王春華, 劉米帥, 李 嘉

(1.北京市河湖流域管理事務(wù)中心 河湖流域科,北京 102627;2.北京市水務(wù)局政務(wù)服務(wù)中心 政務(wù)服務(wù)科,北京 100055)

南水北調(diào)工程是支撐京津冀地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程,其中中線工程正發(fā)揮著緩解北京市缺水問題的重要作用[1].目前,北京已形成以“兩大動(dòng)脈”“六大水廠”“兩個(gè)樞紐”“一條環(huán)路”“三大應(yīng)急水源地”構(gòu)成的“26213”供水格局,實(shí)現(xiàn)本地水、外調(diào)水、地下水聯(lián)合調(diào)度[2].南干渠工程是“一條環(huán)路”的重要組成部分,承擔(dān)著郭公莊水廠、黃村水廠、大興支線工程、通州水廠和亦莊水廠的輸水任務(wù),其覆蓋的供水范圍為北京城市副中心、北京南部城區(qū)和北京大興國際機(jī)場,承擔(dān)著北京城南地區(qū)400萬人口的供水任務(wù)[3],同時(shí)擔(dān)負(fù)著河道應(yīng)急補(bǔ)水功能,是城市基礎(chǔ)工程的大動(dòng)脈[4].

1 南干渠工程井位現(xiàn)地站用電需求分析

南干渠工程是北京市南水北調(diào)配套工程之一,位于豐臺(tái)、大興兩區(qū),起點(diǎn)為南水北調(diào)中線干線北京段永定河倒虹吸末端,終點(diǎn)為亦莊調(diào)節(jié)池,全長26.82km[5].該工程管轄范圍內(nèi)現(xiàn)有4處分水口、40處排氣閥井、5處排空井、3處管理設(shè)施及配套的水機(jī)、機(jī)電、電子設(shè)備等主要設(shè)備設(shè)施,其中有兩個(gè)現(xiàn)地站的排氣閥井和排空井建在一起.在南干渠工程運(yùn)行保障過程中主要有以下幾個(gè)方面的用電需求:

1.1 工程自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行

為保障南干渠工程穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行,同時(shí)幫助管理人員完成調(diào)水、配水、工程管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)等業(yè)務(wù)工作,工程建設(shè)了配套的自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng),采用信息化和自動(dòng)化的技術(shù)手段,對(duì)工程設(shè)施、關(guān)鍵部位、水機(jī)及機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和監(jiān)控.目前該自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)有9個(gè)子系統(tǒng),分別為通信子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、視頻安防子系統(tǒng)、工程安全監(jiān)測子系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、閥井遠(yuǎn)程無線監(jiān)測子系統(tǒng)、管道壓力數(shù)據(jù)無線備用信道傳輸子系統(tǒng)、調(diào)度中心會(huì)商子系統(tǒng)、管線巡檢子系統(tǒng).自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)有1個(gè)監(jiān)控中心、2個(gè)監(jiān)控管理站及45個(gè)現(xiàn)地站.1個(gè)監(jiān)控中心設(shè)在南干渠調(diào)度中心,2個(gè)監(jiān)控管理站分別為郭公莊監(jiān)控管理站、黃村監(jiān)控管理站,45個(gè)現(xiàn)地站分別為郭公莊分水口、黃莊分水口及43個(gè)排氣閥井、排空井的井位現(xiàn)地站.

45個(gè)現(xiàn)地站均有多套子系統(tǒng)用于工程運(yùn)行狀況信息的監(jiān)測、監(jiān)控,并將信息實(shí)時(shí)上傳至調(diào)度中心.沿線現(xiàn)地站分為3個(gè)環(huán)網(wǎng),由郭公莊管理所、黃村管理所、第二管理所等3處交換機(jī)匯聚上傳至南干渠調(diào)度中心.網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D見圖1.

圖1 南干渠工程自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

郭公莊管理所的交換機(jī)匯聚了由23#排氣閥井、29#排氣閥井、35#排氣閥井、42#排氣閥井、38#排氣閥井、32#排氣閥井、25#排氣閥井、3#排空井、16#排氣閥井、12#排氣閥井、6#排氣閥井、3#排氣閥井、9#排氣閥井和13#排氣閥井共14處現(xiàn)地站交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)信息;黃村管理所的交換機(jī)匯聚了由18#排氣閥井、22#排氣閥井、28#排氣閥井、34#排氣閥井、41#排氣閥井、43#排氣閥井、37#排氣閥井、31#排氣閥井、24#排氣閥井、20#排氣閥井、15#排氣閥井、11#排氣閥井、5#排氣閥井、1#排氣閥井和8#排氣閥井共15處現(xiàn)地站交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)信息;第二管理所的交換機(jī)匯聚了由7#排氣閥井、4#排氣閥井、10#排氣閥井、14#排氣閥井、19#排氣閥井、4#排空井、30#排氣閥井、36#排氣閥井、40#排氣閥井、33#排氣閥井、27#排氣閥井、21#排氣閥井和1#排空井共13處現(xiàn)地站交換機(jī)組成的環(huán)網(wǎng)信息.

