恒壓變頻控制系統(tǒng)在水利水電供水工程中的應用研究

任斌輝

摘 要 大藤峽水利樞紐工程包含左岸廠壩工程、右岸前期準備工程、右岸廠壩工程、船閘工程等。我司在其中承擔了左、右岸廠壩工程的施工。根據(jù)我司在大藤峽工地實施分析，大藤峽左岸廠壩工程高峰用水量為840m3/h，右岸廠壩工程高峰用水量為630m3/h，主要采用沿河（江）邊布置取水泵站，通過加壓泵將抽取的河（江）水輸送至高位水池，沉淀、過濾后，通過供水管路輸送至各用水部位，壓力不足者采用管道泵加壓，但此種工藝能耗較大。通過對供水方式進行調(diào)整，采用變頻控制系統(tǒng)，一方面可以避免制作大容量水箱或蓄水池，另一方面當用水量變小時，可自動調(diào)整進入低功耗運行狀態(tài)，避免能量損失，對項目成本節(jié)約具有重要意義。

關(guān)鍵詞 變頻控制系統(tǒng);供水工程;施工用水變頻流量;低功耗

1項目概況

（1）項目背景。大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，壩址在廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6km處，地理坐標為東經(jīng)110°01′，北緯23°28′，是紅水河梯級規(guī)劃中最末一個梯級。該水利樞紐工程是一座以防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的流域關(guān)鍵性工程?？値烊?4.79×108m?，總裝機容量1600MW，工程規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程。我公司在大藤峽水利樞紐工程承建了大藤峽左岸廠壩工程、大藤峽右岸廠壩工程等，施工用水一直是項目履約期間的重點問題，也是費用支出占比較大的部分。

（2）項目難點。①恒壓變頻控制系統(tǒng)常用于化工行業(yè)生產(chǎn)及城市自來水供水系統(tǒng)，在水利水電工程尚未有應用實例。②水利水電施工現(xiàn)場用水點較多、布置復雜且不確定性較大，利用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)供水整體自動控制存在較大的難度。

2施工用水布置情況

2.1 左岸廠壩工程

大藤峽左岸廠壩工程目前已施工完成，施工期間主要供水布置形式如下：

（1）供水方式。供水方式采用在左岸上下游設(shè)集中供水系統(tǒng)，包括取水泵站、水處理廠、主供水管網(wǎng)。

（2）供水系統(tǒng)布置。①左岸上游取水點：廠壩施工區(qū)施工用水水源選擇黔江河水。a.取水泵站：取水泵站布置在左岸上游圍堰上游側(cè)，纜車取水泵站平面尺寸為7m×8m，安裝3臺8SA-7型單級雙吸中開離心泵，2用1備。b.水處理廠：在纜車式取水泵站上方（80m高程）布置水處理廠，水處理廠對河水進行沉淀加藥處理，使水質(zhì)達到施工的要求。水處理廠占地面積約750m2。廠內(nèi)設(shè)沉淀池、清水池、加藥間及值班室。沉淀池、清水池均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。c.供水管網(wǎng)：從取水泵站鋪設(shè)供水主管（DN400mm）至水處理廠。從水處理廠引通過供水主管（DN300mm）引到上游圍堰，從上游圍堰處分兩路，一路供水管（DN200mm）到左岸壩前位置，另一路供水管經(jīng)上游圍堰（DN300mm），縱向圍堰（DN300mm），下游圍堰（DN200mm）到左岸壩后和輔助車間（DN100mm）。②左岸下游取水點：廠壩施工區(qū)施工用水水源選擇黔江河水。a.取水泵站：取水泵站布置在左岸下游生活營地靠岸邊，浮船取水泵站平面尺寸為5m×6m，安裝3臺IS125-400-100型單級離心泵，2用1備。b.水處理廠：在生活營地布置水處理廠，水處理廠對河水進行沉淀加藥處理，使水質(zhì)達到施工的要求。水處理廠占地面積約2980m2。廠內(nèi)設(shè)沉淀池、清水池、加藥間、凈水設(shè)備及值班室。沉淀池、清水池均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。c.供水管網(wǎng)：從取水泵站鋪設(shè)供水主管（DN200mm）至水處理廠。從水處理廠引兩路供水管道，一路供水管道（DN200mm）沿左岸上壩公路通過管道泵加壓的方式引到金屬結(jié)構(gòu)拼裝廠和混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，另一路通過凈水一體化設(shè)備為生活營地供水。

