沙灣水電站消防供水系統的優化設計

向春見

(大唐觀音巖水電開發有限公司，四川 攀枝花617012)

1 沙灣水電站消防供水系統缺陷

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安裝逆止閥，所以在正常狀況下，消防供水系統僅僅取自變頻泵供水一條支路。

沙灣電站此種消防系統的配置是出于安全考慮，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，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存的設備使用不合理，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改造設計

改造方案包括以下三方面：第一，改變原消防供水系統不合理的供水布局；第二，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壓力；第三，改變消防清水池的設計，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，以實現兩路消防水的冗余供水效應。

2.2 新型消防水壓維持系統的設計

在沙灣電站消防供水系統日常運行中，采用兩臺變頻泵維持消防系統管網壓力，采用隔膜式氣壓供水罐調節消防水系統的正常使用壓力。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，作者設計了新型消防水壓維持系統，其基本工作原理如圖1 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，這時壓力水罐就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。

2.3 封閉式消防清水池的設計

沙灣水電站消防供水系統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計。其基本原理如圖1 所示。

上游庫區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，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（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節，上游來水重力勢能得到充分利用。

3 改造后消防供水系統分析

筆者針對沙灣電站現有消防供水系統的運行缺陷，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 消防供水系統改造前后能耗分析

3.1.1 原消防供水系統能耗

改造之前，消防系統能耗主要來源于將消防清水池內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水源重力勢能的增加來計算。經統計，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 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日能耗為18MJ。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。

3.2 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以下優勢：

（1）能耗低。通過分析已知，消防供水系統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的初投資。

（3）可靠性高。由于新型水壓系統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）水壓穩定。傳統消防供水系統采用變頻泵維持管網壓力，變頻泵切換時，必然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0.67MPa，水壓更加穩定。

4 結語

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等改造措施。降低了消防供水系統能耗、提高了可靠性，消防系統水壓穩定，初投資低等優勢，這種設計可在以后的消防供水系統中推廣。