数较多为8台，如果统一按一个参数工况进行水泵选型，很难保证每台水泵在运行过程中都处于高效区。但如果按多个参数工况进行水泵选型，又不利于泵站的维护和管理。因此从保证大多数水泵在运行中处于最佳工况点，少数水泵在扬程的大范围变化中始终在高效区内运行为原则，按工作扬程的区间范围将8台水泵分为2组，前两台开启水泵为第一组，其工作扬程区间范围为5.9～8.3米；后六台开启水泵为第二组，其工作扬程区间范围为5.9～7.6（第三台水泵开启的水位）米。两组水泵设计扬程可以分别按最高扬程和最低扬程选取，即第一组水泵设计扬程按最高扬程8.3米选型（按集水池最低水位计算的最高扬程），第二组水泵设计扬程按5.9米选型（按集水池最高水位计算的最低扬程）。第一组水泵的设计参数为Q=2.25 m3/s，H=8.3m，叶片角度为-2°，电机功率为250KW（性能曲线见图1），水泵台数为2台。第二组水泵的设计参数为Q=2.25 m3/s，H=5.9m，叶片角度为+2°，电机功率为160KW（性能曲线见图2），水泵台数为6台。
从第一组水泵的性能曲线上看，在其最佳工况点Q=2.25 m3/s，H=8.3m时，水泵的效率为84%；在其工作扬程5.9～8.3米区间范围内，其水泵的效率区间为84%（工作扬程8.3米）～77%（工作扬程5.9米），水泵效率虽然随着水泵工作扬程的下降而下降，但该组水泵能够适应整个运行区间的工作扬程变化，牺牲一些效率还是值得的。
水泵性能曲线图2（Q=2.25 m3/s，H=5.9m）
从第二组水泵的性能曲线上看，在其最佳工况点Q=2.25 m3/s，H=5.9m时，水泵的效率为84%；在其工作扬程5.9～7.6米区间范围内，其水泵效率区间为79%～84%。当泵站进水量达到设计流量时（工作扬程为5.9米时），6台水泵全部达到最高效率点；在低效区（工作扬程为7.6米时）工作的水泵台数较少，并且随着来水量的增大，水泵在低效区运行的时间较短。在低效区时水泵仍能安全、稳定、较高效的运行。
两次水泵选型对比结果见下表：
比较项目 原水泵选型方案 本次水泵选型方案 对比结果
水泵设计扬程及效率 H=8.3m，84%（8台） H=8.3m，84%（2台）；
H=5.9m，84%（6台） 在设计工况点，原方案与本次方案所选型水泵的运行效率均较高。
泵站达到设计流量时水泵的运行扬程及效率 H=5.9m，77%（8台） H=5.9m，77%（2台）；
H=5.9m，84%（6台） 在达到设计流量时，原方案选型8台水泵全部在低效区运行，而本次选型水泵6台工作完全处于最佳工况点。
水泵电机功率 250KW（8台） 250KW（2台）
160KW（6台） 原水泵选型方案比本次水泵选型方案电机的装机容量大，造成电机投资加大，利用率低下，电耗增加。
3 结论
通过与以往方法选型水泵运行情况的对比，按本次水泵设计扬程选定方法的所选的水泵在运行中具有相对高效、节能和降低部分投资的优点。雨水泵站的设计特点是泵站流量较大、水泵设计台数较多、水泵扬程的运行区间较大，因此为使大多数水泵在设计工况下处于高效区，水泵选型可分成两组，设计扬程可分别按最高扬程（在集水池最低水位时）和最低扬程（进水达到设计流量时即集水池最高水位时）选定，按最低扬程选定的水泵台数应占多数。由于污水泵站的设计流量较小、水泵台数较少、水泵扬程的工作运行区间较小，水泵的高效区较容易覆盖整个水泵运行的区间，所以污水泵站水泵的设计扬程可按水泵最低扬程选取，即按集水池最低设计水位计算的设计扬程选取。
作者简介：
张晓琳：男，1980年12月生，籍贯天津，工程师，学士学位，从2004年起在天津市市政工程设计研究院从事给排水设计工作
参考文献：
（1）、GB50014-2006，室外排水设计规范[S]
（2）、给水排水设计手册.第二版.第05期.城镇排水[M]，中国建筑工业出版社
（3）、GB50265-2010，泵站设计规范 [S]
（4）、盧心虹 胡大卫 沈云法 高家增，天津市政泵站设计技术开发的实践与展望[D]，给水排水，2001.6
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。