南干渠工程供电需求现状及对策

王春华, 刘米帅, 李 嘉

(1.北京市河湖流域管理事务中心 河湖流域科,北京 102627;2.北京市水务局政务服务中心 政务服务科,北京 100055)

南水北调工程是支撑京津冀地区协调发展,改善区域生态环境的重大基础性战略工程,其中中线工程正发挥着缓解北京市缺水问题的重要作用[1].目前,北京已形成以“两大动脉”“六大水厂”“两个枢纽”“一条环路”“三大应急水源地”构成的“26213”供水格局,实现本地水、外调水、地下水联合调度[2].南干渠工程是“一条环路”的重要组成部分,承担着郭公庄水厂、黄村水厂、大兴支线工程、通州水厂和亦庄水厂的输水任务,其覆盖的供水范围为北京城市副中心、北京南部城区和北京大兴国际机场,承担着北京城南地区400万人口的供水任务[3],同时担负着河道应急补水功能,是城市基础工程的大动脉[4].

1 南干渠工程井位现地站用电需求分析

南干渠工程是北京市南水北调配套工程之一,位于丰台、大兴两区,起点为南水北调中线干线北京段永定河倒虹吸末端,终点为亦庄调节池,全长26.82km[5].该工程管辖范围内现有4处分水口、40处排气阀井、5处排空井、3处管理设施及配套的水机、机电、电子设备等主要设备设施,其中有两个现地站的排气阀井和排空井建在一起.在南干渠工程运行保障过程中主要有以下几个方面的用电需求:

1.1 工程自动化系统运行

为保障南干渠工程稳定、可靠地运行,同时帮助管理人员完成调水、配水、工程管理、应急抢险等业务工作,工程建设了配套的自动化监测监控系统,采用信息化和自动化的技术手段,对工程设施、关键部位、水机及机电设备进行监测和监控.目前该自动化系统建设有9个子系统,分别为通信子系统、监控子系统、视频安防子系统、工程安全监测子系统、计算机网络子系统、阀井远程无线监测子系统、管道压力数据无线备用信道传输子系统、调度中心会商子系统、管线巡检子系统.自动化系统设有1个监控中心、2个监控管理站及45个现地站.1个监控中心设在南干渠调度中心,2个监控管理站分别为郭公庄监控管理站、黄村监控管理站,45个现地站分别为郭公庄分水口、黄庄分水口及43个排气阀井、排空井的井位现地站.

45个现地站均有多套子系统用于工程运行状况信息的监测、监控,并将信息实时上传至调度中心.沿线现地站分为3个环网,由郭公庄管理所、黄村管理所、第二管理所等3处交换机汇聚上传至南干渠调度中心.网络通信结构拓扑图见图1.

图1 南干渠工程自动化系统网络通信结构拓扑图

郭公庄管理所的交换机汇聚了由23#排气阀井、29#排气阀井、35#排气阀井、42#排气阀井、38#排气阀井、32#排气阀井、25#排气阀井、3#排空井、16#排气阀井、12#排气阀井、6#排气阀井、3#排气阀井、9#排气阀井和13#排气阀井共14处现地站交换机组成的环网信息;黄村管理所的交换机汇聚了由18#排气阀井、22#排气阀井、28#排气阀井、34#排气阀井、41#排气阀井、43#排气阀井、37#排气阀井、31#排气阀井、24#排气阀井、20#排气阀井、15#排气阀井、11#排气阀井、5#排气阀井、1#排气阀井和8#排气阀井共15处现地站交换机组成的环网信息;第二管理所的交换机汇聚了由7#排气阀井、4#排气阀井、10#排气阀井、14#排气阀井、19#排气阀井、4#排空井、30#排气阀井、36#排气阀井、40#排气阀井、33#排气阀井、27#排气阀井、21#排气阀井和1#排空井共13处现地站交换机组成的环网信息.

