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【文章摘要】
锦屏一级水电站大坪3#营地是锦屏一、二级水电站施工承包商的主要驻地，3#营地的供水为驻地工作人员提供了清洁安全的供水保障，本文从3#营地供水工程的总体设计、工艺设计、自动控制设计阐述了该工程的整体设计方案。
【关键词】
锦屏一级；大坪3#营地；供水工程；设计
1 工程概况
锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境地内的雅砻江干流上，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站。锦屏一级水电站由拦水、泄洪及消能、引水发电等建筑组成，水库总库容为77.6亿m3，电站总装机为6×600MW。3#营地位于大坝下游右岸落水洞沟沟口，含二坪、三坪。3#营地是电站主要承包商生活营地，规划进驻人数为13000人。本供水工程主要供应3#营地生活、办公、公用设施用水等。水厂日供水量为8400m3/d，时供水量为350 m3/h，时变化系数取1.4。厂自用水量按供水规模的10%计，取水规模按386 m3/h设计，净水厂规模按386m3/h设计。
2 总体设计
2.1水源地
本供水工程采用两个水源地：落水洞沟水和棉纱沟蓄水池提取雅砻江水。
落水洞位于三坪落水洞沟口上游2.0km小电站附近，该水源为沟水，由三股泉水汇合而成，沟水水质清澈透明，经对该水质化验分析后，该水源水符合生活用水水源标准，为理想的取水点。落水洞取水口上游1000m至净水厂段水源应为防护地带，在该防护区严禁排放超标污水，有毒物质。严禁人畜活动污染水源，并在适当地段设置明显的标志派牌。汛期应组织专业人员检查取水口构筑物的完好，防止洪水危害和污染。另外，根据现场勘察以及测算，该沟水平时水量大约在200m3/h左右；但根据当地村民了解到，在2～4月枯水季节，水量会大大减少，绝大部分水量沿整个山沟渗漏掉，有时还在大坪位置会出现断流现象。因此，仅一处水源不能满足流量要求，还应选取其他水源作为补充水源。
棉沙沟蓄水池位于坝区供水系统的棉沙沟1790高程蓄水池，采用逐级提取雅砻江江水的方案。对雅砻江水质跟踪检测以及送检结果，雅砻江水水质中铁、锰严重超标，不符合用作生活饮用水水源，因此在棉纱沟蓄水池旁增加了除铁、除锰一体化处理设施。
2.2水质标准
根据最新的《生活饮用水卫生标准》要求，出水厂浊度不超过1度。因此为了适应日益增长的生活水平需要，引进有资质的单位、有经验及上岗资格证的专业人员进行运行管理。为稳定沉淀水出水水质、节约药耗、改善操作条件，本设计采用自动投药装置。即根据源水水量和浊度变化以及沉淀出水浊度自动调节加药量，使水质满足最新水质标准要求，具体设计见自控设计部分。
2.3水压标准
出水水压必须满足营地生活用水及施工用水30m水头的要求；3#营地高程在2057.94m，净水厂清水池高程为2106.5m，落差为48.56m，出厂水水压能够满足水压要求。
2.4厂址位置
本供水工程净水厂厂址选在高程为2110m三面环山的空地内。此处地势平坦、开阔，满足水厂平面布置的要求。该处地质条件好。具有较大的地基承载能力。
2.5工艺流程
依据流程简洁、适应性强、操作简单、安全可靠等原则，本供水工程工艺流程如图一所示。
落水洞沟和棉纱沟1#蓄水池供水，经过混合池加药，絮凝池、沉淀池、滤池，在清水池消毒，最终供给用户。
2.6取水工程
