浅谈锦西乌金塘水源净水厂的电气设计

0　概述
　　锦西市(现葫芦岛市)管辖连山区、葫芦岛区、南票区、绥中县、建昌县和兴城市，总面积10 308km2。目前锦西市的连山区、葫芦岛区和龙湾新建城区的建成区面积为29.2km2，现状城市人口23.5万人。现状总供水量22.1万m3/d，各大企业自备水源供水量20万m3/d，市政供水量2.1万m3/d。市政供水人口15.98万人(含部分城郊村民)，供水普及率仅为65.2%。
　　锦西市自从成为省辖市以来，原有的城市基础设施已经满足不了城市建设发展的需要，城市供水的供需矛盾越来越突出。根据测算：锦西市城区设计当年需水量为4.73万m3/d，尚缺少2.63万m3/d；1995年需水6.722万m3/d，缺水4.622万m3/d。为了加强该市城市基础设施建设，经省政府有关部门批准同意从乌金塘水库引水，兴建取水、输水、净水和配水工程。
　　该项供水工程的规模为：取水头部和输水管道按7万m3/d(其中2万m3/d原水供给锌厂)设计，净水和配水工程均按5万m3/d设计，工程内容包括取水头部泵站从水库电站输水洞取水加压，经过DN1 000、长41.135km输水管道送至城区东北部的笊笠山上的15 000m3安全调节贮水池，然后依靠重力输水送到净水厂，经过水质净化处理后，加压送入各配水区管网。对于锦西市这样新兴海滨城市的新建净水厂而言，水厂厂址如何选择问题、能否充分利用原有供水设施并以最佳工作状态与原有给水系统联合供水，从而形成统一的市政供水系统问题、以及能否通过厂址选择确定最佳的总体供水系统方案等问题在本工程的设计中显得至关重要。本文将详细论述新建水厂厂址方案的优化选择。

1　新建净水厂厂址优化选择
　　新建净水厂的厂址选择不仅与原供水设施现状、主要用水负荷分布、城市总体规划要求和主要外界条件有关，还与净水厂的地形标高、设备选型、年动力费用、管理及交通条件、施工条件有关系。根据锦西市总体规划的布局和城市供水的设计原则，对乌金塘水源供水工程新建净水厂的位置选择了两个厂址方案。第一是玉皇阁水厂方案，它位于连山区和葫芦岛区之间的玉皇阁村锦葫公路北侧和锦葫铁路南侧的平坦地带(大田作物耕地)，水厂占地2.636ha，自然地面标高在海拨7.7m～7.0m之间，该处锦葫公路路面标高为8.23m。为配合锦葫公路设计路面标高和总体规划要求厂区平均填高0.9m，设计地面标高为8.3m～8.4m之间，二泵站处地面标高为8.4m。该厂址距笊笠山水池管道长度7.676km。二是齐家屯水厂方案，它位于龙湾新区和葫芦岛之间齐家屯的齐茨公路南侧的山坡上(大田作物耕地)，自然地面标高(二泵站处)为16m。两个厂址的自然地面高差8.5m左右。该厂址距笊笠山水池管道长度9.99km。如前所述，笊笠山水池至净水厂属于重力输水，在输水量相同的条件下，净水厂位置和地面标高的不同可使该管道的管径不同，造价也不同。因此这段输水管线和水厂至各区管网之间的主干线以及配水管网改造一起参加净水厂厂址选择中经济方面的比较。我们着重从管道工程造价，水厂二泵站年动力费用、电力和其它条件以及净水厂地理位置的优缺点等进行技术经济的综合比较。
　　在地理位置方面：玉皇阁水厂比齐家屯水厂有明显优点。锦西市的城市总体规划近期规划为连山、龙湾、葫芦岛区、连湾四个独立组团。水厂设在玉皇阁(座落在连湾区域内)，具有用水负荷分布均匀，水厂与各区的配水主干线长度相近，符合城市发展规划要求等优点。按照城市规划到2000年时，连山区、龙湾区、葫芦岛区用水量分别为2.98万m3/d、2.7万m3/d、2.54万m3/d，而该水厂到以上各区接管点的干线长度分别为3.14km，3.01km、2.899km。这种情况对地势较平坦的三个区实行统一供水，可使泵站扬程降低，管网压力比较均匀，不浪费能量。而齐家屯水厂至连山区、龙湾区和葫芦岛区的管道长分别为5.2km、2.70km和3.29km，为解决该市的开发区供水还需增加1.3km管道。该厂址存在用水负荷分布不均，且交通不便，通勤车行车距离长等缺点。
　　在管道工程造价方面：我们根据本工程的特点，将管道工程划分为三部分进行技术经济比较，即笊笠山高地水池到净水厂之间的重力输水管道工程、净水厂至三个供水负荷区的配水主干线工程和配水管网必要的改造工程。齐家屯水厂的原水输水管道穿越城市规划区，因而增加了2.315km长的城区无效供水管道，此方案输水管道总长9.99km，其中DN900管道长4.99km、DN800管道5.0km，工程造价747.9万元，玉皇阁水厂方案输水管道总长7.676km，其中DN800管道长4.676km、DN700管道长3.0km，工程造价466.4万元。可见齐家屯水厂方案输水管道高出281.5万元。
　　净水厂至各供水负荷区配水主干线管道工程中，玉皇阁水厂方案需要铺设DN900～DN500管道，累计长度9.139km，工程造价505.16万元；齐家屯水厂方案需要铺设DN900～DN500管道，累计长度12.49km，工程造价681.82万元。齐家屯比玉皇阁水厂方案高出176.66万元。
　　各供水负荷区的配水管网改扩建工程是在两个方案的相同配水量情况下，对原有配水管网进行必要的管道改造和扩建。本设计按1995年和2000年两个时期的需水量分别进行必要的平差计算，最后确定1995年期的各厂址方案的配水管道的工程量。其中玉皇阁水厂方案需要改造和新铺设DN600～DN150管道累计长20.928km，工程造价500.32万元(不含消火栓和破路面费，下同)；齐家屯水厂方案为DN600～DN150管道累计长20.928km，工程造价498.45万元。两个方案配水管网改扩建工程量基本相同。
　　年动力费用方面：在净水厂厂址选择的方案比较中，年动力费用是衡量厂址选择的重要因素之一，而年动力费又取决于水厂泵站的泵型选择和电费因素。我们在设计中针对每个水厂厂址方案选择了两种泵型组合方案。又针对能否将新建水厂泵站与原有水厂泵站联合工作问题，设计除了考虑充分利用原有给水设施外，还要考虑整个供水系统的泵站都要处于高效、节能的工作状态。为此，在设计中，我们把利用原水厂泵站(1台10sh-9和8sh-13A工作，水厂净水能力8 000m3/d，泵站处地面标高为20.0m)作一个方案与新水厂泵站选定的两种泵型组合方案进行匹配。这样玉皇阁和齐家屯两个水厂泵站与原有泵站的两个泵型方案共组合出8种不同泵站匹配状态方案。再根据不同时期不同用水量和各区的配水管网状况，对每种泵型匹配方案利用微机平差计算，求出各自的设计工况点，并计算出年动力费。在满足管网控制点服务水头的前提下，我们认为：玉皇阁水厂的4种泵型选择方案中只有第一方案的管网控制点服务水头(龙湾新区的政府小区周围的管网节点)既满足城区服务水头要求，又可充分利用原有泵站设施，因此推荐第一方案参加厂址的能量分析比较。在齐家屯水厂的选泵方案中，第五方案和第八方案控制点服务水头基本相同，而年动力费第五方案比第八方案多0.522万元，但是第八方案需对原水厂泵站进行换泵改造等工程，增加相应的工程投资。因此设计选定不进行原泵站改造的第五方案参加厂址选择的能量分析比较。第五方案中新水厂泵站选用4台12sh-9B(1台备用)，配用电机功率135kW、工况：QP=538.34L/s，HP=43.44m；第一方案中新水厂泵站选用4台12sh-9A(1台备用)配用电机功率155kW、工况：QP=544.84L/s，HP=51.29m，以上两个方案对应原水厂泵站均为10sh-9(配用电机75kW)，8sh-13A(配用电机40kW)各1台并联工作。各方案的工况比较详见表1。根据设计确定的泵型和设计流量、扬程计算年动力费用，电费按每0.25元/kW . h(设计时当地提供的电价)计算，因为新建水厂和原净水厂泵站同时向管网内供水，为了使计算结果更具有可比性，我们将两个泵站的年动力费同时计算。为了便于管理，新水厂泵站设专线向葫芦岛区供水、电费单独计算，统一汇总，参加技术经济比较。计算结果是：玉皇阁水厂方案全部年动力费为75.521万元，齐家屯水厂为66.046万元。

