錦屏一級(jí)水電站大坪3#營(yíng)地供水工程設(shè)計(jì)

【文章摘要】

錦屏一級(jí)水電站大坪3#營(yíng)地是錦屏一、二級(jí)水電站施工承包商的主要駐地，3#營(yíng)地的供水為駐地工作人員提供了清潔安全的供水保障，本文從3#營(yíng)地供水工程的總體設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制設(shè)計(jì)闡述了該工程的整體設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】

錦屏一級(jí)；大坪3#營(yíng)地；供水工程；設(shè)計(jì)

1 工程概況

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境地內(nèi)的雅礱江干流上，是雅礱江干流下游河段的控制性水庫(kù)梯級(jí)電站。錦屏一級(jí)水電站由攔水、泄洪及消能、引水發(fā)電等建筑組成，水庫(kù)總庫(kù)容為77.6億m3，電站總裝機(jī)為6×600MW。3#營(yíng)地位于大壩下游右岸落水洞溝溝口，含二坪、三坪。3#營(yíng)地是電站主要承包商生活營(yíng)地，規(guī)劃進(jìn)駐人數(shù)為13000人。本供水工程主要供應(yīng)3#營(yíng)地生活、辦公、公用設(shè)施用水等。水廠日供水量為8400m3/d，時(shí)供水量為350 m3/h，時(shí)變化系數(shù)取1.4。廠自用水量按供水規(guī)模的10%計(jì)，取水規(guī)模按386 m3/h設(shè)計(jì)，凈水廠規(guī)模按386m3/h設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1水源地

本供水工程采用兩個(gè)水源地：落水洞溝水和棉紗溝蓄水池提取雅礱江水。

落水洞位于三坪落水洞溝口上游2.0km小電站附近，該水源為溝水，由三股泉水匯合而成，溝水水質(zhì)清澈透明，經(jīng)對(duì)該水質(zhì)化驗(yàn)分析后，該水源水符合生活用水水源標(biāo)準(zhǔn)，為理想的取水點(diǎn)。落水洞取水口上游1000m至凈水廠段水源應(yīng)為防護(hù)地帶，在該防護(hù)區(qū)嚴(yán)禁排放超標(biāo)污水，有毒物質(zhì)。嚴(yán)禁人畜活動(dòng)污染水源，并在適當(dāng)?shù)囟卧O(shè)置明顯的標(biāo)志派牌。汛期應(yīng)組織專業(yè)人員檢查取水口構(gòu)筑物的完好，防止洪水危害和污染。另外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察以及測(cè)算，該溝水平時(shí)水量大約在200m3/h左右；但根據(jù)當(dāng)?shù)卮迕窳私獾剑?～4月枯水季節(jié)，水量會(huì)大大減少，絕大部分水量沿整個(gè)山溝滲漏掉，有時(shí)還在大坪位置會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。因此，僅一處水源不能滿足流量要求，還應(yīng)選取其他水源作為補(bǔ)充水源。

棉沙溝蓄水池位于壩區(qū)供水系統(tǒng)的棉沙溝1790高程蓄水池，采用逐級(jí)提取雅礱江江水的方案。對(duì)雅礱江水質(zhì)跟蹤檢測(cè)以及送檢結(jié)果，雅礱江水水質(zhì)中鐵、錳嚴(yán)重超標(biāo)，不符合用作生活飲用水水源，因此在棉紗溝蓄水池旁增加了除鐵、除錳一體化處理設(shè)施。

2.2水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)最新的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求，出水廠濁度不超過(guò)1度。因此為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的生活水平需要，引進(jìn)有資質(zhì)的單位、有經(jīng)驗(yàn)及上崗資格證的專業(yè)人員進(jìn)行運(yùn)行管理。為穩(wěn)定沉淀水出水水質(zhì)、節(jié)約藥耗、改善操作條件，本設(shè)計(jì)采用自動(dòng)投藥裝置。即根據(jù)源水水量和濁度變化以及沉淀出水濁度自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量，使水質(zhì)滿足最新水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)自控設(shè)計(jì)部分。

2.3水壓標(biāo)準(zhǔn)