如图二所示：落水洞取输水工程，位于三坪落水洞沟口上游2.0km小电站附近，据净水厂位置较远，为了减少水流在沿途流失、渗漏以及蒸发等，本设计拟在源头处建一处溢流坝，坝中设取水口，洪水期堰上泄洪。溢流坝采用M10浆砌块石砌筑，坝底轴线长5m，坝顶轴线长15m，坝高4m，坝底宽3m，坝顶宽1m；坝底布置穿孔管，穿孔管上铺碎石反滤层。溢流坝断面采用梯形断面。溢流坝高程为2180m，净水厂高程为2110m，满足重力输水条件。经计算，本设计输水管线拟采用两根D219×7螺旋钢管，自流至净水厂，单根管道长度为1.5km。由于管道沿线地形复杂，不易开挖，因此管道敷设沿沟边采用明铺为主，受力大的地方，加混凝土镇墩固定。管线在隆起段安装自动排气阀，排除管中空气；在管线最低处安装泄水阀，满足检修时放空需要。
棉沙沟取输水工程蓄水池为坝区供水系统的调节水池，高程为1790m，据净水厂约4.7km，工程净水厂高程为2110m，因此需进行加压泵输送至净水厂。蓄水池高程为1790m，净水厂高程为2110m配水井进水管高程为2114m，净扬程为324m，DN300钢制输水管道4700m， 经计算水头损失约为60m，并考虑一定的安全富余量，确定水泵的设计扬程应为386m。水泵选型如表一所示。
2.7泵房布置
取水泵房地点选取靠近1790蓄水池附近。泵房与配电间、值班室合建，框架结构。泵房采用地面式结构，地面部分高度满足水泵机组检修时的起吊要求。泵站内安装一台CDI5- 6D型电动葫芦，供安装检修使用。
2.8输水管道
经计算，输水管道采用一根D325×12无缝钢管，管道长度为4.7km，管道沿3#公路及营地内公路铺设，以明铺为主。受力大的地方，加混凝土镇墩固定。为防止水锤、减少水头损失，在水泵出水管后安装一个微阻缓闭止回阀。
3 工艺设计
4 自控设计
4.1自控系统网络设计
如图三所示，控制网络结构净水厂部分采用环形光纤工业以太网，通讯速率为10MB/100MB。主要特点如下：连接简单，具有高可用性，能适用严酷的工业环境，并已有10多年成熟的使用经验。环形光纤支持冗余配置，具有抗电磁及RF干扰、低衰减、防雷击、速度快等优点。此外光纤电缆的运行是完全与电位差无关，无须对等电位接地连接。控制中心与远程取水泵站采用无线电台的通讯方式，实现数据采集与交换。 4.2控制系统功能
取水泵房，一为落水洞自流取水；另一为棉沙沟加压取水。由于落水洞自流取水点受季节影响较大，为保证水厂的进水量恒定，在棉纱沟取水点采用变频技术控制水泵的取水流量，使落水洞自流取水量和棉纱沟加压取水量形成反比例关系，保持水厂进水量恒定。
如图四所示，当排泥水量达到沉淀池设定排泥阀排泥时间（0～10分钟可调）的流量（按水力条件计算或实测）时，则进行排泥。排泥历时则根据设定的每次排泥水量、排泥系统的水力条件计算定值。排泥阀故障、超设定排泥时间、未关闭气动排泥蝶阀，则报警。
滤池工作状况包括正常恒水位过滤和反冲洗控制两种：
（1）滤池正常过滤的工作程序依据水池中水位的变化调节出水阀的开启度来实现等速的恒水位过滤。系统接受到水位计的水位信号，当水位信号高于设定的恒水位时，开大出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号低于设下的恒水位时，关小出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号等于恒水位时，保持出水阀开启度[4]。
