淺談水利工程節(jié)能設(shè)計思路

王 莉

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710001)

能源是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)約能源、促進能源的合理和有效利用，對我國經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有深遠的戰(zhàn)略意義，推進水利工程節(jié)能工作是水利事業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方式的一項重要任務(wù)。節(jié)能設(shè)計是水利工程設(shè)計中一個全新的課題，根據(jù)國家現(xiàn)行有關(guān)節(jié)能方面的政策、法規(guī)和規(guī)范，結(jié)合陜西延安黃河引水工程特點，從工程規(guī)劃與總體布置、主要建筑物、機電設(shè)備及施工等方面進行分項節(jié)能設(shè)計，選取工程節(jié)能技術(shù)措施，根據(jù)節(jié)能設(shè)計成果，對工程運行期和施工期進行能耗分析，確定工程項目消耗的能源總量。

1 工程概況

延安黃河引水工程是以黃河和清澗河為水源，經(jīng)多級加壓，雙庫調(diào)節(jié)，向延安市城區(qū)和延長、延川、子長、清澗4縣城及延川縣永坪鎮(zhèn)生活和工業(yè)園區(qū)供水的長距離引水工程。工程引水線路穿越延安市寶塔區(qū)、延川縣、延長縣、子長縣境內(nèi)。主要工程建設(shè)內(nèi)容包括取水樞紐、沙預(yù)處理站、提水泵站、輸水管(洞)線、水庫及凈水廠。工程設(shè)計水平年為2020年，總?cè)∷繛? 977萬 m3，工程設(shè)計最高日取水量為36.23萬 m3/d，最高日凈供水量為24.85萬 m3/d。

2 節(jié)能設(shè)計

2.1 工程規(guī)劃與總布置節(jié)能設(shè)計

根據(jù)延安黃河引水工程取水規(guī)模，考慮到受水區(qū)地下水資源總量小、水質(zhì)差、開采難度大，地表水水源(除黃河水外)不滿足需水要求，從清澗河取一定水量可以減少黃河引水量，且抽水總揚程要比從黃河抽水總揚程少258 m，供水成本低，因此工程采用黃河和清澗河2處水源聯(lián)合供水，并以南河水庫、康家溝事故應(yīng)急水庫作為調(diào)蓄水源，既保證了供水水量和供水保證率，同時也實現(xiàn)水資源的合理配置。

工程輸水線路布置考慮黃河來水水質(zhì)、泥沙處理方式、水庫的調(diào)節(jié)、泵站的運行方式以及高速公路的建設(shè)等因素進行優(yōu)化調(diào)整:一是優(yōu)化管線，避免與高速公路交叉的影響;二是通過優(yōu)化蘆草梁隧洞的布置，降低了工程年運行費用。線路經(jīng)調(diào)整后避免了與高速公路的干擾，減少了泵站座數(shù)，降低了抽水揚程，精簡了水廠布置，協(xié)調(diào)了泵站間流量匹配，機組搭配更加靈活，運行方式更加合理。

2.2 主要建筑物節(jié)能設(shè)計

2.2.1 取水樞紐

延水關(guān)設(shè)計對岸邊閘式、斗槽式兩種取水方案進行了布置比較。對主流靠岸、河道泥沙含量大、冬季冰凍情況嚴重的黃河河道，選用了閘門控制、雙向進流的斗槽式取水口。該取水口不僅防沙導(dǎo)冰靈活運行，而且能夠穩(wěn)流，保證水泵前吸水池內(nèi)水流形態(tài)平穩(wěn)，斗槽開挖施工導(dǎo)流簡單。延水關(guān)泥沙處理采用HPS池處理系統(tǒng)，處理效果更好，運行條件更優(yōu)，投資更省。取消高家灣水廠，減少了水廠部分投資和運行費用，優(yōu)化了南河水庫的運行方式，大大降低運行費用。當?shù)厥县S富，價格較低，壩址處河床寬度小，河床基巖裸露，取水樞紐壩型為漿砌石壩。