出水水壓必須滿足營(yíng)地生活用水及施工用水30m水頭的要求；3#營(yíng)地高程在2057.94m，凈水廠清水池高程為2106.5m，落差為48.56m，出廠水水壓能夠滿足水壓要求。

2.4廠址位置

本供水工程凈水廠廠址選在高程為2110m三面環(huán)山的空地內(nèi)。此處地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，滿足水廠平面布置的要求。該處地質(zhì)條件好。具有較大的地基承載能力。

2.5工藝流程

依據(jù)流程簡(jiǎn)潔、適應(yīng)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、安全可靠等原則，本供水工程工藝流程如圖一所示。

落水洞溝和棉紗溝1#蓄水池供水，經(jīng)過(guò)混合池加藥，絮凝池、沉淀池、濾池，在清水池消毒，最終供給用戶。

2.6取水工程

如圖二所示：落水洞取輸水工程，位于三坪落水洞溝口上游2.0km小電站附近，據(jù)凈水廠位置較遠(yuǎn)，為了減少水流在沿途流失、滲漏以及蒸發(fā)等，本設(shè)計(jì)擬在源頭處建一處溢流壩，壩中設(shè)取水口，洪水期堰上泄洪。溢流壩采用M10漿砌塊石砌筑，壩底軸線長(zhǎng)5m，壩頂軸線長(zhǎng)15m，壩高4m，壩底寬3m，壩頂寬1m；壩底布置穿孔管，穿孔管上鋪碎石反濾層。溢流壩斷面采用梯形斷面。溢流壩高程為2180m，凈水廠高程為2110m，滿足重力輸水條件。經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)輸水管線擬采用兩根D219×7螺旋鋼管，自流至凈水廠，單根管道長(zhǎng)度為1.5km。由于管道沿線地形復(fù)雜，不易開(kāi)挖，因此管道敷設(shè)沿溝邊采用明鋪為主，受力大的地方，加混凝土鎮(zhèn)墩固定。管線在隆起段安裝自動(dòng)排氣閥，排除管中空氣；在管線最低處安裝泄水閥，滿足檢修時(shí)放空需要。

棉沙溝取輸水工程蓄水池為壩區(qū)供水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)水池，高程為1790m，據(jù)凈水廠約4.7km，工程凈水廠高程為2110m，因此需進(jìn)行加壓泵輸送至凈水廠。蓄水池高程為1790m，凈水廠高程為2110m配水井進(jìn)水管高程為2114m，凈揚(yáng)程為324m，DN300鋼制輸水管道4700m， 經(jīng)計(jì)算水頭損失約為60m，并考慮一定的安全富余量，確定水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)為386m。水泵選型如表一所示。

2.7泵房布置

取水泵房地點(diǎn)選取靠近1790蓄水池附近。泵房與配電間、值班室合建，框架結(jié)構(gòu)。泵房采用地面式結(jié)構(gòu)，地面部分高度滿足水泵機(jī)組檢修時(shí)的起吊要求。泵站內(nèi)安裝一臺(tái)CDI5- 6D型電動(dòng)葫蘆，供安裝檢修使用。

2.8輸水管道

經(jīng)計(jì)算，輸水管道采用一根D325×12無(wú)縫鋼管，管道長(zhǎng)度為4.7km，管道沿3#公路及營(yíng)地內(nèi)公路鋪設(shè)，以明鋪為主。受力大的地方，加混凝土鎮(zhèn)墩固定。為防止水錘、減少水頭損失，在水泵出水管后安裝一個(gè)微阻緩閉止回閥。

3 工藝設(shè)計(jì)

配水井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水。尺寸3.5×2.0×3.0m，配水井中間設(shè)堰板。機(jī)械混合池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：混合時(shí)間：T=2分鐘；混合池個(gè)數(shù)：N=2個(gè)；設(shè)計(jì)流量：386m3/h；混合池容積：W=385*2/（2/60）=6.43 m3；混合池平面尺寸：L*B=1.8*1.8m；混合池水深：H=6.43/（1.8*1.8）=1.98m， 取2m；混合池超高取0.5m；混合池安全高度取整為2.5m。混凝劑投加點(diǎn)設(shè)在混合池內(nèi)，源水和藥劑經(jīng)外力充分?jǐn)嚢瑁栽黾踊旌闲Ч垢鞣N懸浮物、膠體、溶解物等形成較大顆粒，增加沉淀效果。每座混合池上設(shè)置攪拌器，取G=500秒-1，T=1分鐘，其功率為1.5kw。