如图五所示，滤格水位的控制是一个典型的PID闭环控制系统，控制过程是：具有参数可调的PID方程根据设定值和过程变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序，再输出给控制阀，对整个过程进行控制。即实际水位比设定水位的值大得越多， 输出的开度就越大。开度增大的数值是由一定累积时间内水位上升的速度及实际水位和设定水位的差值共同决定的。反映为进水流速越快，清水出水阀开度越大，反之亦然。PID方程计算的目标是把受控的过程变量保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出控制中。输出附加处理程序是把PID方程的运算输出按一定的规律输出给清水阀。
（2）滤池反冲洗控制的工作程序
当系统接收到手动强制冲洗信号，水头损失信号，定时冲洗信号中的任一个指令时，按照先进先出的原则排队进行。首先关闭进水阀，滤池内部的存留水经出水阀继续过滤排除，当水位降至设定的反冲水位时，关闭出水阀并打开排水阀，排水阀的信号到位后打开反冲气阀，启动风机进行气冲，完成单气冲需要时间1-3min，打开反冲水阀，开启反冲水泵进行气水混合冲洗，时间为3min。然后关闭反冲气阀停风机进行单水冲洗，需要的时间3-5min，完成后关闭反冲水阀停水泵，关闭排水阀、打开放气阀进行排气，开启进水阀接受待滤水。当水位升到过滤恒水位时，关闭放气阀完成了反冲洗，系统转入正常的过滤程序。
净水厂自控系统针对水厂占地面积较大、控制设备分散、空气潮湿的客观环境，采用“分散控制、集中管理”的设计原则，将整个水厂的自控系统分为：混合池、絮凝沉淀池、滤池等6个控制从站进行分别自控，再通过PROFIBUS-DP现场总线与设立在反冲洗泵房处的PLC主站进行数据交换和互访。整个净水厂的数据采集网络使用主从式网络架构，把整个水厂的控制系统分散开，他们每个控制站都可以独立的实现控制功能，有可以实现整个水厂的数据实时采集。
如图六所示，加药间设置投加絮凝剂设备1套。设置溶液池2个，每个溶液池设搅拌机1台。设置加药计量泵3台，2用1备。根据原水流量、浊度做为前馈信号，比例调节投药量，由沉淀池出水的浊度做为后反馈信号，对投药量进行微调，由PLC控制变频器，改变计量泵转数，进而控制调节投药量，从而构成原水浊度与沉淀池出水浊度组成的前馈后馈闭环调节控制。加药自动控制系统采用前馈控制按流量正比例投加；浊度、水温按实测资料绘制成曲线，由计算机在运行时对照，取值投加。对照设定的沉淀池出水浊度标准值（5～30NTU可调），来调整实际投加量。当模拟沉淀水浊度超过设定的标准值±5NTU时，则应报警。另外，加药泵吸不到溶液或加药管道堵塞，加药泵上的阻尼器压力下降或超限，也需报警。
消毒间设置消毒杀菌设备1套。设置二氧化氯发生器3台，根据进水流量和清水池余氯，自动控制加氯量。消毒间主要由供药计量系统、反应系统、混合吸收系统、自动化控制系统及安全防护系统组成。采用国际上最先进的亚氯酸钠与盐酸生产工艺。先进独特的自动化控制系统，使设备可根据水量或处理后清水池水的二氧化氯残余量的变化自动定比调节发生量，也可根据流量和二氧化氯残余量组成复合环控制，从而保持水中恒定的二氧化氯浓度。
4.3应用图例
如图七所示，表达了锦屏一级水电站大坪3#营地供水工程控制系统整体应用结构。
5 结语
锦屏一级水电站大坪3#营地供水工程为锦屏水电站施工高峰期3#营地主要承包商近13000人提供了清洁安全的生活用水，有效保障了锦屏水电站的建设全过程。
【参考文献】
[1]周传庭，胡龙张善发.合肥市滨湖新区塘西河再生水厂总体设计[J]，中国市政，2013（8）：32-33.
[2]范翊.深圳市西丽再生水厂设计与运行[J]，给水排水，2011（37）：32-37.
[3]周玉玲.水厂沉淀池优化设计[D]，合肥：合肥工业大学，2012：4.
[4]肖郁湘，周家山，贺富霞.县城水厂的规划设计与建设实践——以湖北省郧县长岭水厂为例[J]，城乡建设，2010（4）：36-39.