当通信环网上的一处现地站断电后,会导致本站点的自动化设备无法运行,但不影响其他站点正常通信;当通信环网上有两处站点断电后,会导致该两处站点之间设备通信中断,两点之间的所有现地站的自动化设备全部无法运行.当一处站点电压过低,处于交换机启动/关闭的临界值时,该站点交换机反复启动,中心交换机频繁对该条链路进行识别,将会导致整条环网链路信息堵塞、瘫痪.由于自动化系统需实时在线采集各现地站的监控与监测信息,并传输至调度中心进行存储、分析与展示,所以各现地站的自动化软硬件设备需不间断带电运行,必须有稳定而持续的供电电源作保障.

1.2 工程日常维修养护

首先,在南干渠工程日常运行管理中,需要对工程附属的排气阀井、排空干井、排空湿井、电缆井、观察井、检修井、连接路等工程设施、配套的水机设备、机电设备及电子设备等进行日常维修养护工作.养护内容主要包括:对土建工程进行混凝土破损修补、裂缝处理、止水养护和隧洞清淤等工作;对钢管、阀体进行清理、除锈、防腐等工作;对爬梯、围栏等金属结构进行除锈、刷漆,对破损部位进行修补等工作;对水机、机电与电子等设备进行清洁、检查及保养,对损坏部件进行更换.其次,由于南干渠工程盾构段结构的断面为圆形,采用排水理念设计,由管片、排水隔离层、二衬组成.15.48 km长的南干渠工程盾构段隧洞工程在一衬、二衬之间没有设置防水层[6],地下水渗入一衬的水和隧洞内南水北调水渗入二衬的水,均通过排水隔离层汇入工程沿线24处排气阀井内的集水井内,需根据其积水情况进行日常抽排水,按照目前的情况,每年需要进行抽排水5 400余次.再次,每个现地站的维修养护工作周期短、频率高,一般也需要间歇性、短时间、高电压的供电电源.

1.3 工程检修与河道补水

在南干渠工程运行过程中,管理单位会根据上级调水方案及工程运行状况,安排工程停水隧洞检修、带水检修设备及故障设备更换等任务,另外还会根据要求,利用5个排空井不定期向附近河道补水,这些工作一般需要长时间、持续性的高电压供电电源.

1.4 工程日常巡查

为了保障南干渠工程运行安全,管理单位组织了工程巡查队伍,工程沿线现地站所有井位的井室每周巡查两次,巡查人员需携带巡查记录仪、气体检测仪、巡更棒、手电筒、防坠器、安全帽、雨鞋等各种必要的巡查工具与防护用具下井作业,每次巡查均要求有完善的检查记录并保存影像资料.遇重大节日(活动)、恶劣天气、井内设备故障、突发事件等情况,巡查人员会根据要求加强、加密巡查工作.由于井室内属于有限空间,需要有充足的照明来保证巡查工作的顺利开展.

2 用电需求解决现状

建设初期,南干渠工程绝大部分井位现地站地处城乡结合部,井位现地站围栏范围内为工程永久占地,围栏外土地利用情况复杂,近1/3的现地站被开发公司、农场、商城、物流、驾校和村民所圈占[7].由于南干渠工程建设工期紧、任务重,为了满足自动化系统用电需求,建设了由单晶硅太阳能锂电池和太阳能电池板组成的太阳能供电系统.南干渠工程沿线45处井位现地站共建设有68套太阳能供电系统,其中2014年自动化系统一期建设时配备了27套,蓄电池设计了7个阴雨天的续航时间.2016年自动化系统二期建设时,增加了41套,蓄电池设计了3个阴雨天的续航时间.蓄电池组一般设计浮充寿命为5年,深度充放电循环次数为400次左右.2019年,对蓄电池中储电能力下降到不能满足要求的部分进行了报废与替换处理.南干渠工程投入使用后,对于工程日常维护中日常抽排水、维修养护等用电需求,采用柴油发电的方式保障用电需求;针对工程检修和河道补水需要长时间、持续性、大功率的用电要求,需协调当地供电所或者井位现地站外土地产权业主,架设临时市电作为电源;而日常工程巡查中,巡查人员则采用手电筒和头灯进行室内照明,每次巡查结束后,需要及时充电以备后用.