當(dāng)通信環(huán)網(wǎng)上的一處現(xiàn)地站斷電后,會(huì)導(dǎo)致本站點(diǎn)的自動(dòng)化設(shè)備無法運(yùn)行,但不影響其他站點(diǎn)正常通信;當(dāng)通信環(huán)網(wǎng)上有兩處站點(diǎn)斷電后,會(huì)導(dǎo)致該兩處站點(diǎn)之間設(shè)備通信中斷,兩點(diǎn)之間的所有現(xiàn)地站的自動(dòng)化設(shè)備全部無法運(yùn)行.當(dāng)一處站點(diǎn)電壓過低,處于交換機(jī)啟動(dòng)/關(guān)閉的臨界值時(shí),該站點(diǎn)交換機(jī)反復(fù)啟動(dòng),中心交換機(jī)頻繁對(duì)該條鏈路進(jìn)行識(shí)別,將會(huì)導(dǎo)致整條環(huán)網(wǎng)鏈路信息堵塞、癱瘓.由于自動(dòng)化系統(tǒng)需實(shí)時(shí)在線采集各現(xiàn)地站的監(jiān)控與監(jiān)測信息,并傳輸至調(diào)度中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析與展示,所以各現(xiàn)地站的自動(dòng)化軟硬件設(shè)備需不間斷帶電運(yùn)行,必須有穩(wěn)定而持續(xù)的供電電源作保障.

1.2 工程日常維修養(yǎng)護(hù)

首先,在南干渠工程日常運(yùn)行管理中,需要對(duì)工程附屬的排氣閥井、排空干井、排空濕井、電纜井、觀察井、檢修井、連接路等工程設(shè)施、配套的水機(jī)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備及電子設(shè)備等進(jìn)行日常維修養(yǎng)護(hù)工作.養(yǎng)護(hù)內(nèi)容主要包括:對(duì)土建工程進(jìn)行混凝土破損修補(bǔ)、裂縫處理、止水養(yǎng)護(hù)和隧洞清淤等工作;對(duì)鋼管、閥體進(jìn)行清理、除銹、防腐等工作;對(duì)爬梯、圍欄等金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行除銹、刷漆,對(duì)破損部位進(jìn)行修補(bǔ)等工作;對(duì)水機(jī)、機(jī)電與電子等設(shè)備進(jìn)行清潔、檢查及保養(yǎng),對(duì)損壞部件進(jìn)行更換.其次,由于南干渠工程盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)的斷面為圓形,采用排水理念設(shè)計(jì),由管片、排水隔離層、二襯組成.15.48 km長的南干渠工程盾構(gòu)段隧洞工程在一襯、二襯之間沒有設(shè)置防水層[6],地下水滲入一襯的水和隧洞內(nèi)南水北調(diào)水滲入二襯的水,均通過排水隔離層匯入工程沿線24處排氣閥井內(nèi)的集水井內(nèi),需根據(jù)其積水情況進(jìn)行日常抽排水,按照目前的情況,每年需要進(jìn)行抽排水5 400余次.再次,每個(gè)現(xiàn)地站的維修養(yǎng)護(hù)工作周期短、頻率高,一般也需要間歇性、短時(shí)間、高電壓的供電電源.

1.3 工程檢修與河道補(bǔ)水

在南干渠工程運(yùn)行過程中,管理單位會(huì)根據(jù)上級(jí)調(diào)水方案及工程運(yùn)行狀況,安排工程停水隧洞檢修、帶水檢修設(shè)備及故障設(shè)備更換等任務(wù),另外還會(huì)根據(jù)要求,利用5個(gè)排空井不定期向附近河道補(bǔ)水,這些工作一般需要長時(shí)間、持續(xù)性的高電壓供電電源.

