一体化预制泵站的有效容积设计方法、装置和系统

摘要

本发明涉及一种一体化预制泵站的有效容积设计方法、装置和系统，设计方法包括以下步骤：获取泵站进水量、有效的水泵数量和水泵每小时最大允许启动次数；所述的一体化预制泵站中有效的水泵数量为1～3个；将泵站进水量、有效的水泵数量、水泵每小时最大允许启动次数输入容积优化模型，输出获取最优的有效容积。与现有技术相比，本发明能够快速且精确地获取一体化预制泵站需要预留的有效容积数值，避免有效容积设计过大或者过小造成的危害；由此可以极大缩小一体化预制泵站的外形尺寸，减少了井筒的制作成本，节约了土建成本，方便运输和安装。

说明书

技术领域

本发明涉及预制泵站领域，尤其是涉及一种一体化预制泵站的有效容积设计方法、装置和系统。

背景技术

泵站是为水提供势能和压能，解决无自流条件下的排灌、供水和水资源调配问题的唯一动力来源，因此它的作用特殊，地位重要，长期以来和人类的生产生活密切相关。随着国家基础设施建设和城镇化进程的加快，传统混凝土泵站也日益暴露出它自身难以克服的缺点。这些弊端都促使人们开始寻找一种性能更为优化的替代品。一体化预制泵站是针对传统泵站所暴露出的种种弊端而研制开发出的一种专用污水提升装置。

排水泵站集水池的最高液位和最低液位之间的体积为泵站的有效容积。当泵站有效容积过小，会导致水泵电机频繁启停而过载；当有效容积过大,水泵运行周期过长，会增加沉淀和堵塞的风险。因此合理确定泵站有效容积是一体化预制泵站优化设计的关键。在现行的泵站设计相关规范中，仅仅规定“污水泵站集水池的有效容积不应小于最大一台水泵5min的出水量”，“当水泵机组为自动控制时，每小时开动水泵不得超过6次”。有效容积V的常规设计方式是采用经验公式，且仅适用一台水泵工作的工况，容易造成有效容积的预留不精确。实际操作中往往采用偏大的设计方案，造成集水池体积过大，浪费资源。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种一体化预制泵站的有效容积设计方法、装置和系统，使得一体化预制泵站的有效容积预留更加精确合理。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种一体化预制泵站的有效容积设计方法，包括以下步骤：

S1、获取泵站进水量、有效的水泵数量和水泵每小时最大允许启动次数；所述的一体化预制泵站中有效的水泵数量为1～3个；

S2、将泵站进水量、有效的水泵数量、水泵每小时最大允许启动次数输入容积优化模型，输出获取最优的有效容积；所述容积优化模型的表达式为：

其中，V

进一步地，所述有效的水泵数量为运行过程中实际参与泵站工作的数量，排除仅作为备用冗余的水泵数量。

进一步地，所述容积优化模型中，泵站进水量Qs的表达式为：

Q

其中，k表示流量系数，Q表示单个水泵额定的工作流量。

进一步地，有效的水泵数量P＝2时，容积优化模型的建立方式如下：

设定两个水泵分别1#水泵和2#水泵，假设两个水泵等间隔交替运行，得到1#水泵的启停间隔时间T

T

T

T

式中，T

联立上述表达式，以及Q

T＝T

式中，T表示水泵的启停间隔时间，Z

即为：

T＝2V/(k-k

当k＝0.5时，T有最小值，即水泵启停次数达到最大，则得到：

T＝8V/Q＝1/Z

即为：

V＝Qs/(4Z

进一步地，有效的水泵数量P＝3时，容积优化模型的建立方式如下：

设定三个水泵分别1#水泵、2#水泵和3#水泵，假设三台水泵等间隔交替运行，即一个循环期间内每个水泵启停2次，得到1#水泵的启停间隔时间T

T

T

T

T

T

T

T＝T

T

T

式中，T

联立上述表达式，以及Q

T＝6V/(5k-2k

式中，Z

当k＝1.25时，T有最小值，即水泵启停次数达到最大，则得到：

T＝16V/3Q＝1/Z

即为：

V＝3Qs/(20Z

一种一体化预制泵站的有效容积设计装置，包括处理器和储存器，其储存器上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如下步骤：

