沙灣水電站消防供水系統的優化設計

張雅娟，夏飛，李友安

(四川圣達水電開發有限公司，四川樂山 614900)

1 概述

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區葫蘆鎮，為大渡河干流下游梯級開發中的第一級，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，安裝4臺單機容量為120 MW 的軸流轉槳式機組，總裝機容量480 MW，屬國家大(二)型規模電站。

沙灣水電站消防用水取自于閘壩上游420 m的取水口，經兩臺全自動濾水器過濾送至輔助設備廊道的消防清水池，再由兩臺消防水泵抽至壩頂的消防水箱。消防用水由消防水箱抽出來后，再經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，形成消防水系統環網;同時，將兩臺消防變頻調速水泵、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環網。隔膜式氣壓供水罐接入0.5～0.7 MPa 的低壓氣，用以調節消防水系統的正常使用壓力;變頻調速水泵提供正常的消防系統用水。當廠房內發生火災、消防聯動控制器動作時，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，最終導致變頻電機燒毀的設備障礙，嚴重影響電力安全生產。為此，筆者重新分配了消防用水并優化設計了消防水池，對沙灣水電站的消防水系統進行了優化設計。分析表明:經過優化設計后，消防供水能耗大大降低，可靠性得到較大提升，取得的成功經驗可為其他類似電站消防供水設計提供參考。

2 沙灣水電站消防供水系統存在的缺陷

沙灣水電站消防供水取自上游庫區，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管網供水。若遇火災啟動時，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，消防供水系統取自兩路水源:一路來自壩區消防水箱，另一路來自變頻泵(火災時來自消防泵)，兩路水源互為備用。在消防系統日常運行中，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安裝逆止閥，故在正常狀況下，消防供水系統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配置是出于安全考慮，意在使整個消防系統在全廠失電的狀況下亦能在一定的時間內維持消防供水。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，消防管網壓力將會不停的變化;而消防變頻泵作為正常狀態下維持消防管網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存在設備使用不合理，設備可靠性較差，消防供水系統能耗大、能效低等缺陷，造成了消防供水系統整體可靠性降低，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的改造設計

正是由于沙灣水電站消防供水系統存在上述問題，且在實際運行過程中，這些問題也均一一顯現。為此，筆者提出了沙灣水電站消防供水系統的改造方案。改造方案主要源于三方面考慮:第一，改變原消防供水系統不合理的供水布局;第二，采用新型消防水壓系統替代消防變頻水泵維持消防管網系統的壓力;第三，改變消防清水池的設計，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進行了合理化配置(圖2)。

圖2 沙灣水電站消防供水系統合理化配置圖

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;而消防系統管網壓力將由消防主供水系統提供(具體提供設備后述)。當遇火災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，以實現兩路消防水的冗余供水效應。

3.2 新型消防水壓維持系統的設計

在沙灣水電站原有的消防供水系統的日常運行中，采用兩臺變頻泵維持消防系統管網的壓力，采用隔膜式氣壓供水罐調節消防水系統的正常使用壓力。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實效果并不明顯。為此，筆者提出了新型消防水壓維持系統的設計方案，其基本工作原理如圖3所示。

新型消防水壓維持系統通過連接低壓氣系統維持所需的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，以維持系統所需的基本用水。當火災事故發生導致用水量較大時，則采用大功率消防泵為管網供水，這時壓力水罐即充當隔膜式氣壓供水罐的角色，調節消防水系統的正常使用壓力。

3.3 封閉式消防清水池的設計

圖3 新型消防水壓系統工作原理圖

沙灣水電站消防供水系統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，消防管網的取水高程由消防清水池浮球開關安裝位置(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節，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

筆者針對沙灣水電站現有消防供水系統的運行缺陷，提出了優化改造方案，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工作原理圖

4.1 消防供水系統改造前后能耗分析

4.1.1 原消防供水系統的能耗

改造前，消防系統的能耗主要來源于將消防清水池內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水源重力勢能的增加計算。根據運行統計數據可知，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的日能耗為18 MJ。由此可知，消防供水系統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的優勢分析

經過改造后的消防供水系統具有較明顯的優勢，具體為:

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

(2)投資小。由于改造后消防供水系統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的投資。

(3)可靠性高。由于采用了新型水壓系統，替代了傳統的、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)水壓穩定。傳統消防供水系統采用變頻泵維持管網壓力，在每次兩臺變頻泵切換時，必然會造成消防管網壓力波動，而新型水壓系統采用水位控制泵的啟停且壓力水罐連通低壓氣系統，使消防管網壓力能夠始終維持在0.67 MPa，可以保證水壓更加穩定。

5 結語

沙灣水電站原消防供水系統設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、新型水壓系統和封閉式清水池的設計，對原供水系統進行了綜合改造。通過分析可知，改造后的消防供水系統具有能耗低、可靠性高、水壓穩定、投資低等明顯優勢，該設計方案可在今后的消防供水系統中推廣。

［1］劉朝華，楊飛.水電站消防供水系統設計探討［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.