沙灣水電站消防供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

張雅娟，夏飛，李友安

(四川圣達水電開發(fā)有限公司，四川樂山 614900)

1 概述

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)，為大渡河干流下游梯級開發(fā)中的第一級，距上游已建的銅街子水電站11.5 km，距樂山市區(qū)約44.5 km。電站采用一級混合式(河床式廠房加長尾水渠)開發(fā)，安裝4臺單機容量為120 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式機組，總裝機容量480 MW，屬國家大(二)型規(guī)模電站。

沙灣水電站消防用水取自于閘壩上游420 m的取水口，經(jīng)兩臺全自動濾水器過濾送至輔助設(shè)備廊道的消防清水池，再由兩臺消防水泵抽至壩頂?shù)南浪?。消防用水由消防水箱抽出來后，再?jīng)消防閥門供給全廠各層的消防栓、機組雨淋閥、主變雨淋閥、油庫、檢修排水泵潤滑水、滲漏排水泵潤滑水、機組備用主軸密封水和生活用水，形成消防水系統(tǒng)環(huán)網(wǎng);同時，將兩臺消防變頻調(diào)速水泵、三臺消防泵以及隔膜式氣壓供水罐接于水輪機層的消防水系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)。隔膜式氣壓供水罐接入0.5～0.7 MPa 的低壓氣，用以調(diào)節(jié)消防水系統(tǒng)的正常使用壓力;變頻調(diào)速水泵提供正常的消防系統(tǒng)用水。當廠房內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、消防聯(lián)動控制器動作時，啟動消防泵用以供給雨淋閥所需的大量用水。在沙灣水電站實際運行過程中，由于正常的消防用水動力僅來源于消防變頻泵，故沙灣水電站的消防變頻泵一直處于兩泵輪換的不間斷運行狀態(tài)，最終導致變頻電機燒毀的設(shè)備障礙，嚴重影響電力安全生產(chǎn)。為此，筆者重新分配了消防用水并優(yōu)化設(shè)計了消防水池，對沙灣水電站的消防水系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。分析表明:經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后，消防供水能耗大大降低，可靠性得到較大提升，取得的成功經(jīng)驗可為其他類似電站消防供水設(shè)計提供參考。

2 沙灣水電站消防供水系統(tǒng)存在的缺陷

沙灣水電站消防供水取自上游庫區(qū)，通過兩臺消防濾水器過濾后，再通過浮動球閥自動控制過濾水進入消防清水池。消防清水池作為消防供水的總供水水源，分別通過兩臺定頻泵給消防水箱供水，兩臺變頻泵給消防系統(tǒng)管網(wǎng)供水。若遇火災(zāi)啟動時，由三臺額定流量為180 m3/h 的定頻泵運行提供足夠的消防用水。消防供水過程如圖1所示。

由圖1可以看出，消防供水系統(tǒng)取自兩路水源:一路來自壩區(qū)消防水箱，另一路來自變頻泵(火災(zāi)時來自消防泵)，兩路水源互為備用。在消防系統(tǒng)日常運行中，由于消防變頻泵所提供的水壓力為0.67 MPa，而消防水箱提供的壓力完全來自于水的自重，用水壓力完全由用水處的高程決定，通常情況下僅為0.1～0.3 MPa，且在消防水箱出水側(cè)安裝逆止閥，故在正常狀況下，消防供水系統(tǒng)僅僅取自變頻泵供水一條支路。

沙灣水電站的這種消防系統(tǒng)配置是出于安全考慮，意在使整個消防系統(tǒng)在全廠失電的狀況下亦能在一定的時間內(nèi)維持消防供水。但是，這種配置確實不盡合理，主要有以下兩點:

圖1 沙灣水電站消防系統(tǒng)布置示意圖

(1)消防變頻水泵運行時間過長，可靠性較差。在日常運行過程中，由于機組主軸密封用水、生活用水、深井泵潤滑用水均取自消防供水系統(tǒng)，消防管網(wǎng)壓力將會不停的變化;而消防變頻泵作為正常狀態(tài)下維持消防管網(wǎng)壓力的唯一動力來源將會不停地工作。由于沙灣水電站僅有兩臺消防變頻水泵，所以，每天每臺泵的工作時間均為12 h，并且由于兩臺泵的來回切換，將會造成其壽命大大降低。實際情況是:沙灣水電站的兩臺變頻泵在投運兩年之后均因達到壽命極限而燒毀。

