黃家灣灌區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)設(shè)計布置

謝晨希， 吳擎文2，何偉

1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002；2.貴州省水利投資(集團(tuán))有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002

1 概論

黃家灣水利樞紐工程是以城鄉(xiāng)生活用水、工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主要任務(wù)，并結(jié)合發(fā)電綜合利用的水利工程。工程規(guī)模為大(二)型工程，水庫正常蓄水位1 055 m，死水位1 035 m，正常蓄水位庫容1.44億m3，死庫容0.56億m3，興利庫容0.87億m3，總庫容1.57億m3。

黃家灣工程供水灌溉工程用水全部從黃家灣水庫取水，解決紫云縣城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水及農(nóng)業(yè)灌溉用水問題。供水、灌溉工程由1條干渠、3條支渠、2條鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管線和1條貓營工業(yè)園專用供水管線及泵站等渠系建筑物組成。

由于黃家灣灌區(qū)部分地區(qū)地理位置偏遠(yuǎn)、交通不便等，針對輸水工程上的閘(閥)門等設(shè)備用電負(fù)荷較小，使用頻次較低，單次運行時間較短等特點，采用風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)能夠為輸水工程各用電點位的設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電力能源，解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)用電設(shè)備供電難的問題。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在輸水工程中應(yīng)用研究工作的開展實施，可有效彌補(bǔ)輸水工程建設(shè)及管理上的一個短板，不但解決金結(jié)設(shè)備及信息采集設(shè)備的供電問題、還可進(jìn)行遠(yuǎn)端控制，采集數(shù)據(jù)實時上傳，使得工程質(zhì)量得到提高。

2 黃家灣灌區(qū)金結(jié)風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)典型設(shè)計布置

灌區(qū)金結(jié)風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)由金結(jié)傳統(tǒng)設(shè)備與風(fēng)光互補(bǔ)直流供電系統(tǒng)組成。在水利系統(tǒng)灌區(qū)中金結(jié)設(shè)備通常有鋼閘門、鑄鐵閘門、閥門及相應(yīng)啟閉設(shè)備等。通過閘門、閥門的開啟關(guān)閉控制水流，達(dá)到調(diào)節(jié)管控灌區(qū)的目的。

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)由太陽能光伏電池板及光伏控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及風(fēng)電控制系統(tǒng)、PLC編程控制箱、儲能蓄電池組及BMS電池管理系統(tǒng)、大功率直流電機(jī)及控制系統(tǒng)(直流閥門電動裝置及直流啟閉機(jī))、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流量采集系統(tǒng)、安裝托架塔桿以及各耗電設(shè)備的所有線纜等附屬設(shè)備組成。

整套金結(jié)風(fēng)光互補(bǔ)直流系統(tǒng)中包含了在傳統(tǒng)灌區(qū)中金結(jié)設(shè)備的功能需求，不僅能滿足常規(guī)對于金結(jié)設(shè)備的啟閉控制，還能對金結(jié)設(shè)備點位進(jìn)行流量監(jiān)測、水位監(jiān)測、視頻監(jiān)控及安防報警系統(tǒng)等適應(yīng)于灌區(qū)運行管理的設(shè)備。同時所有設(shè)備還能夠通過無線通信系統(tǒng)在控制室里對點位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程控制，極大提升了灌區(qū)的自動化信息化程度。

以黃家灣水利樞紐供水灌溉工程項目的基礎(chǔ)要求，結(jié)合實際情況，灌區(qū)工程的實際安裝運行工況有三種典型金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計布置具體各點位布置如表1。

表1 設(shè)計特征參數(shù)表

2.1 風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)控制的鋼閘門

松白支渠1#渠道的節(jié)制閘，該節(jié)制閘前后均為鋼筋混凝土箱涵渠道，矩形斷面，凈斷面尺寸為2.10 m×1.80 m，設(shè)計水深1.17 m，加大水深1.24 m，設(shè)計流量2.48 m3/s，加大流量2.66 m3/s。在渠道處設(shè)置1扇檢修閘門，底檻高程為1 026.39 m，閘門的孔口尺寸為2.10 m×1.60 m(寬×高)，設(shè)計水頭為1.30 m，總水壓力40 kN。閘門為露頂式平面定輪鋼閘門，主支承采用懸臂輪。閘門的運行方式為動水啟閉，閘門采用上游面板上游止水形式，利用門體自重閉門，啟閉機(jī)選用QP125kN-8 m的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)安裝高程為1 031.69 m，單吊點，啟門容量為125 kN，揚(yáng)程 8 m。該閘門在渠道建筑物進(jìn)行維護(hù)檢修或出現(xiàn)事故時閘門閉門阻斷水流，在事故處理完畢或維護(hù)檢修完成后，再將閘門開啟。該閘門平時鎖定于檢修平臺(1 028.39 m)上，處于開啟狀態(tài)。上部需設(shè)置柵蓋及欄桿以保證工作人員安全。閘門采用的啟閉設(shè)備為QP2×80kN-8 m卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，操作方式為電動，電機(jī)功率為7.50 kW。卷揚(yáng)機(jī)為該點位功率最大的用電設(shè)備。閘門為對該點位水位進(jìn)行監(jiān)控設(shè)置有1套水位儀，設(shè)置一套閘門開度儀檢測砸門開啟關(guān)閉時的開度情況，儀器數(shù)據(jù)實施上傳。同時為實時在遠(yuǎn)端監(jiān)控閘門點位情況設(shè)置一套視頻監(jiān)控攝像儀。所有信息數(shù)據(jù)通過該閘門點位設(shè)置的無線通信模塊上傳，并在遠(yuǎn)端操控閘門。出于安全保障的原因設(shè)置一套安防報警設(shè)備。松白支渠1#點位配置如表2。

