保定西北郊電廠水工工藝專業(yè)設(shè)計(jì)案例分析
摘要：為了促進(jìn)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)水平，對(duì)保定西北郊電廠的水工工藝專業(yè)負(fù)責(zé)內(nèi)容進(jìn)行了論述說(shuō)明，介紹了各工程階段水工專業(yè)的工作重點(diǎn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容、設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決辦法、以及工程的靚點(diǎn)，為同類型工程提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞：火電廠；水工工藝；設(shè)計(jì)階段；冷端優(yōu)化；施工圖；雨水利用
0 引言
大型火力發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)周期較長(zhǎng)，按照設(shè)計(jì)階段來(lái)分，可分為：初步可行性研究階段（或項(xiàng)目建議書階段，簡(jiǎn)稱初可）、可行性研究階段（簡(jiǎn)稱可研）、初步設(shè)計(jì)階段（簡(jiǎn)稱初設(shè)）、施工圖設(shè)計(jì)階段、竣工圖設(shè)計(jì)階段。保定西北郊電廠項(xiàng)目現(xiàn)已投產(chǎn)運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)值，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的思想貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。
1 工程前期水工專業(yè)工作重點(diǎn)
“前期”分為初可、可研、初設(shè)三個(gè)階段，其中初可主要研究項(xiàng)目必要性問(wèn)題。
1.1 落實(shí)水源
水工工藝專業(yè)必需要熟悉國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，分清哪些是鼓勵(lì)、支持、淘汰的工藝技術(shù)，如國(guó)家發(fā)展改革委以發(fā)改能源[2004]864號(hào)文規(guī)定：在北方缺水地區(qū)，新建、擴(kuò)建電廠禁止取用地下水，嚴(yán)格控制使用地表水，鼓勵(lì)利用城市污水處理廠的中水或其他廢水。原則上應(yīng)建設(shè)大型空冷機(jī)組，機(jī)組耗水指標(biāo)要控制在0.18m3/（s·GW）以下。這些地區(qū)建設(shè)的火電廠要與城市污水處理廠統(tǒng)一規(guī)劃，配套同步建設(shè)？涌陔娬卷(xiàng)目首先考慮使用礦井疏干水，鼓勵(lì)沿海缺水地區(qū)利用火電廠余熱進(jìn)行海水淡化。在熱負(fù)荷比較集中，或熱負(fù)荷發(fā)展?jié)摿^大的大中型城市，應(yīng)根據(jù)電力和城市熱力規(guī)劃，結(jié)合交通運(yùn)輸和城市污水處理廠布局等因素，爭(zhēng)取采用單機(jī)容量30萬(wàn)kW及以上的環(huán)保、高效發(fā)電機(jī)組，建設(shè)大型發(fā)電供熱兩用電站。
本項(xiàng)目為利用城市污水廠出水的2×350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，屬于國(guó)家政策鼓勵(lì)型項(xiàng)目。水工工藝專業(yè)需要根據(jù)水源水量情況選擇合理的主機(jī)冷卻工藝。重點(diǎn)是確保水源的可靠性，即水源水量滿足工藝要求、水源水質(zhì)穩(wěn)定可靠、水源與電廠距離符合工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。
確定電廠水源后，協(xié)助業(yè)主簽訂“供水協(xié)議”或取水許可。