(2)消防供水能耗大、能效低。在日常的消防供水過程中，消防供水用戶的能量來源均為兩臺變頻泵，因此，這種供水方式是一種低效、高能耗的供水方式。首先，消防用水取自上游，在通過消防濾水器送至消防清水池之后，再由變頻泵將消防清水池內(nèi)的水源送至用戶，這種供水方式并未充分利用水自身所攜帶的重力勢能，能耗較大;其次，除消防管網(wǎng)需維持0.67 MPa 的壓力以外，其他消防水用戶均無此壓力要求，所以，在實際供水過程中出現(xiàn)了升壓、再降壓的能量浪費過程。例如，機組主軸密封水水壓必須維持在0.05～0.2 MPa 之間，壓力過大會造成主軸密封燒毀事故，故在使用初始壓力為0.67 MPa 的消防水時，還必須先通過減壓閥進行降壓，這種過程造成了極大的能量損耗。

總之，沙灣水電站消防供水系統(tǒng)存在設(shè)備使用不合理，設(shè)備可靠性較差，消防供水系統(tǒng)能耗大、能效低等缺陷，造成了消防供水系統(tǒng)整體可靠性降低，不利于水電站的安全高效運行。

3 沙灣水電站消防供水系統(tǒng)的改造設(shè)計

正是由于沙灣水電站消防供水系統(tǒng)存在上述問題，且在實際運行過程中，這些問題也均一一顯現(xiàn)。為此，筆者提出了沙灣水電站消防供水系統(tǒng)的改造方案。改造方案主要源于三方面考慮:第一，改變原消防供水系統(tǒng)不合理的供水布局;第二，采用新型消防水壓系統(tǒng)替代消防變頻水泵維持消防管網(wǎng)系統(tǒng)的壓力;第三，改變消防清水池的設(shè)計，充分利用上游水源自身的重力勢能。具體方案如下所述。

3.1 沙灣水電站消防用水的合理化配置

通過以上分析可知，沙灣水電站消防供水系統(tǒng)在日常運行過程中并未充分利用消防水箱，而使用的是效率較低的變頻水泵，并且消防供水的日常用戶并不需要0.67 MPa 壓力的消防水。為此，筆者對沙灣水電站消防用水系統(tǒng)進行了合理化配置(圖2)。

圖2 沙灣水電站消防供水系統(tǒng)合理化配置圖

由圖2可知，在正常狀況下，消防供水切換閥處于全關(guān)位置，日常消防供水用戶以消防水箱消防水作為主用水源;而消防系統(tǒng)管網(wǎng)壓力將由消防主供水系統(tǒng)提供(具體提供設(shè)備后述)。當遇火災(zāi)事故或消防水箱水位過低時，消防供水切換閥將自動(手動)開啟，以實現(xiàn)兩路消防水的冗余供水效應(yīng)。

3.2 新型消防水壓維持系統(tǒng)的設(shè)計

在沙灣水電站原有的消防供水系統(tǒng)的日常運行中，采用兩臺變頻泵維持消防系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力，采用隔膜式氣壓供水罐調(diào)節(jié)消防水系統(tǒng)的正常使用壓力。然而，在實際運行過程中，這種配置往往造成變頻泵長時間運行且隔膜式氣壓供水罐的現(xiàn)實效果并不明顯。為此，筆者提出了新型消防水壓維持系統(tǒng)的設(shè)計方案，其基本工作原理如圖3所示。

新型消防水壓維持系統(tǒng)通過連接低壓氣系統(tǒng)維持所需的0.67 MPa 的壓力，并通過壓力水罐的水位控制消防維壓水泵的啟停，以維持系統(tǒng)所需的基本用水。當火災(zāi)事故發(fā)生導致用水量較大時，則采用大功率消防泵為管網(wǎng)供水，這時壓力水罐即充當隔膜式氣壓供水罐的角色，調(diào)節(jié)消防水系統(tǒng)的正常使用壓力。

3.3 封閉式消防清水池的設(shè)計

圖3 新型消防水壓系統(tǒng)工作原理圖

沙灣水電站消防供水系統(tǒng)的水源取自閘壩上游(432 m)，通過兩臺消防濾水器過濾后進入消防清水池，再由消防清水池作為消防供水的水源供給消防水用戶。由于消防清水池的水位僅為高程406 m，所以，在實際運行過程中并未充分利用上游來水的重力勢能，存在極大的能量浪費。為此，筆者提出了封閉式消防清水池的設(shè)計方案。其基本原理如圖4所示。