表2 松白支渠1#點位設(shè)計特征參數(shù)表

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)螺旋桿啟閉機(jī)控制的鑄鐵閘門

新田倒虹管進(jìn)口段的攔污柵、檢修閘門，位于水宗支渠5#渠道末端所接的新田倒虹管進(jìn)口，樁號為水宗支7+558.108 m，該樁號往前為明渠，梯形斷面，凈斷面尺寸為1 m×1.25 m，設(shè)計水深0.68 m，加大水深0.80 m，設(shè)計流量0.60 m3/s，加大流量0.76 m3/s，該樁號往后為新田倒虹管進(jìn)口段，總長13.80 m，依次分為漸變段、沉沙池、控制段和連接段，控制段長4.50 m，設(shè)攔污柵和檢修閘門，凈斷面尺寸為2 m×1.25 m(寬×高)，在渠道處設(shè)置1扇檢修閘門，底檻高程為1 026.39 m，閘門的孔口尺寸為2.00 m×1.20 m(寬×高)，設(shè)計水頭為1.00 m，總水壓力18.20 kN。閘門為鑄鐵閘門。閘門的運行方式為動水啟閉，啟閉機(jī)選用1套規(guī)格型號為LQ50/30kN-3 m的直流電動裝置螺桿機(jī)，啟閉機(jī)安裝高程為1 108.14 m，單吊點，啟門容量為50 kN，閉門容量為30 kN，揚(yáng)程3 m。該閘門在渠道建筑物進(jìn)行維護(hù)檢修工作或出現(xiàn)事故時閘門閉門阻斷水流，在事故處理完畢或維護(hù)檢修完成后，再將閘門開啟。該閘門平時鎖定于檢修平臺(1 105.04 m)上，處于開啟狀態(tài)。上部需設(shè)置柵蓋及欄桿以保證工作人員安全。閘門采用的啟閉設(shè)備為LQ50 kN/30 kN-3 m螺桿啟閉機(jī)，操作方式為電動，電機(jī)功率為7.50 kW。閘門為對該點位水位進(jìn)行監(jiān)控設(shè)置有1套水位儀，同時為實時在遠(yuǎn)端監(jiān)控閘門點位情況設(shè)置一套視頻監(jiān)控攝像儀和一套安防報警設(shè)備。新田倒虹管點位配置如表3。

表3 新田倒虹管點位設(shè)計特征參數(shù)表

2.3 風(fēng)光互補(bǔ)自供電智能測控系統(tǒng)控制閥門

水宗后段管道(二)樁號1+528.629 m處，設(shè)置有一根DN200 mm的分水管，分水流量0.30×10-2m3/s，在分水管進(jìn)口處設(shè)置1套分水閥，采用1套彈性座封閘閥，閘閥安裝高程(管中心線高程)為1 046.44 m，設(shè)計水頭為56 m(考慮1.50倍水錘系數(shù))，閘閥規(guī)格為DN200 mm-1.00 MPa，可以通過手動及電動兩種方式進(jìn)行操控，功率為0.55 kW。閥門平時處于開啟狀態(tài)進(jìn)行分水工作，當(dāng)分水管后不需要分水或管道需要檢修時，關(guān)閉閥門。為便于閘閥的安裝、拆卸及檢修等，在閘閥下游設(shè)置有1套法蘭式管道伸縮節(jié)。為便于實時遠(yuǎn)程查看閘門點的情況設(shè)置一套視頻監(jiān)控攝像儀。為便于進(jìn)行遠(yuǎn)程操控在該閘門點位設(shè)置一套無線通信模塊，同時出于安全保障的原因設(shè)置一套安防報警設(shè)備。水宗后段管道(二)點位配置如表4。

表4 水宗后段管道(二)點位設(shè)計特征參數(shù)表

3 結(jié)語

隨著水利工程發(fā)展和水利自動化要求不斷地提高，對遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋地區(qū)的管道供水、渠道供水運行控制的設(shè)備及信息采集，都需要低成本、可靠性的獨立供電系統(tǒng)。研究風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)能夠為輸水工程提供低成本、可靠的電力。同時還能對用電設(shè)備金屬集中供電，滿足各種用電設(shè)備的要求。在傳統(tǒng)設(shè)計中只是操控金結(jié)設(shè)備基礎(chǔ)上加入信息采集系統(tǒng)，并能遠(yuǎn)程操控管理，極大提升了灌區(qū)的信息化程度。若對風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)在輸水工程中的應(yīng)用研究成功將有效彌補(bǔ)輸水工程建設(shè)及管理上的一個短板，推動綠色發(fā)展，謀求更佳質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。