1.2 明確冷卻方案
電廠冷卻方案不僅決定了電廠需水量，還影響電廠的占地面積、其他相關(guān)專業(yè)的布置等，需要在前期階段明確；痣姀S的冷卻方式及工藝方案很多：按散熱介質(zhì)分為空冷和濕冷？绽溆址譃橹苯涌绽、間接空冷；濕冷又分為二次循環(huán)、直流冷卻。以二次循環(huán)為例，又根據(jù)所采取的冷卻構(gòu)筑物不同，分為帶自然通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)和帶機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)；以直接空冷為例，又與輔機(jī)、給水泵汽輪機(jī)的冷卻方式不同而構(gòu)成不同的冷卻系統(tǒng)。
本項(xiàng)目水源水量可以滿足2×350MW容量濕冷機(jī)組的耗水量，且項(xiàng)目所在地年平均氣溫較低、年利用小時(shí)5000h，參照該地區(qū)同類項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，采用帶自然通風(fēng)冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)。
1.3 明確排水方案
電廠的排水包括生活污水、工業(yè)廢水、含油污水、雨水等。其中雨水允許直接外排，其他類型的無(wú)廢水需要經(jīng)過(guò)處理達(dá)標(biāo)后方可外排。
現(xiàn)階段，為了降低耗水指標(biāo)以及減輕電廠排水對(duì)環(huán)境的污染，將生活污水、工業(yè)廢水、含油污水等在廠內(nèi)處理后回收利用，但仍然需要設(shè)置事故排放管道。
應(yīng)確定受納水體的性質(zhì)，是否允許電廠排水進(jìn)入該水體。
設(shè)計(jì)單位應(yīng)協(xié)助建設(shè)單位取得相關(guān)部門及單位的排水許可。
本項(xiàng)目事故排水送至滿城縣污水廠，雨水排入滿城縣泄洪溝。
1.4 確定管線路由
管線路由即廠外補(bǔ)給水管線及排水管線的敷設(shè)路徑。設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，初步確定走向后，將方案以文件的形式報(bào)送當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門，批準(zhǔn)后進(jìn)行測(cè)量工作。
1.5 配合各種專項(xiàng)報(bào)告的編制
大型項(xiàng)目需要進(jìn)行專項(xiàng)研究報(bào)告的編制，與水工工藝專業(yè)聯(lián)系較多的是環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告、水資源論證報(bào)告以及節(jié)能評(píng)估報(bào)告。雖然這些專項(xiàng)報(bào)告由專門的編制單位完成，但是這些報(bào)告中的一些數(shù)據(jù)、資料、參數(shù)是基于“項(xiàng)目可研報(bào)告”中的內(nèi)容，項(xiàng)目外部條件比較復(fù)雜時(shí)，需要設(shè)計(jì)人員與專項(xiàng)報(bào)告編制單位進(jìn)行溝通、答疑。
1.6 初步確定主要工藝方案
在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)可研報(bào)告、環(huán)評(píng)報(bào)告及批復(fù)意見等前期文件，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，
本階段需要確定系統(tǒng)方案、主要設(shè)備的參數(shù)、管材管徑、初步工程量統(tǒng)計(jì)等工作。具體的設(shè)計(jì)方案根據(jù)初步設(shè)計(jì)審查會(huì)專家審查意見進(jìn)行修改。
初步設(shè)計(jì)時(shí)，水工工藝專業(yè)需提供的圖紙目錄如表1所示。
