保定西北郊電廠水工工藝專業(yè)設計案例分析
摘要：為了促進火力發(fā)電廠設計水平，對保定西北郊電廠的水工工藝專業(yè)負責內(nèi)容進行了論述說明，介紹了各工程階段水工專業(yè)的工作重點、設計優(yōu)化內(nèi)容、設計過程中遇到的問題及解決辦法、以及工程的靚點，為同類型工程提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞：火電廠；水工工藝；設計階段；冷端優(yōu)化；施工圖；雨水利用
0 引言
大型火力發(fā)電項目的建設周期較長，按照設計階段來分，可分為：初步可行性研究階段（或項目建議書階段，簡稱初可）、可行性研究階段（簡稱可研）、初步設計階段（簡稱初設）、施工圖設計階段、竣工圖設計階段。保定西北郊電廠項目現(xiàn)已投產(chǎn)運行，各項指標優(yōu)于設計值，其優(yōu)化設計的思想貫穿于整個設計過程。
1 工程前期水工專業(yè)工作重點
“前期”分為初可、可研、初設三個階段，其中初可主要研究項目必要性問題。
1.1 落實水源
水工工藝專業(yè)必需要熟悉國家產(chǎn)業(yè)政策，分清哪些是鼓勵、支持、淘汰的工藝技術(shù)，如國家發(fā)展改革委以發(fā)改能源[2004]864號文規(guī)定：在北方缺水地區(qū)，新建、擴建電廠禁止取用地下水，嚴格控制使用地表水，鼓勵利用城市污水處理廠的中水或其他廢水。原則上應建設大型空冷機組，機組耗水指標要控制在0.18m3/（s·GW）以下。這些地區(qū)建設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？涌陔娬卷椖渴紫瓤紤]使用礦井疏干水，鼓勵沿海缺水地區(qū)利用火電廠余熱進行海水淡化。在熱負荷比較集中，或熱負荷發(fā)展?jié)摿^大的大中型城市，應根據(jù)電力和城市熱力規(guī)劃，結(jié)合交通運輸和城市污水處理廠布局等因素，爭取采用單機容量30萬kW及以上的環(huán)保、高效發(fā)電機組，建設大型發(fā)電供熱兩用電站。
本項目為利用城市污水廠出水的2×350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)項目，屬于國家政策鼓勵型項目。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冷卻工藝。重點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的經(jīng)濟性。
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？绽溆址譃橹苯涌绽洹㈤g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，分為帶自然通風冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)和帶機械通風冷卻塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)；以直接空冷為例，又與輔機、給水泵汽輪機的冷卻方式不同而構(gòu)成不同的冷卻系統(tǒng)。
本項目水源水量可以滿足2×350MW容量濕冷機組的耗水量，且項目所在地年平均氣溫較低、年利用小時5000h，參照該地區(qū)同類項目經(jīng)驗，采用帶自然通風冷卻塔的二次循環(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，其他類型的無廢水需要經(jīng)過處理達標后方可外排。
現(xiàn)階段，為了降低耗水指標以及減輕電廠排水對環(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，但仍然需要設置事故排放管道。
應確定受納水體的性質(zhì)，是否允許電廠排水進入該水體。
設計單位應協(xié)助建設單位取得相關(guān)部門及單位的排水許可。
本項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
管線路由即廠外補給水管線及排水管線的敷設路徑。設計人員應進行現(xiàn)場踏勘，初步確定走向后，將方案以文件的形式報送當?shù)匾?guī)劃部門，批準后進行測量工作。
1.5 配合各種專項報告的編制
大型項目需要進行專項研究報告的編制，與水工工藝專業(yè)聯(lián)系較多的是環(huán)境影響評價報告、水資源論證報告以及節(jié)能評估報告。雖然這些專項報告由專門的編制單位完成，但是這些報告中的一些數(shù)據(jù)、資料、參數(shù)是基于“項目可研報告”中的內(nèi)容，項目外部條件比較復雜時，需要設計人員與專項報告編制單位進行溝通、答疑。
1.6 初步確定主要工藝方案
在初步設計階段，設計人員根據(jù)可研報告、環(huán)評報告及批復意見等前期文件，進行方案設計，
本階段需要確定系統(tǒng)方案、主要設備的參數(shù)、管材管徑、初步工程量統(tǒng)計等工作。具體的設計方案根據(jù)初步設計審查會專家審查意見進行修改。
