恒压变频控制系统在水利水电供水工程中的应用研究

任斌辉

摘 要 大藤峡水利枢纽工程包含左岸厂坝工程、右岸前期准备工程、右岸厂坝工程、船闸工程等。我司在其中承担了左、右岸厂坝工程的施工。根据我司在大藤峡工地实施分析，大藤峡左岸厂坝工程高峰用水量为840m3/h，右岸厂坝工程高峰用水量为630m3/h，主要采用沿河（江）边布置取水泵站，通过加压泵将抽取的河（江）水输送至高位水池，沉淀、过滤后，通过供水管路输送至各用水部位，压力不足者采用管道泵加压，但此种工艺能耗较大。通过对供水方式进行调整，采用变频控制系统，一方面可以避免制作大容量水箱或蓄水池，另一方面当用水量变小时，可自动调整进入低功耗运行状态，避免能量损失，对项目成本节约具有重要意义。

关键词 变频控制系统;供水工程;施工用水变频流量;低功耗

1项目概况

（1）項目背景。大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，坝址在广西桂平市黔江彩虹桥上游6.6km处，地理坐标为东经110°01′，北纬23°28′，是红水河梯级规划中最末一个梯级。该水利枢纽工程是一座以防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用的流域关键性工程。总库容34.79×108m?，总装机容量1600MW，工程规模为Ⅰ等大（1）型工程。我公司在大藤峡水利枢纽工程承建了大藤峡左岸厂坝工程、大藤峡右岸厂坝工程等，施工用水一直是项目履约期间的重点问题，也是费用支出占比较大的部分。

（2）项目难点。①恒压变频控制系统常用于化工行业生产及城市自来水供水系统，在水利水电工程尚未有应用实例。②水利水电施工现场用水点较多、布置复杂且不确定性较大，利用PLC控制系统实现供水整体自动控制存在较大的难度。

2施工用水布置情况

2.1 左岸厂坝工程

大藤峡左岸厂坝工程目前已施工完成，施工期间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设集中供水系统，包括取水泵站、水处理厂、主供水管网。

（2）供水系统布置。①左岸上游取水点：厂坝施工区施工用水水源选择黔江河水。a.取水泵站：取水泵站布置在左岸上游围堰上游侧，缆车取水泵站平面尺寸为7m×8m，安装3台8SA-7型单级双吸中开离心泵，2用1备。b.水处理厂：在缆车式取水泵站上方（80m高程）布置水处理厂，水处理厂对河水进行沉淀加药处理，使水质达到施工的要求。水处理厂占地面积约750m2。厂内设沉淀池、清水池、加药间及值班室。沉淀池、清水池均采用钢筋混凝土结构。c.供水管网：从取水泵站铺设供水主管（DN400mm）至水处理厂。从水处理厂引通过供水主管（DN300mm）引到上游围堰，从上游围堰处分两路，一路供水管（DN200mm）到左岸坝前位置，另一路供水管经上游围堰（DN300mm），纵向围堰（DN300mm），下游围堰（DN200mm）到左岸坝后和辅助车间（DN100mm）。②左岸下游取水点：厂坝施工区施工用水水源选择黔江河水。a.取水泵站：取水泵站布置在左岸下游生活营地靠岸边，浮船取水泵站平面尺寸为5m×6m，安装3台IS125-400-100型单级离心泵，2用1备。b.水处理厂：在生活营地布置水处理厂，水处理厂对河水进行沉淀加药处理，使水质达到施工的要求。水处理厂占地面积约2980m2。厂内设沉淀池、清水池、加药间、净水设备及值班室。沉淀池、清水池均采用钢筋混凝土结构。c.供水管网：从取水泵站铺设供水主管（DN200mm）至水处理厂。从水处理厂引两路供水管道，一路供水管道（DN200mm）沿左岸上坝公路通过管道泵加压的方式引到金属结构拼装厂和混凝土生产系统，另一路通过净水一体化设备为生活营地供水。

2.2 右岸厂坝工程

右岸厂坝工程目前正在施工，初始阶段供水布置形式如下：

（1）供水方式。整个施工生产、生活用水主要采用黔江取水和井水水源相结合的方式。

（2）供水系统布置。①施工生产用水。施工生产用水均取自黔江，采用岸边取水方式，从二期上游围堰外侧取水。供水系统主要由取水泵站、水处理厂、供水管网组成。a.取水泵站：取水泵站布置在二期上游围堰外侧，浮船取水泵站平面尺寸为7.1m×8.1m，安装3台250S95B型单级双吸中开离心泵，2用1备，取水能力约为900m3/h。b.高位水池：在观景平台上部布置高位水池，高位水池通过对河水进行沉淀加药处理，使水质达到施工的要求。水处理厂占地面积约500㎡。整个水池分为进水池、沉淀池、清水池、加药间及值班室。进水池、沉淀池、清水池、均采用钢筋混凝土结构。c.供水管网：从取水泵站铺设供水主管（DN400mm）至高位水池。从高位水池引通过供水主管（DN400mm）引到各施工部位。②生活用水。生活用水在营地范围内钻井取水，流量约为30m3/h。