機(jī)械絮凝攪拌池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量：385m3/h；絮凝時(shí)間：T=16分鐘；絮凝池組數(shù)：兩組，每組反應(yīng)池分3個(gè)單池組成；每個(gè)單池設(shè)立式攪拌器，攪拌器功率：N=0.75kw；每組絮凝池尺寸：8.55*2.85*3.2m；兩組絮凝池尺寸間隔1.55m。由于絮凝池底部基本無(wú)沉淀，因此不設(shè)排泥裝置。

斜管沉淀池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水，共分兩組。平面尺寸為12.5*9.5m；主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量：385m3/h；設(shè)計(jì)表面負(fù)荷為：6m3/m2×h；斜管內(nèi)徑d=35mm，L=1000mm，θ=60°；單池尺寸4.4*8*5.2；斜管上層水深1.10m，集水系統(tǒng)采用不銹鋼穿孔集水槽，以保證出水均勻，集水槽出水匯集到總集水渠中。沉淀池的總集水渠與清水池通過(guò)管道連通，并設(shè)置閥門，以便于運(yùn)行和維護(hù)管理。每個(gè)沉淀池設(shè)置8個(gè)沉泥斗，斗底設(shè)池底閥排泥。

普通快濾池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水，一組共三個(gè)單池；單池尺寸：5.7×3.8×3.5，平面尺寸12.4×5.7m。主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量：385m3/h；設(shè)計(jì)濾速：6m/h；濾池沖洗強(qiáng)度：14升/秒×米2；

清水池容積按日供水量的20%計(jì)，考慮調(diào)節(jié)要求，采用2個(gè)1000m3的矩形水池。水池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，S6防水。每座清水池設(shè)置靜壓式液位計(jì)1臺(tái)，監(jiān)測(cè)清水池水位。設(shè)在線濁度儀及余氯測(cè)定儀各1臺(tái)。

加藥間共1座，磚混結(jié)構(gòu)，尺寸為8.06.04.5m。混凝劑選用堿式氯化鋁，其投加量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，最大投加量為20mg/L，投加濃度為8%。設(shè)置溶解池2個(gè)，單池尺寸為0.6×0.6×0.7m；溶液池2個(gè)，單池尺寸為1.2×1.2×1.7m，每個(gè)溶解池設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)。投加方式采用計(jì)量泵投加，藥劑投加點(diǎn)設(shè)在混合池上。藥庫(kù)儲(chǔ)藥量按30天計(jì)，平面尺寸7.5×8.0×4.5m，藥庫(kù)設(shè)電動(dòng)小車式電動(dòng)葫蘆1臺(tái)，起重量為1噸。

加氯間設(shè)1座，磚混結(jié)構(gòu)，尺寸為8.0×5.0×4.5m。內(nèi)設(shè)貯鹽槽、操作間、設(shè)備間等。

消毒采用2臺(tái)二氧化氯復(fù)合消毒發(fā)生器，投加點(diǎn)設(shè)在清水池進(jìn)水口。

本供水工程輔助構(gòu)筑物主要有辦公樓、食堂、修理間、倉(cāng)庫(kù)、門衛(wèi)等，均為磚混結(jié)構(gòu)，建筑面積總計(jì)570m2。

4 自控設(shè)計(jì)

4.1自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

如圖三所示，控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)凈水廠部分采用環(huán)形光纖工業(yè)以太網(wǎng)，通訊速率為10MB/100MB。主要特點(diǎn)如下：連接簡(jiǎn)單，具有高可用性，能適用嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境，并已有10多年成熟的使用經(jīng)驗(yàn)。環(huán)形光纖支持冗余配置，具有抗電磁及RF干擾、低衰減、防雷擊、速度快等優(yōu)點(diǎn)。此外光纖電纜的運(yùn)行是完全與電位差無(wú)關(guān)，無(wú)須對(duì)等電位接地連接。控制中心與遠(yuǎn)程取水泵站采用無(wú)線電臺(tái)的通訊方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與交換。