S1、获取泵站进水量、有效的水泵数量和水泵每小时最大允许启动次数；所述的一体化预制泵站中有效的水泵数量为1～3个；

S2、将泵站进水量、有效的水泵数量、水泵每小时最大允许启动次数输入容积优化模型，输出获取最优的有效容积；所述容积优化模型的表达式为：

其中，V

进一步地，所述有效的水泵数量为运行过程中实际参与泵站工作的数量，排除仅作为备用冗余的水泵数量。

进一步地，所述容积优化模型中，泵站进水量Qs的表达式为：

Q

其中，k表示流量系数，Q表示单个水泵额定的工作流量。

一种一体化预制泵站的有效容积设计系统，包括：

数据获取模块，用于获取泵站进水量、有效的水泵数量和水泵每小时最大允许启动次数并输出至数据处理模块；所述的一体化预制泵站中有效的水泵数量为1～3个；

数据处理模块，用于对数据获取模块传输的信息进行处理，通过容积优化模型输出最优的有效容积；所述容积优化模型的表达式为：

其中，V

进一步地，所述有效的水泵数量为运行过程中实际参与泵站工作的数量，排除仅作为备用冗余的水泵数量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明简单高效，能够通过有效的水泵数量P、泵站的进水量Qs以及每小时最大允许启动次数Z

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为P＝1时一体化预制泵站的结构示意图。

图3为P＝2时一体化预制泵站的结构示意图。

图4为P＝3时一体化预制泵站的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种一体化预制泵站的有效容积设计方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取泵站进水量、有效的水泵数量和水泵每小时最大允许启动次数；所述的一体化预制泵站中有效的水泵数量为1～3个；其中有效的水泵数量为运行过程中实际参与泵站工作的数量，排除仅作为备用冗余的水泵数量，也就是说如果泵站具有3个水泵，只有一个参与日常工作，则视为只具有1个有效的水泵。

步骤S2、将泵站进水量、有效的水泵数量、水泵每小时最大允许启动次数输入容积优化模型，输出获取最优的有效容积；所述容积优化模型的表达式为：

其中，V

为了得到上述容积优化模型，本实施例中分别对不同有效数量水泵的泵站进行推演，设定如下基本条件：(1)一体化预制泵站进水流量Qs保持24小时不间断且稳定不变；(2)水泵启停及运行处于理想状态。达到停泵液位时，瞬间不再输出水量，达到启泵液位时，瞬间启动并达到设计点流量运行。(3)布置多台水泵时，水泵性能完全相同。

一、P＝1的一体化预制泵

如图2所示，配置两台水泵，其中仅仅一台水泵参与工作，另一台仅作备用。

水泵的控制方式为交替循环启动，设定泵站液位控制点A、B：

A点为水泵停泵控制点(泵站最低液位点)，

B点为水泵启泵控制点(泵站最高液位点)。

则泵站有效容积V即液位控制点A、B之间的容积：

V＝Qs/(2Z

式中，V为一体化预制泵站的最小有效容积(m

式(1-1)推导如下：

为方便公式推导描述，设定水泵编号1#、2#。假设1#循环运行，2#始终处于备用状态，控制运行过程如下：

1、泵站进口一直保持进水，进水流量设为Q

T

Q

式中，Q

2、液位至B点后，1#水泵启动运行，一直到液位降至A点，1#水泵停泵，期间用时T

T

式中，T

3、A点处泵停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

4、液位至B点后，1#水泵再次启动运行，直到液位降至A点，1#水泵停泵，期间用时T

1#水泵启停间隔时间T

T

两次相邻启停水泵的启停间隔时间T一致：

T＝T

式中，T为水泵的启停间隔时间T(h)。

结合上述(1-2)～(1-6)，得到：

T＝T

整理(1-7)得到T关于变量k的函数关系

T＝V/(k-k

当k＝0.5时，式(1-8)中，T有最小值，即水泵启停次数达到最大，则：

T＝4V/Q＝1/Z

整理得到最优设计点：

V＝Q/(4Z

即得到公式(1-1)