2 工藝方案及優(yōu)化
水工工藝專業(yè)負(fù)責(zé)的內(nèi)容包括：廠外取水輸水、廠外排水、循環(huán)水系統(tǒng)、廠內(nèi)補(bǔ)給水系統(tǒng)、公用水系統(tǒng)、水務(wù)管理與節(jié)水、生活給水系統(tǒng)、生活排水系統(tǒng)、雨水排水系統(tǒng)、含油廢水收集與處理、生活污水處理、消防系統(tǒng)等。
2.1 廠外補(bǔ)給水系統(tǒng)
根據(jù)全廠水量平衡計(jì)算，2×350MW機(jī)組最大小時(shí)耗水量為1533m3/h，廠外補(bǔ)給水管道、取水泵房等按照該設(shè)計(jì)流量選型。
該工程采用2座污水處理廠的出水為主水源，并采用南水北調(diào)水作為備用水源。
在A污水廠內(nèi)新建一座中水提升泵房，污水廠的出水經(jīng)過(guò)升壓后提升至電廠內(nèi)，提升泵的參數(shù)：Q=700m3/h，H=20m，P=90kW，共設(shè)置3臺(tái)（2用1備）。A污水廠與電廠之間采用1根DN600的管道，管材可選為涂覆鋼管、鋼管架復(fù)合管或鑄鐵管等耐腐蝕的管材。
因取用B污水廠的水量較少，且距離電廠較遠(yuǎn)（約12km），廠內(nèi)設(shè)有中水升壓泵，經(jīng)復(fù)核能夠滿足電廠使用要求，故僅在B污水廠與電廠之間敷設(shè)DN400的管道。
廠外補(bǔ)給水管道的敷設(shè)方式為直埋，管頂覆土1.6m左右。穿越公路處采用頂管施工，穿越河流時(shí)采用倒虹管從河底穿越。
2.2 廠外排水系統(tǒng)
采用有壓排水的方式，廢水排水主要為事故排水，按照最大事故排水量250m3/h考慮，采用DN300的鋼骨架復(fù)合管。由于電廠采用了先進(jìn)的節(jié)水措施，如各種廢污水經(jīng)過(guò)處理后回收利用、循環(huán)水排水經(jīng)過(guò)脫鹽后回補(bǔ)至循環(huán)水系統(tǒng)、階梯用水、重復(fù)用水等，電廠幾乎無(wú)廢水外排，但是考慮到無(wú)廢水處理流程長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，若發(fā)生故障將影響機(jī)組正常的生產(chǎn)運(yùn)行。值得說(shuō)明的是，電廠一般允許外排循環(huán)水排污水，而且大多數(shù)會(huì)隨雨水一起排入到受納水體中，但是本項(xiàng)目雨水排入到滿城縣泄洪溝，且泄洪溝下游為保定市的景觀河，故不允許廢污水排入到泄洪溝中。
廠外雨水排水采用帶承壓檢查孔的有壓排水方式，管道材質(zhì)為焊接鋼管，承壓檢查孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2
這種設(shè)計(jì)方案，不影響正常的清淤檢修，但造價(jià)比承壓式檢查井降低30%。
2.3 循環(huán)水系統(tǒng)的配置及優(yōu)化
由凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵、循環(huán)水管道組成的循環(huán)水系統(tǒng)又稱為“冷端”，冷端優(yōu)化是水工工藝專業(yè)在電廠設(shè)計(jì)中必做的專題，通過(guò)專題研究確定最優(yōu)的凝汽器面積、冷卻塔尺寸、循環(huán)水量、管道直徑等。值得說(shuō)明的是，冷端優(yōu)化時(shí)應(yīng)注意區(qū)分汽輪機(jī)的機(jī)型，當(dāng)機(jī)組為供熱機(jī)組時(shí)，汽輪機(jī)的“微增功率曲線”（或熱耗—背壓曲線）與純凝機(jī)組差別較大，該曲線的選擇不僅影響汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片的設(shè)計(jì)選型，還影響冷端配置。
一般而言，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組（抽凝機(jī)組）由于真實(shí)凝汽量較少，冷端配置過(guò)大不僅會(huì)增加投資，還會(huì)導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況的情況發(fā)生，水泵效率低、電耗高。
