恒壓變頻控制系統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整，采用變頻控制系統，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，可自動調整進入低功耗運行狀態，避免能量損失，對項目成本節約具有重要意義。

關鍵詞 變頻控制系統;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110°01′，北緯23°28′，是紅水河梯級規劃中最末一個梯級。該水利樞紐工程是一座以防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用的流域關鍵性工程?？値烊?4.79×108m?，總裝機容量1600MW，工程規模為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恒壓變頻控制系統常用于化工行業生產及城市自來水供水系統，在水利水電工程尚未有應用實例。②水利水電施工現場用水點較多、布置復雜且不確定性較大，利用PLC控制系統實現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集中供水系統，包括取水泵站、水處理廠、主供水管網。

（2）供水系統布置。①左岸上游取水點：廠壩施工區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，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，使水質達到施工的要求。水處理廠占地面積約750m2。廠內設沉淀池、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構。c.供水管網：從取水泵站鋪設供水主管（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，使水質達到施工的要求。水處理廠占地面積約2980m2。廠內設沉淀池、清水池、加藥間、凈水設備及值班室。沉淀池、清水池均采用鋼筋混凝土結構。c.供水管網：從取水泵站鋪設供水主管（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構拼裝廠和混凝土生產系統，另一路通過凈水一體化設備為生活營地供水。

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、生活用水主要采用黔江取水和井水水源相結合的方式。

（2）供水系統布置。①施工生產用水。施工生產用水均取自黔江，采用岸邊取水方式，從二期上游圍堰外側取水。供水系統主要由取水泵站、水處理廠、供水管網組成。a.取水泵站：取水泵站布置在二期上游圍堰外側，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構。c.供水管網：從取水泵站鋪設供水主管（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鉆井取水，流量約為30m3/h。

3恒壓變頻控制系統在水利水電供水工程中的應用

3.1 供水方式調整的基礎條件

（1）已完工程實踐經驗。根據大藤峽左岸廠壩工程施工經驗，修建取水泵站、水處理廠（高位水池）等傳統取水工藝，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）現場施工環境條件。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電，庫區最低水位為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水箱，且庫區水質較好，完全可以在不經沉淀的工況下滿足施工用水要求。

3.2 供水方式調整的具體措施

基于上述情況，為節約施工供水費用，項目部引進恒壓變頻控制系統，對供水系統進行優化，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鋼結構水箱，水箱通過鋼管穿縱向混凝土圍堰與庫區連通，并安裝控制閘閥（主要用于緊急啟、閉，處于常開狀態）。水箱結構采用封閉式，為進一步保證安全，可在水箱側壁安裝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，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。結合現場不同時段、不同部位施工用水量不同，并考慮設備經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自動控制系統與恒壓變頻控制柜連接，當用水端開啟閘閥，發出用水信號時，恒壓變頻控制系統即自動選擇流量合適的水泵啟動，并隨著流量變化自動調整，最終實現整套供水系統的自動控制，避免“大馬拉小車”現象，實現整體功耗的大幅度降低。供水系統調整后，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備及一座高位水池。

3.4 供水方式調整后經濟比較

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

采用恒壓變頻控制系統介入供水系統布置后，首先，取消了一套取水設備及取水泵站，直接利用庫區水源天然壓力即可取水;其次，將1000m3鋼筋混凝土結構的高位水池調整為10m3鋼結構水箱;另外，節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，通過變頻設備控制，可以根據用水流量來減小或提高水泵運行功率，避免功率浪費。

根據市場調研，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設備、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整體前期投入，僅相當于傳統供水工藝中一個環節的投入。因此，采用恒壓變頻控制供水系統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約的目的。

4結束語

在水利水電施工過程中，通過引進恒壓變頻控制系統來實現工程施工用水的科學管理，不僅在供水系統設計布置階段可以節省成本，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研制與應用[D].杭州：浙江工業大學，2012.

[2] 蔣守輝.基于PLC的恒壓供水控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2018（4）：129.