锦屏一级水电站大坪3#营地是锦屏一、二级水电站施工承包商的主要驻地，3#营地的供水为驻地工作人员提供了清洁安全的供水保障，本文从3#营地供水工程的总体设计、工艺设计、自动控制设计阐述了该工程的整体设计方案。
【关键词】
锦屏一级；大坪3#营地；供水工程；设计
1 工程概况
锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境地内的雅砻江干流上，是雅砻江干流下游河段的控制性水库梯级电站。锦屏一级水电站由拦水、泄洪及消能、引水发电等建筑组成，水库总库容为77.6亿m3，电站总装机为6×600MW。3#营地位于大坝下游右岸落水洞沟沟口，含二坪、三坪。3#营地是电站主要承包商生活营地，规划进驻人数为13000人。本供水工程主要供应3#营地生活、办公、公用设施用水等。水厂日供水量为8400m3/d，时供水量为350 m3/h，时变化系数取1.4。厂自用水量按供水规模的10%计，取水规模按386 m3/h设计，净水厂规模按386m3/h设计。
2 总体设计
2.1水源地
本供水工程采用两个水源地：落水洞沟水和棉纱沟蓄水池提取雅砻江水。
落水洞位于三坪落水洞沟口上游2.0km小电站附近，该水源为沟水，由三股泉水汇合而成，沟水水质清澈透明，经对该水质化验分析后，该水源水符合生活用水水源标准，为理想的取水点。落水洞取水口上游1000m至净水厂段水源应为防护地带，在该防护区严禁排放超标污水，有毒物质。严禁人畜活动污染水源，并在适当地段设置明显的标志派牌。汛期应组织专业人员检查取水口构筑物的完好，防止洪水危害和污染。另外，根据现场勘察以及测算，该沟水平时水量大约在200m3/h左右；但根据当地村民了解到，在2～4月枯水季节，水量会大大减少，绝大部分水量沿整个山沟渗漏掉，有时还在大坪位置会出现断流现象。因此，仅一处水源不能满足流量要求，还应选取其他水源作为补充水源。
棉沙沟蓄水池位于坝区供水系统的棉沙沟1790高程蓄水池，采用逐级提取雅砻江江水的方案。对雅砻江水质跟踪检测以及送检结果，雅砻江水水质中铁、锰严重超标，不符合用作生活饮用水水源，因此在棉纱沟蓄水池旁增加了除铁、除锰一体化处理设施。
2.2水质标准
根据最新的《生活饮用水卫生标准》要求，出水厂浊度不超过1度。因此为了适应日益增长的生活水平需要，引进有资质的单位、有经验及上岗资格证的专业人员进行运行管理。为稳定沉淀水出水水质、节约药耗、改善操作条件，本设计采用自动投药装置。即根据源水水量和浊度变化以及沉淀出水浊度自动调节加药量，使水质满足最新水质标准要求，具体设计见自控设计部分。
2.3水压标准
出水水压必须满足营地生活用水及施工用水30m水头的要求；3#营地高程在2057.94m，净水厂清水池高程为2106.5m，落差为48.56m，出厂水水压能够满足水压要求。
2.4厂址位置
本供水工程净水厂厂址选在高程为2110m三面环山的空地内。此处地势平坦、开阔，满足水厂平面布置的要求。该处地质条件好。具有较大的地基承载能力。
2.5工艺流程
依据流程简洁、适应性强、操作简单、安全可靠等原则，本供水工程工艺流程如图一所示。
落水洞沟和棉纱沟1#蓄水池供水，经过混合池加药，絮凝池、沉淀池、滤池，在清水池消毒，最终供给用户。
2.6取水工程
