浅谈水利工程节能设计思路

王 莉

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安710001)

能源是国民经济发展的重要物质基础，节约能源、促进能源的合理和有效利用，对我国经济发展和环境保护具有深远的战略意义，推进水利工程节能工作是水利事业实现可持续发展方式的一项重要任务。节能设计是水利工程设计中一个全新的课题，根据国家现行有关节能方面的政策、法规和规范，结合陕西延安黄河引水工程特点，从工程规划与总体布置、主要建筑物、机电设备及施工等方面进行分项节能设计，选取工程节能技术措施，根据节能设计成果，对工程运行期和施工期进行能耗分析，确定工程项目消耗的能源总量。

1 工程概况

延安黄河引水工程是以黄河和清涧河为水源，经多级加压，双库调节，向延安市城区和延长、延川、子长、清涧4县城及延川县永坪镇生活和工业园区供水的长距离引水工程。工程引水线路穿越延安市宝塔区、延川县、延长县、子长县境内。主要工程建设内容包括取水枢纽、沙预处理站、提水泵站、输水管(洞)线、水库及净水厂。工程设计水平年为2020年，总取水量为8 977万 m3，工程设计最高日取水量为36.23万 m3/d，最高日净供水量为24.85万 m3/d。

2 节能设计

2.1 工程规划与总布置节能设计

根据延安黄河引水工程取水规模，考虑到受水区地下水资源总量小、水质差、开采难度大，地表水水源(除黄河水外)不满足需水要求，从清涧河取一定水量可以减少黄河引水量，且抽水总扬程要比从黄河抽水总扬程少258 m，供水成本低，因此工程采用黄河和清涧河2处水源联合供水，并以南河水库、康家沟事故应急水库作为调蓄水源，既保证了供水水量和供水保证率，同时也实现水资源的合理配置。

工程输水线路布置考虑黄河来水水质、泥沙处理方式、水库的调节、泵站的运行方式以及高速公路的建设等因素进行优化调整:一是优化管线，避免与高速公路交叉的影响;二是通过优化芦草梁隧洞的布置，降低了工程年运行费用。线路经调整后避免了与高速公路的干扰，减少了泵站座数，降低了抽水扬程，精简了水厂布置，协调了泵站间流量匹配，机组搭配更加灵活，运行方式更加合理。

2.2 主要建筑物节能设计

2.2.1 取水枢纽

延水关设计对岸边闸式、斗槽式两种取水方案进行了布置比较。对主流靠岸、河道泥沙含量大、冬季冰冻情况严重的黄河河道，选用了闸门控制、双向进流的斗槽式取水口。该取水口不仅防沙导冰灵活运行，而且能够稳流，保证水泵前吸水池内水流形态平稳，斗槽开挖施工导流简单。延水关泥沙处理采用HPS池处理系统，处理效果更好，运行条件更优，投资更省。取消高家湾水厂，减少了水厂部分投资和运行费用，优化了南河水库的运行方式，大大降低运行费用。当地石料丰富，价格较低，坝址处河床宽度小，河床基岩裸露，取水枢纽坝型为浆砌石坝。

2.2.2 泵站

结合线路总体布置、地质地形条件，泵站工程根据引水线路优化调整后，累计净扬程降低了34.46 m。总扬程降低了34.15 m，年运行电费节省165.78万元。高家湾4级站采用了压力进水的方式，充分利用杨家山隧洞出口富余的水头。泵站主副厂房均采用地面式布置，厂房基坑开挖坡面采用砼挂网喷护坡面，减少基础开挖量。

2.2.3 水厂及延水关泥沙预处理站

黄河水为典型的高浊度水，处理工艺复杂，泥沙预处理设计采用HPS澄清池方案，占地面积减小，投药量减小，施工方便，池体高度下降;水厂设计采用均质滤料滤池，过滤周期长，且采用气水反冲，降低水冲洗强度，节约冲洗水量;水厂中设置了沉淀池排泥水和滤池反冲洗水的回收构筑物，对沉淀池排泥水浓缩处理后上清液和滤池反冲洗水进行回收，最大限度地节约水资源，达到节能减排的目的。

2.2.4 隧洞

姚家山隧洞线路以最短距离连接水库充水管，给南河水库充水;石家河段压力管线输水为新舍古明流洞输水方案，隧洞高程降低;芦草梁隧洞优化调整为自流短洞明流方案，降低洞内水位，节省年运行电费。