1.4 工程日常巡查

為了保障南干渠工程運(yùn)行安全,管理單位組織了工程巡查隊(duì)伍,工程沿線現(xiàn)地站所有井位的井室每周巡查兩次,巡查人員需攜帶巡查記錄儀、氣體檢測儀、巡更棒、手電筒、防墜器、安全帽、雨鞋等各種必要的巡查工具與防護(hù)用具下井作業(yè),每次巡查均要求有完善的檢查記錄并保存影像資料.遇重大節(jié)日(活動(dòng))、惡劣天氣、井內(nèi)設(shè)備故障、突發(fā)事件等情況,巡查人員會(huì)根據(jù)要求加強(qiáng)、加密巡查工作.由于井室內(nèi)屬于有限空間,需要有充足的照明來保證巡查工作的順利開展.

2 用電需求解決現(xiàn)狀

建設(shè)初期,南干渠工程絕大部分井位現(xiàn)地站地處城鄉(xiāng)結(jié)合部,井位現(xiàn)地站圍欄范圍內(nèi)為工程永久占地,圍欄外土地利用情況復(fù)雜,近1/3的現(xiàn)地站被開發(fā)公司、農(nóng)場、商城、物流、駕校和村民所圈占[7].由于南干渠工程建設(shè)工期緊、任務(wù)重,為了滿足自動(dòng)化系統(tǒng)用電需求,建設(shè)了由單晶硅太陽能鋰電池和太陽能電池板組成的太陽能供電系統(tǒng).南干渠工程沿線45處井位現(xiàn)地站共建設(shè)有68套太陽能供電系統(tǒng),其中2014年自動(dòng)化系統(tǒng)一期建設(shè)時(shí)配備了27套,蓄電池設(shè)計(jì)了7個(gè)陰雨天的續(xù)航時(shí)間.2016年自動(dòng)化系統(tǒng)二期建設(shè)時(shí),增加了41套,蓄電池設(shè)計(jì)了3個(gè)陰雨天的續(xù)航時(shí)間.蓄電池組一般設(shè)計(jì)浮充壽命為5年,深度充放電循環(huán)次數(shù)為400次左右.2019年,對(duì)蓄電池中儲(chǔ)電能力下降到不能滿足要求的部分進(jìn)行了報(bào)廢與替換處理.南干渠工程投入使用后,對(duì)于工程日常維護(hù)中日常抽排水、維修養(yǎng)護(hù)等用電需求,采用柴油發(fā)電的方式保障用電需求;針對(duì)工程檢修和河道補(bǔ)水需要長時(shí)間、持續(xù)性、大功率的用電要求,需協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)毓╇娝蛘呔滑F(xiàn)地站外土地產(chǎn)權(quán)業(yè)主,架設(shè)臨時(shí)市電作為電源;而日常工程巡查中,巡查人員則采用手電筒和頭燈進(jìn)行室內(nèi)照明,每次巡查結(jié)束后,需要及時(shí)充電以備后用.

3 目前供電方式存在的問題

3.1 太陽能供電系統(tǒng)存在的問題

(1)供電性能受外界環(huán)境影響大

太陽能蓄電池蓄電容量受氣溫影響較大,其最佳工作溫度是25℃,溫度每下降1℃,相對(duì)容量大約會(huì)下降0.8%[8].南干渠工程沿線大部分位于北京大興區(qū),氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,春、夏、秋、冬四季分明,夏季最熱月平均氣溫25.9℃,最高氣溫40.6℃;冬季最冷月平均氣溫-5℃,最低氣溫-27.4℃[9].供電系統(tǒng)還受日照影響,大興區(qū)年平均日照2 764h,年日照百分率為63%[9].太陽能供電系統(tǒng)受氣候、季節(jié)和天氣的影響比較大,造成季節(jié)利用率不均衡.

(2)太陽能供電系統(tǒng)性價(jià)比不高

太陽能供電系統(tǒng)包含的部件比較多,任何一個(gè)部件的故障均會(huì)造成一個(gè)站點(diǎn)甚至多個(gè)站點(diǎn)的用電設(shè)備無法工作,影響面比較廣.太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在日常運(yùn)維中,工程管理單位為了掌握太陽能供電系統(tǒng)的性能狀態(tài),每月都會(huì)對(duì)每組電池的狀態(tài)進(jìn)行檢測,但人工測量又存在很多不足,準(zhǔn)確度會(huì)受到諸多因素的影響;由于人工測試為定期進(jìn)行,無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、失效蓄電池;人工放電測試對(duì)蓄電池會(huì)造成無法恢復(fù)的傷害;大量的人工測量費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,安全性差,周期長.另外太陽能供電系統(tǒng)還存在占地面積大,投入成本高,維護(hù)成本高,供電穩(wěn)定性差的問題.

