保定西北郊電廠水工工藝專業設計案例分析
摘要：為了促進火力發電廠設計水平，對保定西北郊電廠的水工工藝專業負責內容進行了論述說明，介紹了各工程階段水工專業的工作重點、設計優化內容、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。
關鍵詞：火電廠；水工工藝；設計階段；冷端優化；施工圖；雨水利用
0 引言
大型火力發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已投產運行，各項指標優于設計值，其優化設計的思想貫穿于整個設計過程。
1 工程前期水工專業工作重點
“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
水工工藝專業必需要熟悉國家產業政策，分清哪些是鼓勵、支持、淘汰的工藝技術，如國家發展改革委以發改能源[2004]864號文規定：在北方缺水地區，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。這些地區建設的火電廠要與城市污水處理廠統一規劃，配套同步建設。坑口電站項目首先考慮使用礦井疏干水，鼓勵沿海缺水地區利用火電廠余熱進行海水淡化。在熱負荷比較集中，或熱負荷發展潛力較大的大中型城市，應根據電力和城市熱力規劃，結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及以上的環保、高效發電機組，建設大型發電供熱兩用電站。
本項目為利用城市污水廠出水的2×350MW超臨界熱電聯產項目，屬于國家政策鼓勵型項目。水工工藝專業需要根據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、水源水質穩定可靠、水源與電廠距離符合工程建設的經濟性。
確定電廠水源后，協助業主簽訂“供水協議”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、其他相關專業的布置等，需要在前期階段明確。火電廠的冷卻方式及工藝方案很多：按散熱介質分為空冷和濕冷。空冷又分為直接空冷、間接空冷；濕冷又分為二次循環、直流冷卻。以二次循環為例，又根據所采取的冷卻構筑物不同，分為帶自然通風冷卻塔的二次循環冷卻系統和帶機械通風冷卻塔的二次循環冷卻系統；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成不同的冷卻系統。
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，參照該地區同類項目經驗，采用帶自然通風冷卻塔的二次循環冷卻系統。
1.3 明確排水方案
電廠的排水包括生活污水、工業廢水、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過處理達標后方可外排。
現階段，為了降低耗水指標以及減輕電廠排水對環境的污染，將生活污水、工業廢水、含油污水等在廠內處理后回收利用，但仍然需要設置事故排放管道。
應確定受納水體的性質，是否允許電廠排水進入該水體。
設計單位應協助建設單位取得相關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。設計人員應進行現場踏勘，初步確定走向后，將方案以文件的形式報送當地規劃部門，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，與水工工藝專業聯系較多的是環境影響評價報告、水資源論證報告以及節能評估報告。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據、資料、參數是基于“項目可研報告”中的內容，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，設計人員根據可研報告、環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方案、主要設備的參數、管材管徑、初步工程量統計等工作。具體的設計方案根據初步設計審查會專家審查意見進行修改。
初步設計時，水工工藝專業需提供的圖紙目錄如表1所示。
2 工藝方案及優化
水工工藝專業負責的內容包括：廠外取水輸水、廠外排水、循環水系統、廠內補給水系統、公用水系統、水務管理與節水、生活給水系統、生活排水系統、雨水排水系統、含油廢水收集與處理、生活污水處理、消防系統等。
2.1 廠外補給水系統
根據全廠水量平衡計算，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，并采用南水北調水作為備用水源。
在A污水廠內新建一座中水提升泵房，污水廠的出水經過升壓后提升至電廠內，提升泵的參數：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），廠內設有中水升壓泵，經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
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水措施，如各種廢污水經過處理后回收利用、循環水排水經過脫鹽后回補至循環水系統、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，若發生故障將影響機組正常的生產運行。值得說明的是，電廠一般允許外排循環水排污水，而且大多數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，管道材質為焊接鋼管，承壓檢查孔結構如圖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 循環水系統的配置及優化
