张雅娟，夏飞，李友安

(四川圣达水电开发有限公司，四川乐山 614900)

1 概述

沙湾水电站位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇，为大渡河干流下游梯级开发中的第一级，距上游已建的铜街子水电站11.5 km，距乐山市区约44.5 km。电站采用一级混合式(河床式厂房加长尾水渠)开发，安装4台单机容量为120 MW 的轴流转桨式机组，总装机容量480 MW，属国家大(二)型规模电站。

沙湾水电站消防用水取自于闸坝上游420 m的取水口，经两台全自动滤水器过滤送至辅助设备廊道的消防清水池，再由两台消防水泵抽至坝顶的消防水箱。消防用水由消防水箱抽出来后，再经消防阀门供给全厂各层的消防栓、机组雨淋阀、主变雨淋阀、油库、检修排水泵润滑水、渗漏排水泵润滑水、机组备用主轴密封水和生活用水，形成消防水系统环网;同时，将两台消防变频调速水泵、三台消防泵以及隔膜式气压供水罐接于水轮机层的消防水系统环网。隔膜式气压供水罐接入0.5～0.7 MPa 的低压气，用以调节消防水系统的正常使用压力;变频调速水泵提供正常的消防系统用水。当厂房内发生火灾、消防联动控制器动作时，启动消防泵用以供给雨淋阀所需的大量用水。在沙湾水电站实际运行过程中，由于正常的消防用水动力仅来源于消防变频泵，故沙湾水电站的消防变频泵一直处于两泵轮换的不间断运行状态，最终导致变频电机烧毁的设备障碍，严重影响电力安全生产。为此，笔者重新分配了消防用水并优化设计了消防水池，对沙湾水电站的消防水系统进行了优化设计。分析表明:经过优化设计后，消防供水能耗大大降低，可靠性得到较大提升，取得的成功经验可为其他类似电站消防供水设计提供参考。

2 沙湾水电站消防供水系统存在的缺陷

沙湾水电站消防供水取自上游库区，通过两台消防滤水器过滤后，再通过浮动球阀自动控制过滤水进入消防清水池。消防清水池作为消防供水的总供水水源，分别通过两台定频泵给消防水箱供水，两台变频泵给消防系统管网供水。若遇火灾启动时，由三台额定流量为180 m3/h 的定频泵运行提供足够的消防用水。消防供水过程如图1所示。

由图1可以看出，消防供水系统取自两路水源:一路来自坝区消防水箱，另一路来自变频泵(火灾时来自消防泵)，两路水源互为备用。在消防系统日常运行中，由于消防变频泵所提供的水压力为0.67 MPa，而消防水箱提供的压力完全来自于水的自重，用水压力完全由用水处的高程决定，通常情况下仅为0.1～0.3 MPa，且在消防水箱出水侧安装逆止阀，故在正常状况下，消防供水系统仅仅取自变频泵供水一条支路。

沙湾水电站的这种消防系统配置是出于安全考虑，意在使整个消防系统在全厂失电的状况下亦能在一定的时间内维持消防供水。但是，这种配置确实不尽合理，主要有以下两点:

图1 沙湾水电站消防系统布置示意图

(1)消防变频水泵运行时间过长，可靠性较差。在日常运行过程中，由于机组主轴密封用水、生活用水、深井泵润滑用水均取自消防供水系统，消防管网压力将会不停的变化;而消防变频泵作为正常状态下维持消防管网压力的唯一动力来源将会不停地工作。由于沙湾水电站仅有两台消防变频水泵，所以，每天每台泵的工作时间均为12 h，并且由于两台泵的来回切换，将会造成其寿命大大降低。实际情况是:沙湾水电站的两台变频泵在投运两年之后均因达到寿命极限而烧毁。

(2)消防供水能耗大、能效低。在日常的消防供水过程中，消防供水用户的能量来源均为两台变频泵，因此，这种供水方式是一种低效、高能耗的供水方式。首先，消防用水取自上游，在通过消防滤水器送至消防清水池之后，再由变频泵将消防清水池内的水源送至用户，这种供水方式并未充分利用水自身所携带的重力势能，能耗较大;其次，除消防管网需维持0.67 MPa 的压力以外，其他消防水用户均无此压力要求，所以，在实际供水过程中出现了升压、再降压的能量浪费过程。例如，机组主轴密封水水压必须维持在0.05～0.2 MPa 之间，压力过大会造成主轴密封烧毁事故，故在使用初始压力为0.67 MPa 的消防水时，还必须先通过减压阀进行降压，这种过程造成了极大的能量损耗。

总之，沙湾水电站消防供水系统存在设备使用不合理，设备可靠性较差，消防供水系统能耗大、能效低等缺陷，造成了消防供水系统整体可靠性降低，不利于水电站的安全高效运行。

3 沙湾水电站消防供水系统的改造设计

正是由于沙湾水电站消防供水系统存在上述问题，且在实际运行过程中，这些问题也均一一显现。为此，笔者提出了沙湾水电站消防供水系统的改造方案。改造方案主要源于三方面考虑:第一，改变原消防供水系统不合理的供水布局;第二，采用新型消防水压系统替代消防变频水泵维持消防管网系统的压力;第三，改变消防清水池的设计，充分利用上游水源自身的重力势能。具体方案如下所述。

3.1 沙湾水电站消防用水的合理化配置

通过以上分析可知，沙湾水电站消防供水系统在日常运行过程中并未充分利用消防水箱，而使用的是效率较低的变频水泵，并且消防供水的日常用户并不需要0.67 MPa 压力的消防水。为此，笔者对沙湾水电站消防用水系统进行了合理化配置(图2)。