本工程在參考同類機(jī)組設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)研究結(jié)論、規(guī)劃院專家意見的基礎(chǔ)上，最終確定的冷端參數(shù)如2表所示。
2.4 廠內(nèi)補(bǔ)給水系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將廠外來(lái)水輸送至原水凈化站（常規(guī)水處理），凈化后的清水送至化學(xué)水處理車間以及冷卻塔水池。
輸水方式可采用重力流或水泵加壓輸送，主要根據(jù)輸水管線起終點(diǎn)的距離、水頭差等確定。
對(duì)于一般工程，冷卻塔補(bǔ)水與化學(xué)水處理車間補(bǔ)水為同一水源，可共用補(bǔ)給水管道，只需要在管道設(shè)計(jì)時(shí)，考慮二者的流量分配。
本工程特殊之處是電廠有兩種水質(zhì)差異很大的水源，即中水和南水北調(diào)水？紤]到鍋爐補(bǔ)水的要求高，若補(bǔ)水不達(dá)標(biāo)會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組正常運(yùn)行，所以鍋爐補(bǔ)水的水源采用南水北調(diào)水；而循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)本身比較差，且系統(tǒng)內(nèi)重要設(shè)備材質(zhì)為316L不銹鋼，可以耐受較差水質(zhì)而不發(fā)生腐蝕，因此，冷卻塔的補(bǔ)水水源采用污水處理廠的中水。
2.5 公用水系統(tǒng)
公用水系統(tǒng)在火電廠中又稱為復(fù)用水系統(tǒng)或雜用水系統(tǒng)，主要是用于電廠內(nèi)主廠房地面沖洗、道路及綠地澆灑、干灰加濕及灰?guī)鞗_洗補(bǔ)水、空預(yù)器沖洗、機(jī)組排水槽降溫、油泵房及啟動(dòng)鍋爐房沖洗、輸煤系統(tǒng)沖洗水補(bǔ)水等。
由于這些用水點(diǎn)對(duì)水質(zhì)的要求低，一般采用循環(huán)水排污水作為水源。
值得說(shuō)明的是，“循環(huán)水排污水”名稱雖然為污水，但是其水質(zhì)與運(yùn)行中的循環(huán)水水質(zhì)是一樣的，排污的目的主要是為了維持循環(huán)水中的離子濃度恒定？梢灾苯佑糜谶\(yùn)煤、除灰等雜用，本工程為了降低管路的腐蝕與結(jié)垢、以及防止懸浮物超標(biāo)，將循環(huán)水排污水進(jìn)行混凝沉淀處理后，再補(bǔ)充至公用水池。
公用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與相關(guān)專業(yè)———運(yùn)煤、除灰、鍋爐、汽機(jī)緊密配合，明確所需水量、水質(zhì)、水壓，本工程采用2臺(tái)變頻公用水泵，水泵參數(shù)為：Q=90~150m3/h，H=65~55m。
由于空預(yù)器沖洗為不經(jīng)常用水，且沖洗水量較大，管道規(guī)格選型時(shí)應(yīng)考慮該水量，防止管徑過(guò)低，無(wú)法滿足空預(yù)器沖洗泵進(jìn)口壓力要求。對(duì)于350MW等級(jí)火電廠而言，建議管徑不低于250mm。
2.6 含油廢水的收集及處理
電廠含油污水主要來(lái)自于以下地方：磨煤機(jī)潤(rùn)滑油站，柴油發(fā)電機(jī)，啟動(dòng)鍋爐房，油庫(kù)區(qū)，油泵房，主機(jī)事故放油，主油箱，臟凈油箱，頂軸油泵，冷油器，油管道，變壓器事故放油，柴油機(jī)消防泵，空壓機(jī)潤(rùn)滑油站。
含油污水經(jīng)過(guò)處理設(shè)備處理后，可以送至原水凈化站，經(jīng)過(guò)處理后作為補(bǔ)充水補(bǔ)充至冷卻塔內(nèi)；也可以送至煤場(chǎng)噴灑。