2.2.2 泵站

結(jié)合線路總體布置、地質(zhì)地形條件，泵站工程根據(jù)引水線路優(yōu)化調(diào)整后，累計凈揚程降低了34.46 m。總揚程降低了34.15 m，年運行電費節(jié)省165.78萬元。高家灣4級站采用了壓力進水的方式，充分利用楊家山隧洞出口富余的水頭。泵站主副廠房均采用地面式布置，廠房基坑開挖坡面采用砼掛網(wǎng)噴護坡面，減少基礎(chǔ)開挖量。

2.2.3 水廠及延水關(guān)泥沙預(yù)處理站

黃河水為典型的高濁度水，處理工藝復(fù)雜，泥沙預(yù)處理設(shè)計采用HPS澄清池方案，占地面積減小，投藥量減小，施工方便，池體高度下降;水廠設(shè)計采用均質(zhì)濾料濾池，過濾周期長，且采用氣水反沖，降低水沖洗強度，節(jié)約沖洗水量;水廠中設(shè)置了沉淀池排泥水和濾池反沖洗水的回收構(gòu)筑物，對沉淀池排泥水濃縮處理后上清液和濾池反沖洗水進行回收，最大限度地節(jié)約水資源，達到節(jié)能減排的目的。

2.2.4 隧洞

姚家山隧洞線路以最短距離連接水庫充水管，給南河水庫充水;石家河段壓力管線輸水為新舍古明流洞輸水方案，隧洞高程降低;蘆草梁隧洞優(yōu)化調(diào)整為自流短洞明流方案，降低洞內(nèi)水位，節(jié)省年運行電費。

2.2.5 輸水管線

根據(jù)工程分段比較，選定的管材有預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管、鋼管等。管徑選擇根據(jù)泵站、管道投資以及年運行費用等多種因素綜合確定。對選定的鋼管進行防腐設(shè)計，延長鋼管壽命。根據(jù)工程所在地區(qū)極低氣溫情況，對于輸水線路沿線管橋等出露管道及隧洞進出口段管道進行防凍保護，以防止管道在靜水狀態(tài)下的管內(nèi)凍結(jié)。管線設(shè)置復(fù)合式排氣閥、排泥泄水閥及檢修閥，三類閥井結(jié)合布置，減少閥井個數(shù)。各類閥多選用手動，減少電能消耗。

2.3 機電設(shè)備節(jié)能設(shè)計

2.3.1 水泵

在滿足輸水流量、揚程等設(shè)計參數(shù)等前提下選用高效水泵。通過機電設(shè)備組合方案比較選擇最優(yōu)臺數(shù)，減少水泵的備用率、增加水泵運行管理的靈活性，從而提高水泵利用效率，起到降耗、節(jié)電的效果。泵站進水池、水泵基坑層均采用半挖半填，抬高水泵啟動水位，減少水泵啟動環(huán)節(jié)的電能消耗。為減少多級揚水泵站級間流量搭配不合理造成棄水造成能量損失，設(shè)計采用了變頻調(diào)速裝置技術(shù)。通過有效調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)節(jié)流量和提高水泵效率的目的。電動機機組選用高效節(jié)能YX系列電動機，損耗比Y系列普通電機降低20%，可節(jié)電20%以上。

2.3.2 電氣工程

主變選用S11系列新型有載調(diào)壓變壓器，同時選擇運行在高效范圍的變壓器容量。架空進線采用新型絕緣銅管母線，變頻裝置核心元器件采用IGBT。泵站變電所的位置盡量靠近負荷中心以減少電能損耗，供電線路沿盡可能短的路徑進行敷設(shè)。

2.4 施工節(jié)能設(shè)計

2.4.1 施工總布置

1)施工臨建設(shè)施按廠站、隧洞、水庫劃分施工區(qū)，既便于生產(chǎn)管理，又減少運距和能耗。臨時用房安排在附近村鎮(zhèn)以租代建，減少了臨時占地。

2)整個工程布置基本靠近現(xiàn)有主干道路，對外交通與各單項工程場內(nèi)交通銜接方便，運輸距離較短。臨時道路施工完畢后恢復(fù)原地貌，減少施工對生態(tài)環(huán)境的影響。