3.2 其他供電方式存在問題

南干渠工程井位的井口為DN700,井孔窄,又位于戶外,一年四季巡查人員下井作業(yè)時(shí)均需隨身攜帶很多工具,巡查采用的手電筒與頭燈的照明方式存在光線強(qiáng)度弱,照射空間小等缺點(diǎn),不利于開展工作和保障巡查人員安全.工程維護(hù)過程中經(jīng)常需要利用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電開展工作,每次發(fā)電過程中布線、安放設(shè)備、安全評(píng)估等準(zhǔn)備工作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力.工程檢修和河道補(bǔ)水前,需協(xié)調(diào)臨時(shí)市電,更是增加了工作實(shí)施周期和實(shí)施難度.

4 工程供電改進(jìn)建議

按照管理單位提升工程精細(xì)化管理水平的需求和智慧水務(wù)建設(shè)的要求,在南干渠工程沿線將會(huì)有更多的建設(shè)任務(wù)和更完善的信息化運(yùn)行系統(tǒng),井位現(xiàn)地站的用電需求會(huì)越來越多,要求也會(huì)越來越高.當(dāng)前的現(xiàn)地站供電水平制約著工程管理水平的進(jìn)一步提升,迫切需要改變當(dāng)前供電現(xiàn)狀,建立長期、穩(wěn)定、可靠的供電系統(tǒng).

(1)建立蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)時(shí)掌握電池狀態(tài)

為了保證太陽能供電系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性、可靠性和持續(xù)性,可以引入一套具有監(jiān)測和報(bào)警功能的在線監(jiān)測系統(tǒng),主要用于蓄電池性能、狀態(tài)的監(jiān)測與分析.當(dāng)發(fā)現(xiàn)蓄電池性能、剩余容量超出設(shè)定的上、下限時(shí)或者診斷到電池故障時(shí),自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息到監(jiān)控室,既能避免因人工檢測誤操作引起的短路、觸電及負(fù)載斷電風(fēng)險(xiǎn),又能隨時(shí)掌握供電情況,實(shí)現(xiàn)電池資源管理數(shù)字化、信息化,提高管理水平.

(2)提升太陽能供電系統(tǒng)運(yùn)維管理水平

針對(duì)太陽能供電不穩(wěn)定的特性,工程管理單位提前做好運(yùn)維方案和應(yīng)急預(yù)案,準(zhǔn)備充足的備品備件,保證每天有足夠的滿電備用電池.當(dāng)電源出現(xiàn)故障時(shí),能及時(shí)利用備品備件、備用電池進(jìn)行緊急修復(fù),在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電.

(3)有條件的井位接通永久市電,降低斷電斷網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)

工程建設(shè)初期,由于井位現(xiàn)地站周圍占地產(chǎn)權(quán)復(fù)雜、工程建設(shè)工期緊張,其他供電方式建設(shè)相對(duì)困難,設(shè)計(jì)了太陽能供電系統(tǒng).隨著豐臺(tái)、大興地區(qū)的規(guī)劃建設(shè),南干渠工程沿線井位現(xiàn)地站圍欄外分別屬于五環(huán)綠化帶、星光生態(tài)文化休閑公園、大興生態(tài)文明教育公園和南海子公園[10],產(chǎn)權(quán)相對(duì)集中,協(xié)調(diào)永久市電問題正在穩(wěn)步推進(jìn).目前南干渠工程17#排氣閥井、43#排氣閥井已由工程管理單位進(jìn)行協(xié)調(diào),引入了永久市電;36#、37#排氣閥井由工程代維單位接入了臨時(shí)市電.建議在有引入條件的19#,20#,21#,22#,23#,24#,25#排氣閥井,3#,4#排空井現(xiàn)地站接入穩(wěn)定的永久市電,降低斷電斷網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn),改善當(dāng)前用電現(xiàn)狀.

(4)引入備用電源,建立雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng)

在工程運(yùn)行過程中,為了防止斷電情況的出現(xiàn),建議在有條件的站點(diǎn)引入雙路永久市電,沒有條件的站點(diǎn)保留太陽能供電系統(tǒng)作為備用電源,并在在用電源與備用電源之間建設(shè)雙電源自動(dòng)切換系統(tǒng),以保障站點(diǎn)用電的穩(wěn)定與可靠.