4.2控制系統(tǒng)功能

取水泵房，一為落水洞自流取水；另一為棉沙溝加壓取水。由于落水洞自流取水點(diǎn)受季節(jié)影響較大，為保證水廠的進(jìn)水量恒定，在棉紗溝取水點(diǎn)采用變頻技術(shù)控制水泵的取水流量，使落水洞自流取水量和棉紗溝加壓取水量形成反比例關(guān)系，保持水廠進(jìn)水量恒定。

絮凝沉淀池沉淀池控制排泥有兩種方法可供選擇：a.定時(shí)排泥：設(shè)定排泥時(shí)間（0～8小時(shí)可調(diào)），按周期排泥。b.按原水進(jìn)水量、原水濁度、單位藥耗、清水濁度等參數(shù)的變化，調(diào)節(jié)排泥周期。運(yùn)行過(guò)程中再不斷計(jì)算排泥水量，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則進(jìn)行排泥。排泥水量如公式（1）計(jì)算：

（1）

式中：

——排泥水量（m3）；

——斜管沉淀池進(jìn)水量（m3）；

YNTU——原水濁度（NTU）；

LNTU——清水濁度（NYU）；

1.31527——三氯化鐵重量換算系數(shù)；

FeCl3——單位三氯化鐵耗用（kg/km3）；

98%——排泥水含水率。

如圖四所示，當(dāng)排泥水量達(dá)到沉淀池設(shè)定排泥閥排泥時(shí)間（0～10分鐘可調(diào)）的流量（按水力條件計(jì)算或?qū)崪y(cè)）時(shí)，則進(jìn)行排泥。排泥歷時(shí)則根據(jù)設(shè)定的每次排泥水量、排泥系統(tǒng)的水力條件計(jì)算定值。排泥閥故障、超設(shè)定排泥時(shí)間、未關(guān)閉氣動(dòng)排泥蝶閥，則報(bào)警。

濾池工作狀況包括正常恒水位過(guò)濾和反沖洗控制兩種：

（1）濾池正常過(guò)濾的工作程序依據(jù)水池中水位的變化調(diào)節(jié)出水閥的開(kāi)啟度來(lái)實(shí)現(xiàn)等速的恒水位過(guò)濾。系統(tǒng)接受到水位計(jì)的水位信號(hào)，當(dāng)水位信號(hào)高于設(shè)定的恒水位時(shí)，開(kāi)大出水閥，調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟度；當(dāng)水位信號(hào)低于設(shè)下的恒水位時(shí)，關(guān)小出水閥，調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)啟度；當(dāng)水位信號(hào)等于恒水位時(shí)，保持出水閥開(kāi)啟度[4]。

如圖五所示，濾格水位的控制是一個(gè)典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制過(guò)程是：具有參數(shù)可調(diào)的PID方程根據(jù)設(shè)定值和過(guò)程變量輸入之間的誤差，經(jīng)運(yùn)算后把輸出信號(hào)傳送給輸出附加處理程序，再輸出給控制閥，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制。即實(shí)際水位比設(shè)定水位的值大得越多， 輸出的開(kāi)度就越大。開(kāi)度增大的數(shù)值是由一定累積時(shí)間內(nèi)水位上升的速度及實(shí)際水位和設(shè)定水位的差值共同決定的。反映為進(jìn)水流速越快，清水出水閥開(kāi)度越大，反之亦然。PID方程計(jì)算的目標(biāo)是把受控的過(guò)程變量保持在設(shè)定值，附加值可作為補(bǔ)償添加到輸出控制中。輸出附加處理程序是把PID方程的運(yùn)算輸出按一定的規(guī)律輸出給清水閥。