如图二所示：落水洞取输水工程，位于三坪落水洞沟口上游2.0km小电站附近，据净水厂位置较远，为了减少水流在沿途流失、渗漏以及蒸发等，本设计拟在源头处建一处溢流坝，坝中设取水口，洪水期堰上泄洪。溢流坝采用M10浆砌块石砌筑，坝底轴线长5m，坝顶轴线长15m，坝高4m，坝底宽3m，坝顶宽1m；坝底布置穿孔管，穿孔管上铺碎石反滤层。溢流坝断面采用梯形断面。溢流坝高程为2180m，净水厂高程为2110m，满足重力输水条件。经计算，本设计输水管线拟采用两根D219×7螺旋钢管，自流至净水厂，单根管道长度为1.5km。由于管道沿线地形复杂，不易开挖，因此管道敷设沿沟边采用明铺为主，受力大的地方，加混凝土镇墩固定。管线在隆起段安装自动排气阀，排除管中空气；在管线最低处安装泄水阀，满足检修时放空需要。
棉沙沟取输水工程蓄水池为坝区供水系统的调节水池，高程为1790m，据净水厂约4.7km，工程净水厂高程为2110m，因此需进行加压泵输送至净水厂。蓄水池高程为1790m，净水厂高程为2110m配水井进水管高程为2114m，净扬程为324m，DN300钢制输水管道4700m， 经计算水头损失约为60m，并考虑一定的安全富余量，确定水泵的设计扬程应为386m。水泵选型如表一所示。
2.7泵房布置
取水泵房地点选取靠近1790蓄水池附近。泵房与配电间、值班室合建，框架结构。泵房采用地面式结构，地面部分高度满足水泵机组检修时的起吊要求。泵站内安装一台CDI5- 6D型电动葫芦，供安装检修使用。
2.8输水管道
经计算，输水管道采用一根D325×12无缝钢管，管道长度为4.7km，管道沿3#公路及营地内公路铺设，以明铺为主。受力大的地方，加混凝土镇墩固定。为防止水锤、减少水头损失，在水泵出水管后安装一个微阻缓闭止回阀。
3 工艺设计
4 自控设计
4.1自控系统网络设计
如图三所示，控制网络结构净水厂部分采用环形光纤工业以太网，通讯速率为10MB/100MB。主要特点如下：连接简单，具有高可用性，能适用严酷的工业环境，并已有10多年成熟的使用经验。环形光纤支持冗余配置，具有抗电磁及RF干扰、低衰减、防雷击、速度快等优点。此外光纤电缆的运行是完全与电位差无关，无须对等电位接地连接。控制中心与远程取水泵站采用无线电台的通讯方式，实现数据采集与交换。 4.2控制系统功能
取水泵房，一为落水洞自流取水；另一为棉沙沟加压取水。由于落水洞自流取水点受季节影响较大，为保证水厂的进水量恒定，在棉纱沟取水点采用变频技术控制水泵的取水流量，使落水洞自流取水量和棉纱沟加压取水量形成反比例关系，保持水厂进水量恒定。
如图四所示，当排泥水量达到沉淀池设定排泥阀排泥时间（0～10分钟可调）的流量（按水力条件计算或实测）时，则进行排泥。排泥历时则根据设定的每次排泥水量、排泥系统的水力条件计算定值。排泥阀故障、超设定排泥时间、未关闭气动排泥蝶阀，则报警。
滤池工作状况包括正常恒水位过滤和反冲洗控制两种：
（1）滤池正常过滤的工作程序依据水池中水位的变化调节出水阀的开启度来实现等速的恒水位过滤。系统接受到水位计的水位信号，当水位信号高于设定的恒水位时，开大出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号低于设下的恒水位时，关小出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号等于恒水位时，保持出水阀开启度[4]。
如图五所示，滤格水位的控制是一个典型的PID闭环控制系统，控制过程是：具有参数可调的PID方程根据设定值和过程变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序，再输出给控制阀，对整个过程进行控制。即实际水位比设定水位的值大得越多， 输出的开度就越大。开度增大的数值是由一定累积时间内水位上升的速度及实际水位和设定水位的差值共同决定的。反映为进水流速越快，清水出水阀开度越大，反之亦然。PID方程计算的目标是把受控的过程变量保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出控制中。输出附加处理程序是把PID方程的运算输出按一定的规律输出给清水阀。