3)工程所需土料主要集中在輸水管線，管溝開挖料作為管基鋪墊和管溝回填土料，不僅減少了棄渣，達到對開挖料的循環(huán)利用，也節(jié)約了外借土料造成的能源消耗。石料和混凝土骨料料場在工程區(qū)附近分布較廣，且大多為正在開采料場，本工程采用外購方式獲得，不存在砂石加工系統(tǒng)建設(shè)和運轉(zhuǎn)能耗。

4)混凝土拌和系統(tǒng)布置距離施工點較近，在保證砼質(zhì)量的同時降低了運輸能耗。砼系統(tǒng)除延水關(guān)1級站集中布設(shè)1座混凝土拌合樓外，其余泵站及管線、隧洞均采用移動式砼拌和機。

5)整體工程用風(fēng)較為分散，在距工作面較近位置設(shè)置供風(fēng)系統(tǒng)，以減少因供風(fēng)距離太長而造成的的損失。1級泵站及各隧洞進出口采用集中供風(fēng)，其余各施工工區(qū)采用移動式空壓機供風(fēng)。

6)施工用電主要采用電網(wǎng)供電，為減少線路架設(shè)工程量，減少線路損耗，輸電線路采取永臨結(jié)合就近接引的原則。

7)通過土石方挖填平衡計算，合理利用開挖方，盡量減少施工過程中的能耗。棄渣結(jié)合造田棄于線路附近溝道或河灘階地上，工程竣工后人工復(fù)墾和綠化，達到修復(fù)、維護生態(tài)的作用。

2.4.2 工程施工

1)施工導(dǎo)流。根據(jù)各工程建筑物布置特點、河道特性、施工進度安排等采用不同的導(dǎo)流方式。延水關(guān)泵站全年施工，取水口位于黃河干流，河床寬闊，采用縱向圍堰擋水、束窄河道過流的導(dǎo)流方式;柏樹坬泵站枯水期施工，導(dǎo)流流量小，采用預(yù)留巖坎擋水，河道過流的導(dǎo)流方式;高家灣泵站、新舍古泵站、禹居六級泵站、永坪七級泵站安排在枯水期施工，施工不考慮導(dǎo)流問題。輸水管線跨河建筑物河道流量小時采用圍堰全斷面擋水、鋼筋砼管過流，河道流量大河床較寬時，采用分期導(dǎo)流。水庫工程導(dǎo)流采用河道一次攔斷，導(dǎo)流泄洪洞過流的導(dǎo)流方式。不同的導(dǎo)流方式不僅保證了各個單項工程的干場施工，同時減少了導(dǎo)流工程量，降低了導(dǎo)流工程投資。

河床砂礫石豐富，本著充分利用當?shù)夭牧?，方便施工的?yōu)點，圍堰型式選用土石圍堰。水庫大壩導(dǎo)流洞結(jié)合泄洪洞布置，施工期作為導(dǎo)流洞使用，工程運用期為泄洪洞，減少臨時工程量和投資。

2)主體工程施工方法。取水工程土方由1.0 m3挖掘機挖裝，局部人工開挖，用于回填的開挖料就近堆放，棄渣用10 t自卸汽車運至渣場。砼用0.8 m3的強制式攪拌機拌和，清澗河取水樞紐推車運料人工入倉，施工方法節(jié)電、簡單。黃河延水關(guān)取水樞紐自卸汽車運料砼吊罐入倉，施工機械化程度高，砼施工進度快。

輸水管線施工為常規(guī)方法，挖、裝、運及碾壓設(shè)備匹配合理，施工中在工程全線預(yù)先進行挖填量計算，實現(xiàn)區(qū)內(nèi)調(diào)配平衡，以減少運距和棄渣量。輸水管線穿越延安－延川高速處，采用頂管法施工，開挖工程量減少，避免了管線施工對高速路交通的干擾。

隧洞工程洞室采用全斷面一次開挖成型，土洞開挖以人工為主、機械為輔。格柵拱架支護，砼噴護緊隨開挖。石洞開挖采用手風(fēng)鉆鉆孔，人工裝藥爆破。砼襯砌模板及支撐采用廠制定型鋼模板，確保砼結(jié)構(gòu)外形尺寸準確，并有足夠的密封性，以免漏漿。

