王 莉

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710001)

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)約能源、促進(jìn)能源的合理和有效利用，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義，推進(jìn)水利工程節(jié)能工作是水利事業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展方式的一項(xiàng)重要任務(wù)。節(jié)能設(shè)計(jì)是水利工程設(shè)計(jì)中一個(gè)全新的課題，根據(jù)國(guó)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(diǎn)，從工程規(guī)劃與總體布置、主要建筑物、機(jī)電設(shè)備及施工等方面進(jìn)行分項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)，選取工程節(jié)能技術(shù)措施，根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)成果，對(duì)工程運(yùn)行期和施工期進(jìn)行能耗分析，確定工程項(xiàng)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(jí)加壓，雙庫(kù)調(diào)節(jié)，向延安市城區(qū)和延長(zhǎng)、延川、子長(zhǎng)、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(zhǎng)距離引水工程。工程引水線(xiàn)路穿越延安市寶塔區(qū)、延川縣、延長(zhǎng)縣、子長(zhǎng)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(xiàn)、水庫(kù)及凈水廠(chǎng)。工程設(shè)計(jì)水平年為2020年，總?cè)∷繛? 977萬(wàn) m3，工程設(shè)計(jì)最高日取水量為36.23萬(wàn) m3/d，最高日凈供水量為24.85萬(wàn) m3/d。

2 節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1 工程規(guī)劃與總布置節(jié)能設(shè)計(jì)

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(kāi)采難度大，地表水水源(除黃河水外)不滿(mǎn)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(yáng)程要比從黃河抽水總揚(yáng)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(kù)、康家溝事故應(yīng)急水庫(kù)作為調(diào)蓄水源，既保證了供水水量和供水保證率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置。

工程輸水線(xiàn)路布置考慮黃河來(lái)水水質(zhì)、泥沙處理方式、水庫(kù)的調(diào)節(jié)、泵站的運(yùn)行方式以及高速公路的建設(shè)等因素進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整:一是優(yōu)化管線(xiàn)，避免與高速公路交叉的影響;二是通過(guò)優(yōu)化蘆草梁隧洞的布置，降低了工程年運(yùn)行費(fèi)用。線(xiàn)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(yáng)程，精簡(jiǎn)了水廠(chǎng)布置，協(xié)調(diào)了泵站間流量匹配，機(jī)組搭配更加靈活，運(yùn)行方式更加合理。

2.2 主要建筑物節(jié)能設(shè)計(jì)

2.2.1 取水樞紐

延水關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)岸邊閘式、斗槽式兩種取水方案進(jìn)行了布置比較。對(duì)主流靠岸、河道泥沙含量大、冬季冰凍情況嚴(yán)重的黃河河道，選用了閘門(mén)控制、雙向進(jìn)流的斗槽式取水口。該取水口不僅防沙導(dǎo)冰靈活運(yùn)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(kāi)挖施工導(dǎo)流簡(jiǎn)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(yùn)行條件更優(yōu)，投資更省。取消高家灣水廠(chǎng)，減少了水廠(chǎng)部分投資和運(yùn)行費(fèi)用，優(yōu)化了南河水庫(kù)的運(yùn)行方式，大大降低運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)?shù)厥县S富，價(jià)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(xiàn)路總體布置、地質(zhì)地形條件，泵站工程根據(jù)引水線(xiàn)路優(yōu)化調(diào)整后，累計(jì)凈揚(yáng)程降低了34.46 m?？倱P(yáng)程降低了34.15 m，年運(yùn)行電費(fèi)節(jié)省165.78萬(wàn)元。高家灣4級(jí)站采用了壓力進(jìn)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(chǎng)房均采用地面式布置，廠(chǎng)房基坑開(kāi)挖坡面采用砼掛網(wǎng)噴護(hù)坡面，減少基礎(chǔ)開(kāi)挖量。

2.2.3 水廠(chǎng)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(jì)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(chǎng)設(shè)計(jì)采用均質(zhì)濾料濾池，過(guò)濾周期長(zhǎng)，且采用氣水反沖，降低水沖洗強(qiáng)度，節(jié)約沖洗水量;水廠(chǎng)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(duì)沉淀池排泥水濃縮處理后上清液和濾池反沖洗水進(jìn)行回收，最大限度地節(jié)約水資源，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2.4 隧洞