2.2.5 输水管线

根据工程分段比较，选定的管材有预应力钢筒砼管、钢管等。管径选择根据泵站、管道投资以及年运行费用等多种因素综合确定。对选定的钢管进行防腐设计，延长钢管寿命。根据工程所在地区极低气温情况，对于输水线路沿线管桥等出露管道及隧洞进出口段管道进行防冻保护，以防止管道在静水状态下的管内冻结。管线设置复合式排气阀、排泥泄水阀及检修阀，三类阀井结合布置，减少阀井个数。各类阀多选用手动，减少电能消耗。

2.3 机电设备节能设计

2.3.1 水泵

在满足输水流量、扬程等设计参数等前提下选用高效水泵。通过机电设备组合方案比较选择最优台数，减少水泵的备用率、增加水泵运行管理的灵活性，从而提高水泵利用效率，起到降耗、节电的效果。泵站进水池、水泵基坑层均采用半挖半填，抬高水泵启动水位，减少水泵启动环节的电能消耗。为减少多级扬水泵站级间流量搭配不合理造成弃水造成能量损失，设计采用了变频调速装置技术。通过有效调节电机转速，达到调节流量和提高水泵效率的目的。电动机机组选用高效节能YX系列电动机，损耗比Y系列普通电机降低20%，可节电20%以上。

2.3.2 电气工程

主变选用S11系列新型有载调压变压器，同时选择运行在高效范围的变压器容量。架空进线采用新型绝缘铜管母线，变频装置核心元器件采用IGBT。泵站变电所的位置尽量靠近负荷中心以减少电能损耗，供电线路沿尽可能短的路径进行敷设。

2.4 施工节能设计

2.4.1 施工总布置

1)施工临建设施按厂站、隧洞、水库划分施工区，既便于生产管理，又减少运距和能耗。临时用房安排在附近村镇以租代建，减少了临时占地。

2)整个工程布置基本靠近现有主干道路，对外交通与各单项工程场内交通衔接方便，运输距离较短。临时道路施工完毕后恢复原地貌，减少施工对生态环境的影响。

3)工程所需土料主要集中在输水管线，管沟开挖料作为管基铺垫和管沟回填土料，不仅减少了弃渣，达到对开挖料的循环利用，也节约了外借土料造成的能源消耗。石料和混凝土骨料料场在工程区附近分布较广，且大多为正在开采料场，本工程采用外购方式获得，不存在砂石加工系统建设和运转能耗。

4)混凝土拌和系统布置距离施工点较近，在保证砼质量的同时降低了运输能耗。砼系统除延水关1级站集中布设1座混凝土拌合楼外，其余泵站及管线、隧洞均采用移动式砼拌和机。

5)整体工程用风较为分散，在距工作面较近位置设置供风系统，以减少因供风距离太长而造成的的损失。1级泵站及各隧洞进出口采用集中供风，其余各施工工区采用移动式空压机供风。

6)施工用电主要采用电网供电，为减少线路架设工程量，减少线路损耗，输电线路采取永临结合就近接引的原则。

7)通过土石方挖填平衡计算，合理利用开挖方，尽量减少施工过程中的能耗。弃渣结合造田弃于线路附近沟道或河滩阶地上，工程竣工后人工复垦和绿化，达到修复、维护生态的作用。

2.4.2 工程施工

1)施工导流。根据各工程建筑物布置特点、河道特性、施工进度安排等采用不同的导流方式。延水关泵站全年施工，取水口位于黄河干流，河床宽阔，采用纵向围堰挡水、束窄河道过流的导流方式;柏树坬泵站枯水期施工，导流流量小，采用预留岩坎挡水，河道过流的导流方式;高家湾泵站、新舍古泵站、禹居六级泵站、永坪七级泵站安排在枯水期施工，施工不考虑导流问题。输水管线跨河建筑物河道流量小时采用围堰全断面挡水、钢筋砼管过流，河道流量大河床较宽时，采用分期导流。水库工程导流采用河道一次拦断，导流泄洪洞过流的导流方式。不同的导流方式不仅保证了各个单项工程的干场施工，同时减少了导流工程量，降低了导流工程投资。

