淺談錦西烏金塘水源凈水廠的電氣設計

0　概述
　　錦西市(現葫蘆島市)管轄連山區、葫蘆島區、南票區、綏中縣、建昌縣和興城市，總面積10 308km2。目前錦西市的連山區、葫蘆島區和龍灣新建城區的建成區面積為29.2km2，現狀城市人口23.5萬人。現狀總供水量22.1萬m3/d，各大企業自備水源供水量20萬m3/d，市政供水量2.1萬m3/d。市政供水人口15.98萬人(含部分城郊村民)，供水普及率僅為65.2%。
　　錦西市自從成為省轄市以來，原有的城市基礎設施已經滿足不了城市建設發展的需要，城市供水的供需矛盾越來越突出。根據測算：錦西市城區設計當年需水量為4.73萬m3/d，尚缺少2.63萬m3/d；1995年需水6.722萬m3/d，缺水4.622萬m3/d。為了加強該市城市基礎設施建設，經省政府有關部門批準同意從烏金塘水庫引水，興建取水、輸水、凈水和配水工程。
　　該項供水工程的規模為：取水頭部和輸水管道按7萬m3/d(其中2萬m3/d原水供給鋅廠)設計，凈水和配水工程均按5萬m3/d設計，工程內容包括取水頭部泵站從水庫電站輸水洞取水加壓，經過DN1 000、長41.135km輸水管道送至城區東北部的笊笠山上的15 000m3安全調節貯水池，然后依靠重力輸水送到凈水廠，經過水質凈化處理后，加壓送入各配水區管網。對于錦西市這樣新興海濱城市的新建凈水廠而言，水廠廠址如何選擇問題、能否充分利用原有供水設施并以最佳工作狀態與原有給水系統聯合供水，從而形成統一的市政供水系統問題、以及能否通過廠址選擇確定最佳的總體供水系統方案等問題在本工程的設計中顯得至關重要。本文將詳細論述新建水廠廠址方案的優化選擇。