姚家山隧洞線(xiàn)路以最短距離連接水庫(kù)充水管，給南河水庫(kù)充水;石家河段壓力管線(xiàn)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(yùn)行電費(fèi)。

2.2.5 輸水管線(xiàn)

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(yùn)行費(fèi)用等多種因素綜合確定。對(duì)選定的鋼管進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)鋼管壽命。根據(jù)工程所在地區(qū)極低氣溫情況，對(duì)于輸水線(xiàn)路沿線(xiàn)管橋等出露管道及隧洞進(jìn)出口段管道進(jìn)行防凍保護(hù)，以防止管道在靜水狀態(tài)下的管內(nèi)凍結(jié)。管線(xiàn)設(shè)置復(fù)合式排氣閥、排泥泄水閥及檢修閥，三類(lèi)閥井結(jié)合布置，減少閥井個(gè)數(shù)。各類(lèi)閥多選用手動(dòng)，減少電能消耗。

2.3 機(jī)電設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)

2.3.1 水泵

在滿(mǎn)足輸水流量、揚(yáng)程等設(shè)計(jì)參數(shù)等前提下選用高效水泵。通過(guò)機(jī)電設(shè)備組合方案比較選擇最優(yōu)臺(tái)數(shù)，減少水泵的備用率、增加水泵運(yùn)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(jìn)水池、水泵基坑層均采用半挖半填，抬高水泵啟動(dòng)水位，減少水泵啟動(dòng)環(huán)節(jié)的電能消耗。為減少多級(jí)揚(yáng)水泵站級(jí)間流量搭配不合理造成棄水造成能量損失，設(shè)計(jì)采用了變頻調(diào)速裝置技術(shù)。通過(guò)有效調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)流量和提高水泵效率的目的。電動(dòng)機(jī)機(jī)組選用高效節(jié)能YX系列電動(dòng)機(jī)，損耗比Y系列普通電機(jī)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(shí)選擇運(yùn)行在高效范圍的變壓器容量。架空進(jìn)線(xiàn)采用新型絕緣銅管母線(xiàn)，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(fù)荷中心以減少電能損耗，供電線(xiàn)路沿盡可能短的路徑進(jìn)行敷設(shè)。

2.4 施工節(jié)能設(shè)計(jì)

2.4.1 施工總布置

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

2)整個(gè)工程布置基本靠近現(xiàn)有主干道路，對(duì)外交通與各單項(xiàng)工程場(chǎng)內(nèi)交通銜接方便，運(yùn)輸距離較短。臨時(shí)道路施工完畢后恢復(fù)原地貌，減少施工對(duì)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(xiàn)，管溝開(kāi)挖料作為管基鋪墊和管溝回填土料，不僅減少了棄渣，達(dá)到對(duì)開(kāi)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(chǎng)在工程區(qū)附近分布較廣，且大多為正在開(kāi)采料場(chǎng)，本工程采用外購(gòu)方式獲得，不存在砂石加工系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。

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

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(zhǎng)而造成的的損失。1級(jí)泵站及各隧洞進(jìn)出口采用集中供風(fēng)，其余各施工工區(qū)采用移動(dòng)式空壓機(jī)供風(fēng)。

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

7)通過(guò)土石方挖填平衡計(jì)算，合理利用開(kāi)挖方，盡量減少施工過(guò)程中的能耗。棄渣結(jié)合造田棄于線(xiàn)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(dá)到修復(fù)、維護(hù)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(diǎn)、河道特性、施工進(jìn)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(guò)流的導(dǎo)流方式;柏樹(shù)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(guò)流的導(dǎo)流方式;高家灣泵站、新舍古泵站、禹居六級(jí)泵站、永坪七級(jí)泵站安排在枯水期施工，施工不考慮導(dǎo)流問(wèn)題。輸水管線(xiàn)跨河建筑物河道流量小時(shí)采用圍堰全斷面擋水、鋼筋砼管過(guò)流，河道流量大河床較寬時(shí)，采用分期導(dǎo)流。水庫(kù)工程導(dǎo)流采用河道一次攔斷，導(dǎo)流泄洪洞過(guò)流的導(dǎo)流方式。不同的導(dǎo)流方式不僅保證了各個(gè)單項(xiàng)工程的干場(chǎng)施工，同時(shí)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(dāng)?shù)夭牧?，方便施工的?yōu)點(diǎn)，圍堰型式選用土石圍堰。水庫(kù)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(yùn)用期為泄洪洞，減少臨時(shí)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(jī)挖裝，局部人工開(kāi)挖，用于回填的開(kāi)挖料就近堆放，棄渣用10 t自卸汽車(chē)運(yùn)至渣場(chǎng)。砼用0.8 m3的強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌和，清澗河取水樞紐推車(chē)運(yùn)料人工入倉(cāng)，施工方法節(jié)電、簡(jiǎn)單。黃河延水關(guān)取水樞紐自卸汽車(chē)運(yùn)料砼吊罐入倉(cāng)，施工機(jī)械化程度高，砼施工進(jìn)度快。