2.2 右岸廠壩工程

右岸廠壩工程目前正在施工，初始階段供水布置形式如下：

（1）供水方式。整個施工生產(chǎn)、生活用水主要采用黔江取水和井水水源相結(jié)合的方式。

（2）供水系統(tǒng)布置。①施工生產(chǎn)用水。施工生產(chǎn)用水均取自黔江，采用岸邊取水方式，從二期上游圍堰外側(cè)取水。供水系統(tǒng)主要由取水泵站、水處理廠、供水管網(wǎng)組成。a.取水泵站：取水泵站布置在二期上游圍堰外側(cè)，浮船取水泵站平面尺寸為7.1m×8.1m，安裝3臺250S95B型單級雙吸中開離心泵，2用1備，取水能力約為900m3/h。b.高位水池：在觀景平臺上部布置高位水池，高位水池通過對河水進行沉淀加藥處理，使水質(zhì)達到施工的要求。水處理廠占地面積約500㎡。整個水池分為進水池、沉淀池、清水池、加藥間及值班室。進水池、沉淀池、清水池、均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。c.供水管網(wǎng)：從取水泵站鋪設(shè)供水主管（DN400mm）至高位水池。從高位水池引通過供水主管（DN400mm）引到各施工部位。②生活用水。生活用水在營地范圍內(nèi)鉆井取水，流量約為30m3/h。

3恒壓變頻控制系統(tǒng)在水利水電供水工程中的應用

3.1 供水方式調(diào)整的基礎(chǔ)條件

（1）已完工程實踐經(jīng)驗。根據(jù)大藤峽左岸廠壩工程施工經(jīng)驗，修建取水泵站、水處理廠（高位水池）等傳統(tǒng)取水工藝，不僅在進水、出水過程中均需要配置足夠流量的水泵抽取、加壓，而且水泵啟、停均需人工操作，一旦啟動，均為滿負荷運行，當用水流量較小時，極易發(fā)生嚴重的非必要功耗[1]。

同時，高位水池出水時，其最大壓力不超過0.5Mpa，經(jīng)沿程損失后，出水口壓力在0.2～0.3Mpa之間，遠遠不能滿足施工用水需求，必須在供水管道上另行布置加壓泵方能滿足用水要求。

（2）現(xiàn)場施工環(huán)境條件。大藤峽右岸廠壩工程施工時，左岸廠壩工程已基本施工完成并開始蓄水發(fā)電，庫區(qū)最低水位為EL47.6，正常水位為EL52.0（基坑大面高程為EL22.0），通過在基坑圍堰上預留孔洞，可直接自然壓水進入右岸基坑內(nèi)水箱，且?guī)靺^(qū)水質(zhì)較好，完全可以在不經(jīng)沉淀的工況下滿足施工用水要求。