3恒压变频控制系统在水利水电供水工程中的应用

3.1 供水方式调整的基础条件

（1）已完工程实践经验。根据大藤峡左岸厂坝工程施工经验，修建取水泵站、水处理厂（高位水池）等传统取水工艺，不仅在进水、出水过程中均需要配置足够流量的水泵抽取、加压，而且水泵启、停均需人工操作，一旦启动，均为满负荷运行，当用水流量较小时，极易发生严重的非必要功耗[1]。

同时，高位水池出水时，其最大压力不超过0.5Mpa，经沿程损失后，出水口压力在0.2～0.3Mpa之间，远远不能满足施工用水需求，必须在供水管道上另行布置加压泵方能满足用水要求。

（2）现场施工环境条件。大藤峡右岸厂坝工程施工时，左岸厂坝工程已基本施工完成并开始蓄水发电，库区最低水位为EL47.6，正常水位为EL52.0（基坑大面高程为EL22.0），通过在基坑围堰上预留孔洞，可直接自然压水进入右岸基坑内水箱，且库区水质较好，完全可以在不经沉淀的工况下满足施工用水要求。

3.2 供水方式调整的具体措施

基于上述情况，为节约施工供水费用，项目部引进恒压变频控制系统，对供水系统进行优化，主要供水布置形式如下：

在右岸基坑靠近纵向围堰处EL45.6平台布置一个10m3钢结构水箱，水箱通过钢管穿纵向混凝土围堰与库区连通，并安装控制闸阀（主要用于紧急启、闭，处于常开状态）。水箱结构采用封闭式，为进一步保证安全，可在水箱侧壁安装DN50钢管延伸至EL52.0以上，与江面形成连通器。同时，为保证进水水质，在水箱进水口前增加一个机械过滤器。供水水箱布置完成后，在水箱出口处布置水泵及恒压变频控制系统。结合现场不同时段、不同部位施工用水量不同，并考虑设备经变频后功耗降低范围，在水箱出口处布置3台120m3/h的离心泵、3台200m3/h的离心泵，扬程均为93m。

3.3 供水方式调整后实施效果

水泵布置完成后，布置相应的恒压变频控制柜。通过控制柜实现用水流量从50～630m3/h之间变化时水泵的自动启、闭及功耗降低、提高，水箱进水利用连通器原理随着出水口消耗同步补充。每个用水部位出水口通过PLC自动控制系统与恒压变频控制柜连接，当用水端开启闸阀，发出用水信号时，恒压变频控制系统即自动选择流量合适的水泵启动，并随着流量变化自动调整，最终实现整套供水系统的自动控制，避免“大马拉小车”现象，实现整体功耗的大幅度降低。供水系统调整后，总体管路方面减少了由取水泵站至高位水池，由高位水池至基坑部分，同时取消了整套取水设备及一座高位水池。

3.4 供水方式调整后经济比较

以大藤峡右岸厂坝工程施工供水为例，利用传统工艺布置方案，需要在二期上游围堰外侧堰脚布置取水泵站，并配备1套取水设备，取水完成后加压输送至EL95.0高位水池，水池容量1000m3，为钢筋混凝土结构，包括沉淀池、清水池。高位水池内处理完成后，利用供水管道输送至各用水部位，并根据流量、压力需要增加管道加压泵。高位水池内用水根据消耗情况人工启、闭取水泵站进行补充。

采用恒压变频控制系统介入供水系统布置后，首先，取消了一套取水设备及取水泵站，直接利用库区水源天然压力即可取水;其次，将1000m3钢筋混凝土结构的高位水池调整为10m3钢结构水箱;另外，节约了从取水点至高位水池、从高位水池至基坑的管路布置;此外，通过变频设备控制，可以根据用水流量来减小或提高水泵运行功率，避免功率浪费。

根据市场调研，按照大藤峡右岸厂坝工程施工用水量需求，布置一套恒压变频控制供水系统设备、材料费用约35.0万元，一座1000m3钢筋混凝土高位水池费用为32万元，基本持平，即恒压变频控制供水系统整体前期投入，仅相当于传统供水工艺中一个环节的投入。因此，采用恒压变频控制供水系统用于大藤峡右岸厂坝工程施工供水，可以起到较大的成本节约的目的。

4结束语

在水利水电施工过程中，通过引进恒压变频控制系统来实现工程施工用水的科学管理，不仅在供水系统设计布置阶段可以节省成本，而且在运行阶段可以极大限度的避免不必要的功耗浪费，在水利水电行业具有较大的推广前景和实际应用意义。

参考文献

[1] 黄辉.高效变频恒压供水系统研制与应用[D].杭州：浙江工业大学，2012.

[2] 蒋守辉.基于PLC的恒压供水控制系统设计[J].電子技术与软件工程，2018（4）：129.