本工程含油廢水處理及回用的流程如圖2所示。
2.7 節(jié)水措施
電廠作為大型用水戶及排水戶，合理利用水資源，一水多用，重復(fù)利用，節(jié)約用水保護(hù)環(huán)境是非常必要的。根據(jù)電廠各用水點(diǎn)的水量和水質(zhì)要求，對(duì)電廠排水進(jìn)行不同方式的處理后，再重復(fù)利用。全廠排水按排水水質(zhì)分為生活污水，含油廢水，工業(yè)廢水及循環(huán)水排放水等。
a）電廠生活污水排至生活污水處理站，處理后排至再生水深度處理站。
b）部分循環(huán)水排污水補(bǔ)充至脫硫，部分經(jīng)過(guò)高密度沉淀池處理后回用于公用水消耗。多余的循環(huán)水排污水經(jīng)過(guò)高密度沉淀池處理后外排。
c）化學(xué)水處理超濾反洗水、連續(xù)電解除鹽技術(shù)EDI（electrodeionization）極水等回用于再生水深度處理站。
d）運(yùn)煤系統(tǒng)沖洗排水排至煤泥沉淀池，經(jīng)混凝沉淀處理后循環(huán)重復(fù)使用；主廠房的沖洗排水經(jīng)工業(yè)廢水處理站處理后至公用水系統(tǒng)利用。
e）脫硫廢水補(bǔ)充至輸煤沖洗水系統(tǒng)。
f）含油廢水經(jīng)過(guò)處理后送至煤泥水處理車間，處理后補(bǔ)充至輸煤沖洗系統(tǒng)。
g）精處理再生酸堿廢水排至工業(yè)廢水處理站集中處理。
3施工圖設(shè)計(jì)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)
在司令圖階段確定了管道、設(shè)備參數(shù)之后，施工圖的設(shè)計(jì)主要是對(duì)上階段確定的方案進(jìn)行細(xì)化，達(dá)到施工方可以照?qǐng)D施工的目的。以管道安裝圖和設(shè)備安裝圖為主，較少繪制原理圖、流程圖等。
3.1 循環(huán)水管道的繪制
電廠循環(huán)水管道的管徑較大，連接的鋼制管件無(wú)法從國(guó)標(biāo)圖集中選擇，而是從《典施水》圖集中查找，即便如此，若僅依靠圖集來(lái)繪圖，仍會(huì)出現(xiàn)管道敷設(shè)走向不順暢、管材用量大、局部損失多等弊端。
在本工程的循環(huán)水管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用了《鋼構(gòu)CAD》軟件，繪制出了大量非標(biāo)管件，如帶空間轉(zhuǎn)角的斜三通、帶空間轉(zhuǎn)角的牛角彎頭、Y型異徑三通、Z型管件、任意角度彎頭、任意角度大小頭等，通過(guò)采用這些特殊的管件，理順了管道走向，節(jié)省了管材、降低了水流的局部水頭損失。繪制循環(huán)水管道安裝圖時(shí)，應(yīng)留意不同管徑的壁厚差異、空間轉(zhuǎn)角的計(jì)算、彎頭轉(zhuǎn)彎半徑的選擇，注意避讓變壓器基礎(chǔ)、主廠房基礎(chǔ)以及封閉母線基礎(chǔ)。
3.2 廠區(qū)管線的統(tǒng)籌規(guī)劃
電廠廠區(qū)室外管線眾多，重力流管線有：生活污水排水管道、雨水排水管道、清潔廢水排水管道、事故排水管道。壓力流管線有：循環(huán)水管道、生活給水管道、消防管道、補(bǔ)給水管道、公用水管道、循環(huán)水排污管道、工業(yè)廢水管道、含油廢水回用管道、工業(yè)廢水回用管道、雨水升壓排水管道等。
除了以上水工工藝專業(yè)的管線外，還有采暖管道、空調(diào)冷卻水管道、空調(diào)水管道、溴機(jī)蒸汽管道、化學(xué)精處理廢水管道、電纜溝道等。
可以看出廠區(qū)內(nèi)管線錯(cuò)綜復(fù)雜，做好管線平面布置及豎向布置非常重要，否則在施工時(shí)管道交叉碰撞，小管徑有壓管尚且可以翻折避讓，但是重力流管線無(wú)法轉(zhuǎn)彎，只能整體移動(dòng)。若重力流管道在設(shè)計(jì)時(shí)，豎向碰撞檢查不充分，將會(huì)造成施工返工的事故。