1　新建凈水廠廠址優化選擇
　　新建凈水廠的廠址選擇不僅與原供水設施現狀、主要用水負荷分布、城市總體規劃要求和主要外界條件有關，還與凈水廠的地形標高、設備選型、年動力費用、管理及交通條件、施工條件有關系。根據錦西市總體規劃的布局和城市供水的設計原則，對烏金塘水源供水工程新建凈水廠的位置選擇了兩個廠址方案。第一是玉皇閣水廠方案，它位于連山區和葫蘆島區之間的玉皇閣村錦葫公路北側和錦葫鐵路南側的平坦地帶(大田作物耕地)，水廠占地2.636ha，自然地面標高在海撥7.7m～7.0m之間，該處錦葫公路路面標高為8.23m。為配合錦葫公路設計路面標高和總體規劃要求廠區平均填高0.9m，設計地面標高為8.3m～8.4m之間，二泵站處地面標高為8.4m。該廠址距笊笠山水池管道長度7.676km。二是齊家屯水廠方案，它位于龍灣新區和葫蘆島之間齊家屯的齊茨公路南側的山坡上(大田作物耕地)，自然地面標高(二泵站處)為16m。兩個廠址的自然地面高差8.5m左右。該廠址距笊笠山水池管道長度9.99km。如前所述，笊笠山水池至凈水廠屬于重力輸水，在輸水量相同的條件下，凈水廠位置和地面標高的不同可使該管道的管徑不同，造價也不同。因此這段輸水管線和水廠至各區管網之間的主干線以及配水管網改造一起參加凈水廠廠址選擇中經濟方面的比較。我們著重從管道工程造價，水廠二泵站年動力費用、電力和其它條件以及凈水廠地理位置的優缺點等進行技術經濟的綜合比較。
　　在地理位置方面：玉皇閣水廠比齊家屯水廠有明顯優點。錦西市的城市總體規劃近期規劃為連山、龍灣、葫蘆島區、連灣四個獨立組團。水廠設在玉皇閣(座落在連灣區域內)，具有用水負荷分布均勻，水廠與各區的配水主干線長度相近，符合城市發展規劃要求等優點。按照城市規劃到2000年時，連山區、龍灣區、葫蘆島區用水量分別為2.98萬m3/d、2.7萬m3/d、2.54萬m3/d，而該水廠到以上各區接管點的干線長度分別為3.14km，3.01km、2.899km。這種情況對地勢較平坦的三個區實行統一供水，可使泵站揚程降低，管網壓力比較均勻，不浪費能量。而齊家屯水廠至連山區、龍灣區和葫蘆島區的管道長分別為5.2km、2.70km和3.29km，為解決該市的開發區供水還需增加1.3km管道。該廠址存在用水負荷分布不均，且交通不便，通勤車行車距離長等缺點。
　　在管道工程造價方面：我們根據本工程的特點，將管道工程劃分為三部分進行技術經濟比較，即笊笠山高地水池到凈水廠之間的重力輸水管道工程、凈水廠至三個供水負荷區的配水主干線工程和配水管網必要的改造工程。齊家屯水廠的原水輸水管道穿越城市規劃區，因而增加了2.315km長的城區無效供水管道，此方案輸水管道總長9.99km，其中DN900管道長4.99km、DN800管道5.0km，工程造價747.9萬元，玉皇閣水廠方案輸水管道總長7.676km，其中DN800管道長4.676km、DN700管道長3.0km，工程造價466.4萬元。可見齊家屯水廠方案輸水管道高出281.5萬元。
　　凈水廠至各供水負荷區配水主干線管道工程中，玉皇閣水廠方案需要鋪設DN900～DN500管道，累計長度9.139km，工程造價505.16萬元；齊家屯水廠方案需要鋪設DN900～DN500管道，累計長度12.49km，工程造價681.82萬元。齊家屯比玉皇閣水廠方案高出176.66萬元。
　　各供水負荷區的配水管網改擴建工程是在兩個方案的相同配水量情況下，對原有配水管網進行必要的管道改造和擴建。本設計按1995年和2000年兩個時期的需水量分別進行必要的平差計算，最后確定1995年期的各廠址方案的配水管道的工程量。其中玉皇閣水廠方案需要改造和新鋪設DN600～DN150管道累計長20.928km，工程造價500.32萬元(不含消火栓和破路面費，下同)；齊家屯水廠方案為DN600～DN150管道累計長20.928km，工程造價498.45萬元。兩個方案配水管網改擴建工程量基本相同。
　　年動力費用方面：在凈水廠廠址選擇的方案比較中，年動力費用是衡量廠址選擇的重要因素之一，而年動力費又取決于水廠泵站的泵型選擇和電費因素。我們在設計中針對每個水廠廠址方案選擇了兩種泵型組合方案。又針對能否將新建水廠泵站與原有水廠泵站聯合工作問題，設計除了考慮充分利用原有給水設施外，還要考慮整個供水系統的泵站都要處于高效、節能的工作狀態。為此，在設計中，我們把利用原水廠泵站(1臺10sh-9和8sh-13A工作，水廠凈水能力8 000m3/d，泵站處地面標高為20.0m)作一個方案與新水廠泵站選定的兩種泵型組合方案進行匹配。這樣玉皇閣和齊家屯兩個水廠泵站與原有泵站的兩個泵型方案共組合出8種不同泵站匹配狀態方案。再根據不同時期不同用水量和各區的配水管網狀況，對每種泵型匹配方案利用微機平差計算，求出各自的設計工況點，并計算出年動力費。在滿足管網控制點服務水頭的前提下，我們認為：玉皇閣水廠的4種泵型選擇方案中只有第一方案的管網控制點服務水頭(龍灣新區的政府小區周圍的管網節點)既滿足城區服務水頭要求，又可充分利用原有泵站設施，因此推薦第一方案參加廠址的能量分析比較。在齊家屯水廠的選泵方案中，第五方案和第八方案控制點服務水頭基本相同，而年動力費第五方案比第八方案多0.522萬元，但是第八方案需對原水廠泵站進行換泵改造等工程，增加相應的工程投資。因此設計選定不進行原泵站改造的第五方案參加廠址選擇的能量分析比較。第五方案中新水廠泵站選用4臺12sh-9B(1臺備用)，配用電機功率135kW、工況：QP=538.34L/s，HP=43.44m；第一方案中新水廠泵站選用4臺12sh-9A(1臺備用)配用電機功率155kW、工況：QP=544.84L/s，HP=51.29m，以上兩個方案對應原水廠泵站均為10sh-9(配用電機75kW)，8sh-13A(配用電機40kW)各1臺并聯工作。各方案的工況比較詳見表1。根據設計確定的泵型和設計流量、揚程計算年動力費用，電費按每0.25元/kW . h(設計時當地提供的電價)計算，因為新建水廠和原凈水廠泵站同時向管網內供水，為了使計算結果更具有可比性，我們將兩個泵站的年動力費同時計算。為了便于管理，新水廠泵站設專線向葫蘆島區供水、電費單獨計算，統一匯總，參加技術經濟比較。計算結果是：玉皇閣水廠方案全部年動力費為75.521萬元，齊家屯水廠為66.046萬元。