V＝Qs/(2Z

二、P＝2的一体化预制泵

如图3所示，两台水泵轮流开启运行，两台水泵交替循环工作。

水泵的控制方式为交替循环启动，设定泵站液位控制点A、B：

A点为水泵停泵控制点(泵站最低液位点)，B点为水泵启泵控制点(泵站最高液位点)。

则泵站有效容积V即液位控制点A、B之间的容积：

V＝Qs/(4Z

式中，V表示一体化预制泵站的最小有效容积(m

式(2-1)的推导如下：

为方便公式推导描述，设定水泵编号1#、2#。

1、泵站进口一直保持进水，进水流量设为Q

T

Q

式中，Q

2、液位至B点后，1#水泵启动运行，一直到液位降至A点，1#水泵停泵，期间用时T

T

式中，T

3、A点处泵停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

4、液位至B点后，2#水泵启动，至液位降至A点，2#水泵停泵，用时T

5、因泵停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

6、液位至B点后，1#水泵启动。自此可以看出，水泵工作方式形成循环。

1#水泵启停间隔时间T

T

2#水泵启停间隔时间T

T

根据式(2-5)和(2-6)可知两台水泵的启停间隔时间T一致：

T＝T

式中，T为水泵的启停间隔时间T(h)。

结合上述(2-2)～(2-6)，得到：

T＝T

整理(1-8)得到T关于变量k的函数关系：

T＝2V/(k-k

当k＝0.5时，式(2-9)中，T有最小值，即水泵启停次数达到最大，则：

T＝8V/Q＝1/Z

整理得到最优设计点：

V＝Q/(8Z

即得到公式(2-1)

V＝Qs/(4Z

三、P＝3的一体化预制泵

如图4所示，三台水泵交替循环工作，具体工作方式见下列过程描述。

水泵的启动控制方式为交替循环启动，设定泵站液位控制点A、B、C：A点为水泵停泵控制点(泵站最低液位点)，B点为水泵启泵控制点(启动一台泵时液位点)，C点为水泵启泵控制点(启动第二台泵时液位点，泵站最高液位点)。

则泵站有效容积V即液位控制点A、C之间的有效容积：

V＝3Qs/(20Z

式中，V表示一体化预制泵站的有效容积(m

式(3-1)的推导如下：

为方便公式推导描述，设定水泵编号1#、2#、3#。

1、泵站进口一直保持进水，进水流量设为Q

T

Q

式中，T

2、液位至B点后，1#水泵启动，液位从B点继续上升至C点，用时T

T

式中，T

3、液位至C点后，1#泵继续运行、2#水泵同时启动，液位从C点降升至A点，用时T

T

式中，T

4、A点处1#和2#停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

5、液位至B点后，3#水泵启动，液位从B点继续上升至C点，用时T

6、液位至C点后3#泵继续运行、1#水泵同时启动，液位从C点降升至A点，用时T

7、A点处3#、1#泵停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

8、液位至B点后，2#水泵启动，液位从B点继续上升至C点，用时T

9、液位至C点后，2#泵继续运行、3#水泵同时启动，液位从C点降升至A点，用时T

10、A点处3#、2#泵停止工作，液位从A点继续上升至B点，期间用时T

11、液位至B点后，1#水泵启动，液位从B点继续上升至C点，用时T

自此可以看出，水泵工作方式形成循环。一个循环期间，每台水泵启停2次。按照上述水泵运行方式，可以得到水泵2个启停间隔时间：

1#水泵启停间隔时间T

T

T

2#水泵启停间隔时间T

T

T

3#水泵启停间隔时间T

T

T

由(3-4)～(3-9)可以得出，一个循环期间，3台水泵的启停间隔时间都是一样的，为了使所用水泵启停时间一致，令

T＝T

式中，T为水泵的启停间隔时间T(h)。

根据将(3-5)、(3-6)代入(3-11)，得出：

T

T＝3T

将(3-2)～(3-4)带入(3-12)并化简：

V

将(3-3)和(3-13)带入(3-14)并化简，得到T关于变量k的函数关系：

T＝6V/(5k-2k

当k＝1.25时，式(3-15)中，T有最小值，即水泵启停次数达到最大，则：

T＝16V/3Q＝1/Z

整理得到最优设计点：

V＝3Q/(16Z

即得到公式(3-1)

V＝3Qs/(20Z

综上可知，根据上述(1-1)、(2-1)、(3-1)的比较，可以明显发现，当泵站进水量Qs是一个常数，在配套水泵性能一致时，可以很容易计算对于布置时的有效容积，计算简单。随着电机技术的发展，水泵每小时最大允许启动次数Z

传统泵站有效容积的经验计算方式仅仅适用一台水泵工作的工况，且计算精度低下。按照本发明设计方法进行相应的设计时，可以使得一体化预制泵站的有效容积预留更加精确合理，从而减小设计预留的有效容积，由此可以极大缩小一体化预制泵站的外形尺寸，减少了井筒的制作成本，节约了土建成本，方便运输和安装。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。