3.2 供水方式調(diào)整的具體措施

基于上述情況，為節(jié)約施工供水費用，項目部引進恒壓變頻控制系統(tǒng)，對供水系統(tǒng)進行優(yōu)化，主要供水布置形式如下：

在右岸基坑靠近縱向圍堰處EL45.6平臺布置一個10m3鋼結(jié)構(gòu)水箱，水箱通過鋼管穿縱向混凝土圍堰與庫區(qū)連通，并安裝控制閘閥（主要用于緊急啟、閉，處于常開狀態(tài)）。水箱結(jié)構(gòu)采用封閉式，為進一步保證安全，可在水箱側(cè)壁安裝DN50鋼管延伸至EL52.0以上，與江面形成連通器。同時，為保證進水水質(zhì)，在水箱進水口前增加一個機械過濾器。供水水箱布置完成后，在水箱出口處布置水泵及恒壓變頻控制系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)場不同時段、不同部位施工用水量不同，并考慮設(shè)備經(jīng)變頻后功耗降低范圍，在水箱出口處布置3臺120m3/h的離心泵、3臺200m3/h的離心泵，揚程均為93m。

3.3 供水方式調(diào)整后實施效果

水泵布置完成后，布置相應的恒壓變頻控制柜。通過控制柜實現(xiàn)用水流量從50～630m3/h之間變化時水泵的自動啟、閉及功耗降低、提高，水箱進水利用連通器原理隨著出水口消耗同步補充。每個用水部位出水口通過PLC自動控制系統(tǒng)與恒壓變頻控制柜連接，當用水端開啟閘閥，發(fā)出用水信號時，恒壓變頻控制系統(tǒng)即自動選擇流量合適的水泵啟動，并隨著流量變化自動調(diào)整，最終實現(xiàn)整套供水系統(tǒng)的自動控制，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象，實現(xiàn)整體功耗的大幅度降低。供水系統(tǒng)調(diào)整后，總體管路方面減少了由取水泵站至高位水池，由高位水池至基坑部分，同時取消了整套取水設(shè)備及一座高位水池。

3.4 供水方式調(diào)整后經(jīng)濟比較

以大藤峽右岸廠壩工程施工供水為例，利用傳統(tǒng)工藝布置方案，需要在二期上游圍堰外側(cè)堰腳布置取水泵站，并配備1套取水設(shè)備，取水完成后加壓輸送至EL95.0高位水池，水池容量1000m3，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括沉淀池、清水池。高位水池內(nèi)處理完成后，利用供水管道輸送至各用水部位，并根據(jù)流量、壓力需要增加管道加壓泵。高位水池內(nèi)用水根據(jù)消耗情況人工啟、閉取水泵站進行補充。

采用恒壓變頻控制系統(tǒng)介入供水系統(tǒng)布置后，首先，取消了一套取水設(shè)備及取水泵站，直接利用庫區(qū)水源天然壓力即可取水;其次，將1000m3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高位水池調(diào)整為10m3鋼結(jié)構(gòu)水箱;另外，節(jié)約了從取水點至高位水池、從高位水池至基坑的管路布置;此外，通過變頻設(shè)備控制，可以根據(jù)用水流量來減小或提高水泵運行功率，避免功率浪費。

根據(jù)市場調(diào)研，按照大藤峽右岸廠壩工程施工用水量需求，布置一套恒壓變頻控制供水系統(tǒng)設(shè)備、材料費用約35.0萬元，一座1000m3鋼筋混凝土高位水池費用為32萬元，基本持平，即恒壓變頻控制供水系統(tǒng)整體前期投入，僅相當于傳統(tǒng)供水工藝中一個環(huán)節(jié)的投入。因此，采用恒壓變頻控制供水系統(tǒng)用于大藤峽右岸廠壩工程施工供水，可以起到較大的成本節(jié)約的目的。

4結(jié)束語

在水利水電施工過程中，通過引進恒壓變頻控制系統(tǒng)來實現(xiàn)工程施工用水的科學管理，不僅在供水系統(tǒng)設(shè)計布置階段可以節(jié)省成本，而且在運行階段可以極大限度的避免不必要的功耗浪費，在水利水電行業(yè)具有較大的推廣前景和實際應用意義。

參考文獻

[1] 黃輝.高效變頻恒壓供水系統(tǒng)研制與應用[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2012.

[2] 蔣守輝.基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（4）：129.