（2）滤池反冲洗控制的工作程序
当系统接收到手动强制冲洗信号，水头损失信号，定时冲洗信号中的任一个指令时，按照先进先出的原则排队进行。首先关闭进水阀，滤池内部的存留水经出水阀继续过滤排除，当水位降至设定的反冲水位时，关闭出水阀并打开排水阀，排水阀的信号到位后打开反冲气阀，启动风机进行气冲，完成单气冲需要时间1-3min，打开反冲水阀，开启反冲水泵进行气水混合冲洗，时间为3min。然后关闭反冲气阀停风机进行单水冲洗，需要的时间3-5min，完成后关闭反冲水阀停水泵，关闭排水阀、打开放气阀进行排气，开启进水阀接受待滤水。当水位升到过滤恒水位时，关闭放气阀完成了反冲洗，系统转入正常的过滤程序。
净水厂自控系统针对水厂占地面积较大、控制设备分散、空气潮湿的客观环境，采用“分散控制、集中管理”的设计原则，将整个水厂的自控系统分为：混合池、絮凝沉淀池、滤池等6个控制从站进行分别自控，再通过PROFIBUS-DP现场总线与设立在反冲洗泵房处的PLC主站进行数据交换和互访。整个净水厂的数据采集网络使用主从式网络架构，把整个水厂的控制系统分散开，他们每个控制站都可以独立的实现控制功能，有可以实现整个水厂的数据实时采集。
如图六所示，加药间设置投加絮凝剂设备1套。设置溶液池2个，每个溶液池设搅拌机1台。设置加药计量泵3台，2用1备。根据原水流量、浊度做为前馈信号，比例调节投药量，由沉淀池出水的浊度做为后反馈信号，对投药量进行微调，由PLC控制变频器，改变计量泵转数，进而控制调节投药量，从而构成原水浊度与沉淀池出水浊度组成的前馈后馈闭环调节控制。加药自动控制系统采用前馈控制按流量正比例投加；浊度、水温按实测资料绘制成曲线，由计算机在运行时对照，取值投加。对照设定的沉淀池出水浊度标准值（5～30NTU可调），来调整实际投加量。当模拟沉淀水浊度超过设定的标准值±5NTU时，则应报警。另外，加药泵吸不到溶液或加药管道堵塞，加药泵上的阻尼器压力下降或超限，也需报警。
消毒间设置消毒杀菌设备1套。设置二氧化氯发生器3台，根据进水流量和清水池余氯，自动控制加氯量。消毒间主要由供药计量系统、反应系统、混合吸收系统、自动化控制系统及安全防护系统组成。采用国际上最先进的亚氯酸钠与盐酸生产工艺。先进独特的自动化控制系统，使设备可根据水量或处理后清水池水的二氧化氯残余量的变化自动定比调节发生量，也可根据流量和二氧化氯残余量组成复合环控制，从而保持水中恒定的二氧化氯浓度。
4.3应用图例
如图七所示，表达了锦屏一级水电站大坪3#营地供水工程控制系统整体应用结构。
5 结语
锦屏一级水电站大坪3#营地供水工程为锦屏水电站施工高峰期3#营地主要承包商近13000人提供了清洁安全的生活用水，有效保障了锦屏水电站的建设全过程。
【参考文献】
[1]周传庭，胡龙张善发.合肥市滨湖新区塘西河再生水厂总体设计[J]，中国市政，2013（8）：32-33.
[2]范翊.深圳市西丽再生水厂设计与运行[J]，给水排水，2011（37）：32-37.
[3]周玉玲.水厂沉淀池优化设计[D]，合肥：合肥工业大学，2012：4.
[4]肖郁湘，周家山，贺富霞.县城水厂的规划设计与建设实践——以湖北省郧县长岭水厂为例[J]，城乡建设，2010（4）：36-39.