沙灣水電站消防供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

向春見

(大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花617012)

1 沙灣水電站消防供水系統(tǒng)缺陷

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水壓力為0.67MPa，而消防水箱提供壓力完全來自于水的自重，用水壓力完全由用水處高程決定，通常情況僅為0.1-0.3MPa，且在消防水箱出水側(cè)安裝逆止閥，所以在正常狀況下，消防供水系統(tǒng)僅僅取自變頻泵供水一條支路。

沙灣電站此種消防系統(tǒng)的配置是出于安全考慮，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。但是此種配置確實不盡合理，主要有以下兩點：

（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工作，并且來回切換，將會造成其壽命大大降低。沙灣水電站兩臺變頻泵在投運兩年之后均因壽命極限而燒毀。

（2）消防供水能耗大、能效低。正常情況下，由兩臺變頻泵維持消防系統(tǒng)壓力，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，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)水源送至用戶，這種供水方式并未充分利用水自身所攜帶重力勢能，能效低。其次，除消防管網(wǎng)需維持0.67MPa 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)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0.05-0.2MPa之間，所以在使用初始壓力為0.67MPa 的消防水時，還必須先通過減壓閥進行降壓，這種過程造成極大的能量損耗。

總之，沙灣電站消防供水系統(tǒng)存的設(shè)備使用不合理，可靠性差，能耗大、能效低等缺陷，不利于水電站的安全高效運行。

2 沙灣水電站消防供水系統(tǒng)改造設(shè)計

改造方案包括以下三方面：第一，改變原消防供水系統(tǒng)不合理的供水布局；第二，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)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重力勢能。

2.1 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，而使用效率較低的變頻水泵；并且消防供水日常用戶并不需要0.67MPa 壓力的消防水。為此，作者對沙灣水電站消防用水進行了合理化配置。

由圖二所示，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)事故或者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)。

2.2 新型消防水壓維持系統(tǒng)的設(shè)計

在沙灣電站消防供水系統(tǒng)日常運行中，采用兩臺變頻泵維持消防系統(tǒng)管網(wǎng)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。由于用水量大，這種配置往往造成變頻泵長時間運行，隔膜式氣壓供水罐的保壓效果并不明顯。為此，作者設(shè)計了新型消防水壓維持系統(tǒng)，其基本工作原理如圖1 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0.67MPa的壓力，并通過壓力水罐的水位來控制消防維壓水泵的啟停，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，這時壓力水罐就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。

2.3 封閉式消防清水池的設(shè)計

沙灣水電站消防供水系統(tǒng)上游水源的正常水位為432m，通過兩臺消防濾水器過濾之后，進入消防清水池，再由消防清水池供給消防水用戶。由于消防清水池水位僅為406m，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，存在極大能量浪費。為此，作者提出了封閉式消防清水池的設(shè)計。其基本原理如圖1 所示。

上游庫區(qū)水源將會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)，且消防水用戶高程均高于上游取水口高程432m[用戶1：消防管網(wǎng)（等價高程499m）；用戶2：消防水箱（437m）]，所以上游所取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)，上游來水重力勢能得到充分利用。

3 改造后消防供水系統(tǒng)分析

筆者針對沙灣電站現(xiàn)有消防供水系統(tǒng)的運行缺陷，共提出了三方面的改造，其改造后的整體效果如圖1 所示。

3.1 消防供水系統(tǒng)改造前后能耗分析

3.1.1 原消防供水系統(tǒng)能耗

改造之前，消防系統(tǒng)能耗主要來源于將消防清水池內(nèi)水源提升至需要高度和達到需要壓力而消耗的變頻泵的電能，可以近似利用所供應(yīng)水源重力勢能的增加來計算。經(jīng)統(tǒng)計，沙灣電站每日平均消防用水量為360m3。由重力勢能計算公式：E=m·g·h。

其中g(shù) 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0.67MPa，等價于h 為67m。由此，可求得改造之前日常消防供水能耗約為241.2MJ。

3.1.2 改造后消防供水系統(tǒng)能耗

改造之后，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（432m）抽水至消防水箱（437m），h 僅為5m。由公式可計算求得改造消防系統(tǒng)日能耗為18MJ。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。

3.2 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)具有以下優(yōu)勢：

（1）能耗低。通過分析已知，消防供水系統(tǒng)改造后能耗約為改造前的十三分之一，效果明顯。

（2）投資小。由于改造后消防供水系統(tǒng)壓力僅使用定頻泵維持，不再使用價格昂貴的變頻泵；且壓力水罐具備了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。由此，可在一定程度減少消防供水系統(tǒng)的初投資。

（3）可靠性高。由于新型水壓系統(tǒng)由定頻泵取代了一直不停運行的變頻泵，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，變頻泵切換時，必然造成消防管網(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0.67MPa，水壓更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

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)計等改造措施。降低了消防供水系統(tǒng)能耗、提高了可靠性，消防系統(tǒng)水壓穩(wěn)定，初投資低等優(yōu)勢，這種設(shè)計可在以后的消防供水系統(tǒng)中推廣。