圖4 封閉式正壓消防清水池工作原理圖

在消防供水系統(tǒng)正常運行期間，消防水的上游取水將會沿圖4中箭頭所示方向通過消防濾水器流至封閉式正壓消防清水池。由于封閉式正壓消防清水池處于密封狀態(tài)，消防管網(wǎng)的取水高程由消防清水池浮球開關(guān)安裝位置(高程405.5 m)上升至高程432 m，除去揚程損失，取水高程提高約25 m。管網(wǎng)正常用水時，由上游所取的消防水將會不斷流向封閉式正壓清水池，流水不斷擠壓封閉式正壓清水池上方的空氣，形成正壓空氣。此時，封閉式正壓清水池僅相當于連通器的中間環(huán)節(jié)，從而使上游來水的重力勢能得到充分利用。

4 改造后的消防供水系統(tǒng)

筆者針對沙灣水電站現(xiàn)有消防供水系統(tǒng)的運行缺陷，提出了優(yōu)化改造方案，改造后的整體效果如圖5所示。

圖5 改造后的消防供水系統(tǒng)工作原理圖

4.1 消防供水系統(tǒng)改造前后能耗分析

4.1.1 原消防供水系統(tǒng)的能耗

改造前，消防系統(tǒng)的能耗主要來源于將消防清水池內(nèi)的水源提升至所需要的高度和達到需要壓力而消耗的變頻泵的電能，其可以近似利用所供應(yīng)水源重力勢能的增加計算。根據(jù)運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，沙灣水電站每日平均消防用水量為360 m3。采用重力勢能計算公式:E=m·g·h(式中 g 為重力加速度，取10;h 為抽水的高度，由于變頻泵始終是將水壓保持在0.67 MPa，等價于h 為67 m)進行計算，可求得改造之前日常消防供水能耗約為241.2 MJ。

4.1.2 改造后消防供水系統(tǒng)的能耗

改造后，日常消防用水全部來自于消防水箱。由于采用了封閉式消防清水池，可以等價于直接從前池(高程432 m)抽水至消防水箱(高程437 m)，則h 僅為5 m。由公式可計算求得改造后消防系統(tǒng)的日能耗為18 MJ。由此可知，消防供水系統(tǒng)改造后能耗約為改造前的十三分之一，能耗大大降低。

4.2 改造后消防供水系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

經(jīng)過改造后的消防供水系統(tǒng)具有較明顯的優(yōu)勢，具體為:

(1)能耗低。通過上述能耗對比分析可知，消防供水系統(tǒng)改造后能耗約為改造前的十三分之一，節(jié)能效果明顯。

(2)投資小。由于改造后消防供水系統(tǒng)的壓力僅使用定頻泵維持，而不再使用價格昂貴的變頻泵，且壓力水罐同時具備了傳統(tǒng)隔膜式氣壓供水罐所具有的功能，不再需要隔膜式氣壓供水罐，因此而在一定程度上減少了消防供水系統(tǒng)的投資。

(3)可靠性高。由于采用了新型水壓系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的、一直不停運行的變頻泵，從而大大增加了消防供水的可靠性。

(4)水壓穩(wěn)定。傳統(tǒng)消防供水系統(tǒng)采用變頻泵維持管網(wǎng)壓力，在每次兩臺變頻泵切換時，必然會造成消防管網(wǎng)壓力波動，而新型水壓系統(tǒng)采用水位控制泵的啟停且壓力水罐連通低壓氣系統(tǒng)，使消防管網(wǎng)壓力能夠始終維持在0.67 MPa，可以保證水壓更加穩(wěn)定。

5 結(jié)語

沙灣水電站原消防供水系統(tǒng)設(shè)計存在一定的不合理性，在實際運行過程中，由于變頻泵運行時間過長，多次出現(xiàn)變頻泵燒毀事故，嚴重影響了電站消防供水安全，且因原供水系統(tǒng)存在能耗大，能效低等問題，為此，筆者通過消防水用戶的合理化配置、新型水壓系統(tǒng)和封閉式清水池的設(shè)計，對原供水系統(tǒng)進行了綜合改造。通過分析可知，改造后的消防供水系統(tǒng)具有能耗低、可靠性高、水壓穩(wěn)定、投資低等明顯優(yōu)勢，該設(shè)計方案可在今后的消防供水系統(tǒng)中推廣。

［1］劉朝華，楊飛.水電站消防供水系統(tǒng)設(shè)計探討［J］.人民長江，2009，40(2):91-92.

［2］童鈞耕.工程熱力學［M］.北京:高等教育出版社，2009.