（2）濾池反沖洗控制的工作程序

當(dāng)系統(tǒng)接收到手動(dòng)強(qiáng)制沖洗信號(hào)，水頭損失信號(hào)，定時(shí)沖洗信號(hào)中的任一個(gè)指令時(shí)，按照先進(jìn)先出的原則排隊(duì)進(jìn)行。首先關(guān)閉進(jìn)水閥，濾池內(nèi)部的存留水經(jīng)出水閥繼續(xù)過(guò)濾排除，當(dāng)水位降至設(shè)定的反沖水位時(shí)，關(guān)閉出水閥并打開(kāi)排水閥，排水閥的信號(hào)到位后打開(kāi)反沖氣閥，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣沖，完成單氣沖需要時(shí)間1-3min，打開(kāi)反沖水閥，開(kāi)啟反沖水泵進(jìn)行氣水混合沖洗，時(shí)間為3min。然后關(guān)閉反沖氣閥停風(fēng)機(jī)進(jìn)行單水沖洗，需要的時(shí)間3-5min，完成后關(guān)閉反沖水閥停水泵，關(guān)閉排水閥、打開(kāi)放氣閥進(jìn)行排氣，開(kāi)啟進(jìn)水閥接受待濾水。當(dāng)水位升到過(guò)濾恒水位時(shí)，關(guān)閉放氣閥完成了反沖洗，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常的過(guò)濾程序。

凈水廠自控系統(tǒng)針對(duì)水廠占地面積較大、控制設(shè)備分散、空氣潮濕的客觀環(huán)境，采用“分散控制、集中管理”的設(shè)計(jì)原則，將整個(gè)水廠的自控系統(tǒng)分為：混合池、絮凝沉淀池、濾池等6個(gè)控制從站進(jìn)行分別自控，再通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與設(shè)立在反沖洗泵房處的PLC主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和互訪。整個(gè)凈水廠的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)使用主從式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，把整個(gè)水廠的控制系統(tǒng)分散開(kāi)，他們每個(gè)控制站都可以獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)控制功能，有可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)水廠的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

如圖六所示，加藥間設(shè)置投加絮凝劑設(shè)備1套。設(shè)置溶液池2個(gè)，每個(gè)溶液池設(shè)攪拌機(jī)1臺(tái)。設(shè)置加藥計(jì)量泵3臺(tái)，2用1備。根據(jù)原水流量、濁度做為前饋信號(hào)，比例調(diào)節(jié)投藥量，由沉淀池出水的濁度做為后反饋信號(hào)，對(duì)投藥量進(jìn)行微調(diào)，由PLC控制變頻器，改變計(jì)量泵轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)投藥量，從而構(gòu)成原水濁度與沉淀池出水濁度組成的前饋后饋閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)采用前饋控制按流量正比例投加；濁度、水溫按實(shí)測(cè)資料繪制成曲線，由計(jì)算機(jī)在運(yùn)行時(shí)對(duì)照，取值投加。對(duì)照設(shè)定的沉淀池出水濁度標(biāo)準(zhǔn)值（5～30NTU可調(diào)），來(lái)調(diào)整實(shí)際投加量。當(dāng)模擬沉淀水濁度超過(guò)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值±5NTU時(shí)，則應(yīng)報(bào)警。另外，加藥泵吸不到溶液或加藥管道堵塞，加藥泵上的阻尼器壓力下降或超限，也需報(bào)警。

消毒間設(shè)置消毒殺菌設(shè)備1套。設(shè)置二氧化氯發(fā)生器3臺(tái)，根據(jù)進(jìn)水流量和清水池余氯，自動(dòng)控制加氯量。消毒間主要由供藥計(jì)量系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、混合吸收系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)及安全防護(hù)系統(tǒng)組成。采用國(guó)際上最先進(jìn)的亞氯酸鈉與鹽酸生產(chǎn)工藝。先進(jìn)獨(dú)特的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使設(shè)備可根據(jù)水量或處理后清水池水的二氧化氯殘余量的變化自動(dòng)定比調(diào)節(jié)發(fā)生量，也可根據(jù)流量和二氧化氯殘余量組成復(fù)合環(huán)控制，從而保持水中恒定的二氧化氯濃度。

4.3應(yīng)用圖例

如圖七所示，表達(dá)了錦屏一級(jí)水電站大坪3#營(yíng)地供水工程控制系統(tǒng)整體應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

錦屏一級(jí)水電站大坪3#營(yíng)地供水工程為錦屏水電站施工高峰期3#營(yíng)地主要承包商近13000人提供了清潔安全的生活用水，有效保障了錦屏水電站的建設(shè)全過(guò)程。

【參考文獻(xiàn)】

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