表1　錦西新、老水廠泵站泵型選擇方案

新水廠
廠　址 選擇泵型 方案號 工況參數 老水廠泵站 電機總容量/kW 年電費合計
/萬元 控制點號
及服務水頭
水磊型號 水泵工況
玉
皇
閣
水
廠 12sh-9A
工作3臺
ΣN電=465kW 一 H=51.293m 1×10sh-9 H=37.323m 580 55.686 ④21.33m
Q=544.84L/s 1×8sh-13A Q=212.056L/s ⑤23.46m
二 H=49.369m 2×8sh-13A H=32.785m 545 52.882 ④18.78m
Q=591.829L/s Q=163.665L/s ⑤20.91m
12sh-9A
2臺
12sh-9B
1臺
ΣN電=445kW 三 H=48.749m 1×10sh-9 H=35.649m 560 52.964 ④18.91m
Q=528.709L/s 1×8sh-13A Q=227.018L/s ⑤21.04m
四 H=46.69m 2×8sh-13A H=30.698m 525 49.952 ④16.40m
Q=582.17L/s Q=172.705L/s ⑤18.53m
齊
家
屯
水
廠 12sh-9B
3臺
ΣN電=405kW 五 H=43.44m 1×10sh-9 H=36.21m 520 48.194 ④22.09m
Q=538.34L/s 1×8sh-13A Q=222.12L/s ⑤24.23m
六 H=41.70m 2×8sh-13A H=31.29m 485 45.484 ④19.81m
Q=588.32L/s Q=170.21L/s ⑤21.95m
12sh-9B
2臺
12sh-9A
1臺
ΣN電=425kW 七 H=45.41m 1×10sh-9 H=37.50m 540 50.301 ④24.0m
Q=547.94L/s 1×8sh-13A Q=210.42L/s ⑤26.14m
八 H=43.70m 2×8sh-13A H=32.82m 505 47.672 ④21.83m
Q=592.22L/s Q=163.53L/s ⑤23.97m
說明 ①以上水廠電量、電機容量均不含葫蘆島地區的泵容量。
②電機容量中含新、老水廠泵站工作泵電機容量，不含備用泵。
③新、老水廠泵站相距5km，地面高程差為11.6m。

　　此外，在電力及外線方面，玉皇閣方案比齊家屯方案少3.6萬元。玉皇閣水廠廠區填土需從廠外運土8 100m3，造價4.05萬元，齊家屯水廠內部土方平整和擋土墻需4萬元。廠前道路齊家屯方案比玉皇閣多80m，造價4.36萬元(含征地費)。齊家屯水廠方案有兩條管道分別穿越五里河、茨山河，故玉皇閣水廠的施工和交通條件都優于齊家屯方案。
　　經過方案的技術經濟比較可見：玉皇閣水廠方案除了地理位置優越和交通方便外，僅管道工程就比齊家屯水廠方案節省一次性投資456.29萬元。玉皇閣水廠比齊家屯水廠動力費高9.474萬元，按照國家有關規定管網按7%提取折舊基金，即每年456.29萬×7%=31.94萬元。建廠投產以后，齊家屯水廠的通勤管理費用比玉皇閣水廠高。如果考慮施工期間資金短缺需要銀行貸款的因素，則兩個水廠廠址方案的經濟比較的差別就更大。因此，設計最終選擇了玉皇閣水廠的廠址方案。

2　結束語
　　烏金塘水源供水工程于1992年立項、1993年設計并施工、1994年全面建成投產。1995年實現供水4.04萬m3/d。1998年供水量達4.8萬m3/d。目前，按照設計選址的新建凈水廠二泵站和原凈水廠二泵站同時向市區管網供水。兩座泵站的機組工況都能處于高效段工作。玉皇閣凈水廠1 000m3水電耗為293kW . h。