3)節(jié)能降耗措施。

(1)施工時加強風(fēng)管與空壓機、鉆機連接處的密封措施并定時檢查，避免漏風(fēng)，盡量減少鉆機沒有工作時空壓機空轉(zhuǎn)的工況。

(2)對于爆破作業(yè)，要求做爆破生產(chǎn)實驗，優(yōu)化爆破參數(shù)(如:施工的布孔和裝藥量、堵塞長度等)，減少鉆孔設(shè)備的施工臺班和炸藥的用量，從而達到節(jié)能降耗的目的。

(3)為減少物料的二次轉(zhuǎn)運和占地，設(shè)計中充分考慮開挖物料的巖性和開挖時段，做好土石方平衡調(diào)配規(guī)劃，協(xié)調(diào)施工進度和合理充分利用開挖物料，以降低成本。

(4)選擇運輸設(shè)備的數(shù)量與采裝設(shè)備的采裝強度相適宜，避免出現(xiàn)車輛過多空車等待，或車輛數(shù)量不夠產(chǎn)生裝載機或挖掘機等待的情況，從而減少可以避免的能源消耗。

(5)優(yōu)化混凝土施工技術(shù)及工藝，縮短施工設(shè)備各工序的工作循環(huán)時間及見減少施工設(shè)備的施工次數(shù)，以提高施工機械的施工效率，達到節(jié)能降耗的目的。

(6)為減少漿液的輸送距離和損耗量，設(shè)計中考慮灌漿施工時將制漿設(shè)備放在離需灌漿部位較近的位置，以節(jié)能降耗。

3 能耗分析

3.1 施工期能耗

施工期的主要耗能項目集中在工程量較大的土石方開挖工程、砼澆筑工程和施工輔助企業(yè);主要耗能設(shè)備為鉆孔設(shè)備、運輸設(shè)備、挖裝設(shè)備、及施工工廠的機械設(shè)備，而生產(chǎn)性房屋、倉庫及生活設(shè)施的能耗相對較少。通過分析計算施工期總能耗:耗油 10 728.51 t，耗電 560.22 萬 kw·h，折算標準煤 15 857.77 t。

3.2 運行期能耗

運行期耗能設(shè)備主要為:取水樞紐金屬結(jié)構(gòu)配套啟閉機、電氣設(shè)備、加壓泵站水泵及電機機組等。工程運行期耗能種類主要是電能。運行期總能耗:年耗電15 813萬 kw·h，折算標準煤 63 884 t。

延安引黃供水工程項目消耗的各類能源折合標準煤257.12萬 t(運行期按40年計)，綜合能耗指標為576 kg標準煤/萬元，滿足陜西省單位GDP能耗目標為0.73 t標準煤/萬元的要求。

4 結(jié)語

延安引黃供水工程為引調(diào)水工程，是清潔能源工程，無環(huán)境污染、成本低，是國家公益性工程，是關(guān)系國計民生的重點工程。工程規(guī)劃推進水能資源優(yōu)化開發(fā)利用和合理配置，合理選擇工程總體布置形式、優(yōu)化布置方案，合理選擇泵站布置型式，合理選擇機電及金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，合理選擇施工總體布置，優(yōu)化施工方法，減少施工能耗和棄渣，優(yōu)化工程調(diào)度及機組運行方式，達到節(jié)能降耗的目標。按照水利工程節(jié)能設(shè)計原則、思路，通過分項節(jié)能設(shè)計、能耗分析，工程完全符合國家、地方和水利、建筑、電力等各行業(yè)的節(jié)能要求。本工程節(jié)能設(shè)計思路和方法可供類似工程借鑒和參考。

［1］水利水電工程節(jié)能設(shè)計規(guī)范(GB/T50649－2011).

［2］水利水電工程初步設(shè)計報告編制規(guī)程(DL5021－93).

［3］綜合能耗計算通則(GB/T2589—2008).