图2 沙湾水电站消防供水系统合理化配置图

由图2可知，在正常状况下，消防供水切换阀处于全关位置，日常消防供水用户以消防水箱消防水作为主用水源;而消防系统管网压力将由消防主供水系统提供(具体提供设备后述)。当遇火灾事故或消防水箱水位过低时，消防供水切换阀将自动(手动)开启，以实现两路消防水的冗余供水效应。

3.2 新型消防水压维持系统的设计

在沙湾水电站原有的消防供水系统的日常运行中，采用两台变频泵维持消防系统管网的压力，采用隔膜式气压供水罐调节消防水系统的正常使用压力。然而，在实际运行过程中，这种配置往往造成变频泵长时间运行且隔膜式气压供水罐的现实效果并不明显。为此，笔者提出了新型消防水压维持系统的设计方案，其基本工作原理如图3所示。

新型消防水压维持系统通过连接低压气系统维持所需的0.67 MPa 的压力，并通过压力水罐的水位控制消防维压水泵的启停，以维持系统所需的基本用水。当火灾事故发生导致用水量较大时，则采用大功率消防泵为管网供水，这时压力水罐即充当隔膜式气压供水罐的角色，调节消防水系统的正常使用压力。

3.3 封闭式消防清水池的设计

图3 新型消防水压系统工作原理图

沙湾水电站消防供水系统的水源取自闸坝上游(432 m)，通过两台消防滤水器过滤后进入消防清水池，再由消防清水池作为消防供水的水源供给消防水用户。由于消防清水池的水位仅为高程406 m，所以，在实际运行过程中并未充分利用上游来水的重力势能，存在极大的能量浪费。为此，笔者提出了封闭式消防清水池的设计方案。其基本原理如图4所示。

图4 封闭式正压消防清水池工作原理图

在消防供水系统正常运行期间，消防水的上游取水将会沿图4中箭头所示方向通过消防滤水器流至封闭式正压消防清水池。由于封闭式正压消防清水池处于密封状态，消防管网的取水高程由消防清水池浮球开关安装位置(高程405.5 m)上升至高程432 m，除去扬程损失，取水高程提高约25 m。管网正常用水时，由上游所取的消防水将会不断流向封闭式正压清水池，流水不断挤压封闭式正压清水池上方的空气，形成正压空气。此时，封闭式正压清水池仅相当于连通器的中间环节，从而使上游来水的重力势能得到充分利用。

4 改造后的消防供水系统

笔者针对沙湾水电站现有消防供水系统的运行缺陷，提出了优化改造方案，改造后的整体效果如图5所示。

图5 改造后的消防供水系统工作原理图

4.1 消防供水系统改造前后能耗分析

4.1.1 原消防供水系统的能耗

改造前，消防系统的能耗主要来源于将消防清水池内的水源提升至所需要的高度和达到需要压力而消耗的变频泵的电能，其可以近似利用所供应水源重力势能的增加计算。根据运行统计数据可知，沙湾水电站每日平均消防用水量为360 m3。采用重力势能计算公式:E=m·g·h(式中 g 为重力加速度，取10;h 为抽水的高度，由于变频泵始终是将水压保持在0.67 MPa，等价于h 为67 m)进行计算，可求得改造之前日常消防供水能耗约为241.2 MJ。

4.1.2 改造后消防供水系统的能耗

改造后，日常消防用水全部来自于消防水箱。由于采用了封闭式消防清水池，可以等价于直接从前池(高程432 m)抽水至消防水箱(高程437 m)，则h 仅为5 m。由公式可计算求得改造后消防系统的日能耗为18 MJ。由此可知，消防供水系统改造后能耗约为改造前的十三分之一，能耗大大降低。

4.2 改造后消防供水系统的优势分析

经过改造后的消防供水系统具有较明显的优势，具体为:

(1)能耗低。通过上述能耗对比分析可知，消防供水系统改造后能耗约为改造前的十三分之一，节能效果明显。

(2)投资小。由于改造后消防供水系统的压力仅使用定频泵维持，而不再使用价格昂贵的变频泵，且压力水罐同时具备了传统隔膜式气压供水罐所具有的功能，不再需要隔膜式气压供水罐，因此而在一定程度上减少了消防供水系统的投资。

(3)可靠性高。由于采用了新型水压系统，替代了传统的、一直不停运行的变频泵，从而大大增加了消防供水的可靠性。

(4)水压稳定。传统消防供水系统采用变频泵维持管网压力，在每次两台变频泵切换时，必然会造成消防管网压力波动，而新型水压系统采用水位控制泵的启停且压力水罐连通低压气系统，使消防管网压力能够始终维持在0.67 MPa，可以保证水压更加稳定。

5 结语

沙湾水电站原消防供水系统设计存在一定的不合理性，在实际运行过程中，由于变频泵运行时间过长，多次出现变频泵烧毁事故，严重影响了电站消防供水安全，且因原供水系统存在能耗大，能效低等问题，为此，笔者通过消防水用户的合理化配置、新型水压系统和封闭式清水池的设计，对原供水系统进行了综合改造。通过分析可知，改造后的消防供水系统具有能耗低、可靠性高、水压稳定、投资低等明显优势，该设计方案可在今后的消防供水系统中推广。

［1］刘朝华，杨飞.水电站消防供水系统设计探讨［J］.人民长江，2009，40(2):91-92.

［2］童钧耕.工程热力学［M］.北京:高等教育出版社，2009.