3 目前供电方式存在的问题

3.1 太阳能供电系统存在的问题

(1)供电性能受外界环境影响大

太阳能蓄电池蓄电容量受气温影响较大,其最佳工作温度是25℃,温度每下降1℃,相对容量大约会下降0.8%[8].南干渠工程沿线大部分位于北京大兴区,气候属暖温带半湿润大陆性季风气候,春、夏、秋、冬四季分明,夏季最热月平均气温25.9℃,最高气温40.6℃;冬季最冷月平均气温-5℃,最低气温-27.4℃[9].供电系统还受日照影响,大兴区年平均日照2 764h,年日照百分率为63%[9].太阳能供电系统受气候、季节和天气的影响比较大,造成季节利用率不均衡.

(2)太阳能供电系统性价比不高

太阳能供电系统包含的部件比较多,任何一个部件的故障均会造成一个站点甚至多个站点的用电设备无法工作,影响面比较广.太阳能供电系统结构如图2所示.

图2 太阳能供电系统结构示意图

在日常运维中,工程管理单位为了掌握太阳能供电系统的性能状态,每月都会对每组电池的状态进行检测,但人工测量又存在很多不足,准确度会受到诸多因素的影响;由于人工测试为定期进行,无法及时发现故障、失效蓄电池;人工放电测试对蓄电池会造成无法恢复的伤害;大量的人工测量费时、费力,安全性差,周期长.另外太阳能供电系统还存在占地面积大,投入成本高,维护成本高,供电稳定性差的问题.

3.2 其他供电方式存在问题

南干渠工程井位的井口为DN700,井孔窄,又位于户外,一年四季巡查人员下井作业时均需随身携带很多工具,巡查采用的手电筒与头灯的照明方式存在光线强度弱,照射空间小等缺点,不利于开展工作和保障巡查人员安全.工程维护过程中经常需要利用柴油发电机发电开展工作,每次发电过程中布线、安放设备、安全评估等准备工作费时、费力.工程检修和河道补水前,需协调临时市电,更是增加了工作实施周期和实施难度.

4 工程供电改进建议

按照管理单位提升工程精细化管理水平的需求和智慧水务建设的要求,在南干渠工程沿线将会有更多的建设任务和更完善的信息化运行系统,井位现地站的用电需求会越来越多,要求也会越来越高.当前的现地站供电水平制约着工程管理水平的进一步提升,迫切需要改变当前供电现状,建立长期、稳定、可靠的供电系统.

(1)建立蓄电池在线监测系统,实时掌握电池状态

为了保证太阳能供电系统供电的稳定性、可靠性和持续性,可以引入一套具有监测和报警功能的在线监测系统,主要用于蓄电池性能、状态的监测与分析.当发现蓄电池性能、剩余容量超出设定的上、下限时或者诊断到电池故障时,自动发送报警信息到监控室,既能避免因人工检测误操作引起的短路、触电及负载断电风险,又能随时掌握供电情况,实现电池资源管理数字化、信息化,提高管理水平.

(2)提升太阳能供电系统运维管理水平

针对太阳能供电不稳定的特性,工程管理单位提前做好运维方案和应急预案,准备充足的备品备件,保证每天有足够的满电备用电池.当电源出现故障时,能及时利用备品备件、备用电池进行紧急修复,在最短的时间内恢复供电.

(3)有条件的井位接通永久市电,降低断电断网风险

工程建设初期,由于井位现地站周围占地产权复杂、工程建设工期紧张,其他供电方式建设相对困难,设计了太阳能供电系统.随着丰台、大兴地区的规划建设,南干渠工程沿线井位现地站围栏外分别属于五环绿化带、星光生态文化休闲公园、大兴生态文明教育公园和南海子公园[10],产权相对集中,协调永久市电问题正在稳步推进.目前南干渠工程17#排气阀井、43#排气阀井已由工程管理单位进行协调,引入了永久市电;36#、37#排气阀井由工程代维单位接入了临时市电.建议在有引入条件的19#,20#,21#,22#,23#,24#,25#排气阀井,3#,4#排空井现地站接入稳定的永久市电,降低断电断网风险,改善当前用电现状.

(4)引入备用电源,建立双电源自动切换系统

在工程运行过程中,为了防止断电情况的出现,建议在有条件的站点引入双路永久市电,没有条件的站点保留太阳能供电系统作为备用电源,并在在用电源与备用电源之间建设双电源自动切换系统,以保障站点用电的稳定与可靠.