初步設計時，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)負責的內(nèi)容包括：廠外取水輸水、廠外排水、循環(huán)水系統(tǒng)、廠內(nèi)補給水系統(tǒng)、公用水系統(tǒng)、水務管理與節(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 廠外補給水系統(tǒng)
根據(jù)全廠水量平衡計算，2×350MW機組最大小時耗水量為1533m3/h，廠外補給水管道、取水泵房等按照該設計流量選型。
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，共設置3臺（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（約12km），廠內(nèi)設有中水升壓泵，經(jīng)復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DN400的管道。
廠外補給水管道的敷設方式為直埋，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的鋼骨架復合管。由于電廠采用了先進的節(jié)水措施，如各種廢污水經(jīng)過處理后回收利用、循環(huán)水排水經(jīng)過脫鹽后回補至循環(huán)水系統(tǒng)、階梯用水、重復用水等，電廠幾乎無廢水外排，但是考慮到無廢水處理流程長、工藝復雜，若發(fā)生故障將影響機組正常的生產(chǎn)運行。值得說明的是，電廠一般允許外排循環(huán)水排污水，而且大多數(shù)會隨雨水一起排入到受納水體中，但是本項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
這種設計方案，不影響正常的清淤檢修，但造價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)在電廠設計中必做的專題，通過專題研究確定最優(yōu)的凝汽器面積、冷卻塔尺寸、循環(huán)水量、管道直徑等。值得說明的是，冷端優(yōu)化時應注意區(qū)分汽輪機的機型，當機組為供熱機組時，汽輪機的“微增功率曲線”（或熱耗—背壓曲線）與純凝機組差別較大，該曲線的選擇不僅影響汽輪機低壓缸末級葉片的設計選型，還影響冷端配置。
一般而言，熱電聯(lián)產(chǎn)機組（抽凝機組）由于真實凝汽量較少，冷端配置過大不僅會增加投資，還會導致實際運行工況嚴重偏離設計工況的情況發(fā)生，水泵效率低、電耗高。
本工程在參考同類機組設計經(jīng)驗、相關(guān)研究結(jié)論、規(guī)劃院專家意見的基礎上，最終確定的冷端參數(shù)如2表所示。
2.4 廠內(nèi)補給水系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要負責將廠外來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)輸水管線起終點的距離、水頭差等確定。
對于一般工程，冷卻塔補水與化學水處理車間補水為同一水源，可共用補給水管道，只需要在管道設計時，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]到鍋爐補水的要求高，若補水不達標會嚴重影響機組正常運行，所以鍋爐補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_洗補水、空預器沖洗、機組排水槽降溫、油泵房及啟動鍋爐房沖洗、輸煤系統(tǒng)沖洗水補水等。
由于這些用水點對水質(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。可以直接用于運煤、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，將循環(huán)水排污水進行混凝沉淀處理后，再補充至公用水池。
公用水系統(tǒng)設計時應與相關(guān)專業(yè)———運煤、除灰、鍋爐、汽機緊密配合，明確所需水量、水質(zhì)、水壓，本工程采用2臺變頻公用水泵，水泵參數(shù)為：Q=90~150m3/h，H=65~55m。
由于空預器沖洗為不經(jīng)常用水，且沖洗水量較大，管道規(guī)格選型時應考慮該水量，防止管徑過低，無法滿足空預器沖洗泵進口壓力要求。對于350MW等級火電廠而言，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自于以下地方：磨煤機潤滑油站，柴油發(fā)電機，啟動鍋爐房，油庫區(qū)，油泵房，主機事故放油，主油箱，臟凈油箱，頂軸油泵，冷油器，油管道，變壓器事故放油，柴油機消防泵，空壓機潤滑油站。
含油污水經(jīng)過處理設備處理后，可以送至原水凈化站，經(jīng)過處理后作為補充水補充至冷卻塔內(nèi)；也可以送至煤場噴灑。