輸水管線(xiàn)施工為常規(guī)方法，挖、裝、運(yùn)及碾壓設(shè)備匹配合理，施工中在工程全線(xiàn)預(yù)先進(jìn)行挖填量計(jì)算，實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)調(diào)配平衡，以減少運(yùn)距和棄渣量。輸水管線(xiàn)穿越延安－延川高速處，采用頂管法施工，開(kāi)挖工程量減少，避免了管線(xiàn)施工對(duì)高速路交通的干擾。

隧洞工程洞室采用全斷面一次開(kāi)挖成型，土洞開(kāi)挖以人工為主、機(jī)械為輔。格柵拱架支護(hù)，砼噴護(hù)緊隨開(kāi)挖。石洞開(kāi)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(chǎng)制定型鋼模板，確保砼結(jié)構(gòu)外形尺寸準(zhǔn)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(shí)加強(qiáng)風(fēng)管與空壓機(jī)、鉆機(jī)連接處的密封措施并定時(shí)檢查，避免漏風(fēng)，盡量減少鉆機(jī)沒(méi)有工作時(shí)空壓機(jī)空轉(zhuǎn)的工況。

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

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

(4)選擇運(yùn)輸設(shè)備的數(shù)量與采裝設(shè)備的采裝強(qiáng)度相適宜，避免出現(xiàn)車(chē)輛過(guò)多空車(chē)等待，或車(chē)輛數(shù)量不夠產(chǎn)生裝載機(jī)或挖掘機(jī)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(shí)間及見(jiàn)減少施工設(shè)備的施工次數(shù)，以提高施工機(jī)械的施工效率，達(dá)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(jì)中考慮灌漿施工時(shí)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(xiàng)目集中在工程量較大的土石方開(kāi)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(yùn)輸設(shè)備、挖裝設(shè)備、及施工工廠(chǎng)的機(jī)械設(shè)備，而生產(chǎn)性房屋、倉(cāng)庫(kù)及生活設(shè)施的能耗相對(duì)較少。通過(guò)分析計(jì)算施工期總能耗:耗油 10 728.51 t，耗電 560.22 萬(wàn) kw·h，折算標(biāo)準(zhǔn)煤 15 857.77 t。

3.2 運(yùn)行期能耗

運(yùn)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(jī)、電氣設(shè)備、加壓泵站水泵及電機(jī)機(jī)組等。工程運(yùn)行期耗能種類(lèi)主要是電能。運(yùn)行期總能耗:年耗電15 813萬(wàn) kw·h，折算標(biāo)準(zhǔn)煤 63 884 t。

延安引黃供水工程項(xiàng)目消耗的各類(lèi)能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤257.12萬(wàn) t(運(yùn)行期按40年計(jì))，綜合能耗指標(biāo)為576 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，滿(mǎn)足陜西省單位GDP能耗目標(biāo)為0.73 t標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

延安引黃供水工程為引調(diào)水工程，是清潔能源工程，無(wú)環(huán)境污染、成本低，是國(guó)家公益性工程，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)工程。工程規(guī)劃推進(jìn)水能資源優(yōu)化開(kāi)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(jī)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(jī)組運(yùn)行方式，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。按照水利工程節(jié)能設(shè)計(jì)原則、思路，通過(guò)分項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)、能耗分析，工程完全符合國(guó)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(jì)思路和方法可供類(lèi)似工程借鑒和參考。

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

［2］水利水電工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告編制規(guī)程(DL5021－93).

［3］綜合能耗計(jì)算通則(GB/T2589—2008).