表1　锦西新、老水厂泵站泵型选择方案

新水厂
厂　址 选择泵型 方案号 工况参数 老水厂泵站 电机总容量/kW 年电费合计
/万元 控制点号
及服务水头
水磊型号 水泵工况
玉
皇
阁
水
厂 12sh-9A
工作3台
ΣN电=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台
12sh-9B
1台
ΣN电=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
齐
家
屯
水
厂 12sh-9B
3台
ΣN电=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台
12sh-9A
1台
ΣN电=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
说明 ①以上水厂电量、电机容量均不含葫芦岛地区的泵容量。
②电机容量中含新、老水厂泵站工作泵电机容量，不含备用泵。
③新、老水厂泵站相距5km，地面高程差为11.6m。

　　此外，在电力及外线方面，玉皇阁方案比齐家屯方案少3.6万元。玉皇阁水厂厂区填土需从厂外运土8 100m3，造价4.05万元，齐家屯水厂内部土方平整和挡土墙需4万元。厂前道路齐家屯方案比玉皇阁多80m，造价4.36万元(含征地费)。齐家屯水厂方案有两条管道分别穿越五里河、茨山河，故玉皇阁水厂的施工和交通条件都优于齐家屯方案。
　　经过方案的技术经济比较可见：玉皇阁水厂方案除了地理位置优越和交通方便外，仅管道工程就比齐家屯水厂方案节省一次性投资456.29万元。玉皇阁水厂比齐家屯水厂动力费高9.474万元，按照国家有关规定管网按7%提取折旧基金，即每年456.29万×7%=31.94万元。建厂投产以后，齐家屯水厂的通勤管理费用比玉皇阁水厂高。如果考虑施工期间资金短缺需要银行贷款的因素，则两个水厂厂址方案的经济比较的差别就更大。因此，设计最终选择了玉皇阁水厂的厂址方案。

2　结束语
　　乌金塘水源供水工程于1992年立项、1993年设计并施工、1994年全面建成投产。1995年实现供水4.04万m3/d。1998年供水量达4.8万m3/d。目前，按照设计选址的新建净水厂二泵站和原净水厂二泵站同时向市区管网供水。两座泵站的机组工况都能处于高效段工作。玉皇阁净水厂1 000m3水电耗为293kW . h。