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，重復利用，節(jié)約用水保護環(huán)境是非常必要的。根據(jù)電廠各用水點的水量和水質(zhì)要求，對電廠排水進行不同方式的處理后，再重復利用。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)水排污水補充至脫硫，部分經(jīng)過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)過高密度沉淀池處理后外排。
c）化學水處理超濾反洗水、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）脫硫廢水補充至輸煤沖洗水系統(tǒng)。
f）含油廢水經(jīng)過處理后送至煤泥水處理車間，處理后補充至輸煤沖洗系統(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施工圖設計過程中的經(jīng)驗
在司令圖階段確定了管道、設備參數(shù)之后，施工圖的設計主要是對上階段確定的方案進行細化，達到施工方可以照圖施工的目的。以管道安裝圖和設備安裝圖為主，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，連接的鋼制管件無法從國標圖集中選擇，而是從《典施水》圖集中查找，即便如此，若僅依靠圖集來繪圖，仍會出現(xiàn)管道敷設走向不順暢、管材用量大、局部損失多等弊端。
在本工程的循環(huán)水管道設計過程中，應用了《鋼構(gòu)CAD》軟件，繪制出了大量非標管件，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，應留意不同管徑的壁厚差異、空間轉(zhuǎn)角的計算、彎頭轉(zhuǎn)彎半徑的選擇，注意避讓變壓器基礎、主廠房基礎以及封閉母線基礎。
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、溴機蒸汽管道、化學精處理廢水管道、電纜溝道等。
可以看出廠區(qū)內(nèi)管線錯綜復雜，做好管線平面布置及豎向布置非常重要，否則在施工時管道交叉碰撞，小管徑有壓管尚且可以翻折避讓，但是重力流管線無法轉(zhuǎn)彎，只能整體移動。若重力流管道在設計時，豎向碰撞檢查不充分，將會造成施工返工的事故。
在該工程的廠區(qū)管線規(guī)劃設計中采用了《杰圖工廠管線協(xié)同設計程序》，該程序可自動檢查碰撞，自動水力計算，自動出斷面圖等。
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行繪制，可按照以下順序進行：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→補給水管道→消防管道→……。
通過精細化設計，本工程廠區(qū)管線在施工過程中未發(fā)生設計變更或工程聯(lián)系單之類的修改設計的事件發(fā)生。
3.3 泵坑排水設計注意事項
電廠室內(nèi)外有十幾個排水坑，這些排水坑需要進行升壓排水，多采用新型的無密封自控自吸泵，此泵型具有多種優(yōu)點，如：液上安裝、一次灌水終身自吸、液位控制啟停、檢修維護方便、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，便會產(chǎn)生漏水事故，以至于電機被淹。
3.4 壓力流管線設計注意事項
有壓管道，可以自由翻折，設計施工均比重力流管道簡單。有時由于地下空間不足，需要將有壓管道敷設于管架之上，此時管道高點容易發(fā)生負壓現(xiàn)象，應引起設計人員注意。若高低點高差超過6m，建議繪制管道系統(tǒng)總水頭線、測壓管水頭線等水力曲線，檢查管道內(nèi)壓力變化。并在管道最高點設置進排氣閥、最高點下游管道比上游管道小一個等級。
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，建設大型地下雨水蓄水池不現(xiàn)實，且很不經(jīng)濟。
主要是利用進水前池中潛水泵。潛水泵設置高水位啟泵、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)。補充電廠循環(huán)水系統(tǒng)的水量損失。
此外，加強運行管理，密切關(guān)注天氣預報情況，改雨水泵的自動控制為手動控制模式，利用雨水管道具有較大容積的特性，蓄積雨水，待到報警水位后，根據(jù)雨勢情況，啟動雨水泵，若雨水迅猛，則啟動所有雨水泵；若雨水較小，可開啟1臺雨水泵，待水位下降至一定水位后停泵。
雖然手動控制水泵，運行繁瑣，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
a）水工工藝專業(yè)應參與到火電項目建設的全過程之中，且前期工作量較多。
b）應在前期工作中落實水源、排水，冷卻方案等關(guān)鍵性技術(shù)方案。
c）供熱機組冷端優(yōu)化應區(qū)別與純凝機組的優(yōu)化。
d）采用先進的輔助設計軟件，可以提高設計質(zhì)量及設計速度。
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