在該工程的廠區(qū)管線規(guī)劃設(shè)計(jì)中采用了《杰圖工廠管線協(xié)同設(shè)計(jì)程序》，該程序可自動(dòng)檢查碰撞，自動(dòng)水力計(jì)算，自動(dòng)出斷面圖等。
為了繪圖效率，建議按照先重力流后壓力流、先大管道后小管道的原則進(jìn)行繪制，可按照以下順序進(jìn)行：循環(huán)水管道→雨水管道→污水管道→事故排油管道→清潔廢水管道→雨水升壓管道→補(bǔ)給水管道→消防管道→……。
通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)，本工程廠區(qū)管線在施工過(guò)程中未發(fā)生設(shè)計(jì)變更或工程聯(lián)系單之類的修改設(shè)計(jì)的事件發(fā)生。
3.3 泵坑排水設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
電廠室內(nèi)外有十幾個(gè)排水坑，這些排水坑需要進(jìn)行升壓排水，多采用新型的無(wú)密封自控自吸泵，此泵型具有多種優(yōu)點(diǎn)，如：液上安裝、一次灌水終身自吸、液位控制啟停、檢修維護(hù)方便、耐固體雜質(zhì)沖刷等。但該種泵必需安裝在液位之上，若水泵泵軸在液位以下，便會(huì)產(chǎn)生漏水事故，以至于電機(jī)被淹。
3.4 壓力流管線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
有壓管道，可以自由翻折，設(shè)計(jì)施工均比重力流管道簡(jiǎn)單。有時(shí)由于地下空間不足，需要將有壓管道敷設(shè)于管架之上，此時(shí)管道高點(diǎn)容易發(fā)生負(fù)壓現(xiàn)象，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員注意。若高低點(diǎn)高差超過(guò)6m，建議繪制管道系統(tǒng)總水頭線、測(cè)壓管水頭線等水力曲線，檢查管道內(nèi)壓力變化。并在管道最高點(diǎn)設(shè)置進(jìn)排氣閥、最高點(diǎn)下游管道比上游管道小一個(gè)等級(jí)。
4 雨水的利用
本工程位于華北地區(qū)，全年雨水量較小，大雨集中在7月—9月，且次數(shù)較少，為了節(jié)約電廠的用水量，考慮雨水回收措施。
因電廠占地面積較小，建設(shè)大型地下雨水蓄水池不現(xiàn)實(shí)，且很不經(jīng)濟(jì)。
主要是利用進(jìn)水前池中潛水泵。潛水泵設(shè)置高水位啟泵、低水位停泵的控制方式，將收集的雨水提升至附近的冷卻塔水池內(nèi)。補(bǔ)充電廠循環(huán)水系統(tǒng)的水量損失。
此外，加強(qiáng)運(yùn)行管理，密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào)情況，改雨水泵的自動(dòng)控制為手動(dòng)控制模式，利用雨水管道具有較大容積的特性，蓄積雨水，待到報(bào)警水位后，根據(jù)雨勢(shì)情況，啟動(dòng)雨水泵，若雨水迅猛，則啟動(dòng)所有雨水泵；若雨水較小，可開啟1臺(tái)雨水泵，待水位下降至一定水位后停泵。
雖然手動(dòng)控制水泵，運(yùn)行繁瑣，但可以在不增加投資的情況下，有效地回收利用雨水。
5 結(jié)束語(yǔ)
a）水工工藝專業(yè)應(yīng)參與到火電項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程之中，且前期工作量較多。
b）應(yīng)在前期工作中落實(shí)水源、排水，冷卻方案等關(guān)鍵性技術(shù)方案。
c）供熱機(jī)組冷端優(yōu)化應(yīng)區(qū)別與純凝機(jī)組的優(yōu)化。
d）采用先進(jìn)的輔助設(shè)計(jì)軟件，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及設(shè)計(jì)速度。
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