河床砂砾石丰富，本着充分利用当地材料，方便施工的优点，围堰型式选用土石围堰。水库大坝导流洞结合泄洪洞布置，施工期作为导流洞使用，工程运用期为泄洪洞，减少临时工程量和投资。

2)主体工程施工方法。取水工程土方由1.0 m3挖掘机挖装，局部人工开挖，用于回填的开挖料就近堆放，弃渣用10 t自卸汽车运至渣场。砼用0.8 m3的强制式搅拌机拌和，清涧河取水枢纽推车运料人工入仓，施工方法节电、简单。黄河延水关取水枢纽自卸汽车运料砼吊罐入仓，施工机械化程度高，砼施工进度快。

输水管线施工为常规方法，挖、装、运及碾压设备匹配合理，施工中在工程全线预先进行挖填量计算，实现区内调配平衡，以减少运距和弃渣量。输水管线穿越延安－延川高速处，采用顶管法施工，开挖工程量减少，避免了管线施工对高速路交通的干扰。

隧洞工程洞室采用全断面一次开挖成型，土洞开挖以人工为主、机械为辅。格栅拱架支护，砼喷护紧随开挖。石洞开挖采用手风钻钻孔，人工装药爆破。砼衬砌模板及支撑采用厂制定型钢模板，确保砼结构外形尺寸准确，并有足够的密封性，以免漏浆。

3)节能降耗措施。

(1)施工时加强风管与空压机、钻机连接处的密封措施并定时检查，避免漏风，尽量减少钻机没有工作时空压机空转的工况。

(2)对于爆破作业，要求做爆破生产实验，优化爆破参数(如:施工的布孔和装药量、堵塞长度等)，减少钻孔设备的施工台班和炸药的用量，从而达到节能降耗的目的。

(3)为减少物料的二次转运和占地，设计中充分考虑开挖物料的岩性和开挖时段，做好土石方平衡调配规划，协调施工进度和合理充分利用开挖物料，以降低成本。

(4)选择运输设备的数量与采装设备的采装强度相适宜，避免出现车辆过多空车等待，或车辆数量不够产生装载机或挖掘机等待的情况，从而减少可以避免的能源消耗。

(5)优化混凝土施工技术及工艺，缩短施工设备各工序的工作循环时间及见减少施工设备的施工次数，以提高施工机械的施工效率，达到节能降耗的目的。

(6)为减少浆液的输送距离和损耗量，设计中考虑灌浆施工时将制浆设备放在离需灌浆部位较近的位置，以节能降耗。

3 能耗分析

3.1 施工期能耗

施工期的主要耗能项目集中在工程量较大的土石方开挖工程、砼浇筑工程和施工辅助企业;主要耗能设备为钻孔设备、运输设备、挖装设备、及施工工厂的机械设备，而生产性房屋、仓库及生活设施的能耗相对较少。通过分析计算施工期总能耗:耗油 10 728.51 t，耗电 560.22 万 kw·h，折算标准煤 15 857.77 t。

3.2 运行期能耗

运行期耗能设备主要为:取水枢纽金属结构配套启闭机、电气设备、加压泵站水泵及电机机组等。工程运行期耗能种类主要是电能。运行期总能耗:年耗电15 813万 kw·h，折算标准煤 63 884 t。

延安引黄供水工程项目消耗的各类能源折合标准煤257.12万 t(运行期按40年计)，综合能耗指标为576 kg标准煤/万元，满足陕西省单位GDP能耗目标为0.73 t标准煤/万元的要求。

4 结语

延安引黄供水工程为引调水工程，是清洁能源工程，无环境污染、成本低，是国家公益性工程，是关系国计民生的重点工程。工程规划推进水能资源优化开发利用和合理配置，合理选择工程总体布置形式、优化布置方案，合理选择泵站布置型式，合理选择机电及金属结构设备，合理选择施工总体布置，优化施工方法，减少施工能耗和弃渣，优化工程调度及机组运行方式，达到节能降耗的目标。按照水利工程节能设计原则、思路，通过分项节能设计、能耗分析，工程完全符合国家、地方和水利、建筑、电力等各行业的节能要求。本工程节能设计思路和方法可供类似工程借鉴和参考。

［1］水利水电工程节能设计规范(GB/T50649－2011).

［2］水利水电工程初步设计报告编制规程(DL5021－93).

［3］综合能耗计算通则(GB/T2589—2008).