由凝汽器、冷卻塔、循環水泵、循環水管道組成的循環水系統又稱為“冷端”，冷端優化是水工工藝專業在電廠設計中必做的專題，通過專題研究確定最優的凝汽器面積、冷卻塔尺寸、循環水量、管道直徑等。值得說明的是，冷端優化時應注意區分汽輪機的機型，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，熱電聯產機組（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生，水泵效率低、電耗高。
本工程在參考同類機組設計經驗、相關研究結論、規劃院專家意見的基礎上，最終確定的冷端參數如2表所示。
2.4 廠內補給水系統
該系統主要負責將廠外來水輸送至原水凈化站（常規水處理），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差異很大的水源，即中水和南水北調水。考慮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水；而循環水系統水質本身比較差，且系統內重要設備材質為316L不銹鋼，可以耐受較差水質而不發生腐蝕，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
公用水系統在火電廠中又稱為復用水系統或雜用水系統，主要是用于電廠內主廠房地面沖洗、道路及綠地澆灑、干灰加濕及灰庫沖洗補水、空預器沖洗、機組排水槽降溫、油泵房及啟動鍋爐房沖洗、輸煤系統沖洗水補水等。
由于這些用水點對水質的要求低，一般采用循環水排污水作為水源。
值得說明的是，“循環水排污水”名稱雖然為污水，但是其水質與運行中的循環水水質是一樣的，排污的目的主要是為了維持循環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垢、以及防止懸浮物超標，將循環水排污水進行混凝沉淀處理后，再補充至公用水池。
公用水系統設計時應與相關專業———運煤、除灰、鍋爐、汽機緊密配合，明確所需水量、水質、水壓，本工程采用2臺變頻公用水泵，水泵參數為：Q=90~150m3/h，H=65~55m。
由于空預器沖洗為不經常用水，且沖洗水量較大，管道規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，柴油發電機，啟動鍋爐房，油庫區，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。
含油污水經過處理設備處理后，可以送至原水凈化站，經過處理后作為補充水補充至冷卻塔內；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，節約用水保護環境是非常必要的。根據電廠各用水點的水量和水質要求，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分為生活污水，含油廢水，工業廢水及循環水排放水等。
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）部分循環水排污水補充至脫硫，部分經過高密度沉淀池處理后回用于公用水消耗。多余的循環水排污水經過高密度沉淀池處理后外排。
c）化學水處理超濾反洗水、連續電解除鹽技術EDI（electrodeionization）極水等回用于再生水深度處理站。
d）運煤系統沖洗排水排至煤泥沉淀池，經混凝沉淀處理后循環重復使用；主廠房的沖洗排水經工業廢水處理站處理后至公用水系統利用。
e）脫硫廢水補充至輸煤沖洗水系統。
f）含油廢水經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。
g）精處理再生酸堿廢水排至工業廢水處理站集中處理。
3施工圖設計過程中的經驗
在司令圖階段確定了管道、設備參數之后，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 循環水管道的繪制
電廠循環水管道的管徑較大，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。
在本工程的循環水管道設計過程中，應用了《鋼構CAD》軟件，繪制出了大量非標管件，如帶空間轉角的斜三通、帶空間轉角的牛角彎頭、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，節省了管材、降低了水流的局部水頭損失。繪制循環水管道安裝圖時，應留意不同管徑的壁厚差異、空間轉角的計算、彎頭轉彎半徑的選擇，注意避讓變壓器基礎、主廠房基礎以及封閉母線基礎。
3.2 廠區管線的統籌規劃
電廠廠區室外管線眾多，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、循環水排污管道、工業廢水管道、含油廢水回用管道、工業廢水回用管道、雨水升壓排水管道等。
除了以上水工工藝專業的管線外，還有采暖管道、空調冷卻水管道、空調水管道、溴機蒸汽管道、化學精處理廢水管道、電纜溝道等。
可以看出廠區內管線錯綜復雜，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。
在該工程的廠區管線規劃設計中采用了《杰圖工廠管線協同設計程序》，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，本工程廠區管線在施工過程中未發生設計變更或工程聯系單之類的修改設計的事件發生。
3.3 泵坑排水設計注意事項
電廠室內外有十幾個排水坑，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生負壓現象，應引起設計人員注意。若高低點高差超過6m，建議繪制管道系統總水頭線、測壓管水頭線等水力曲線，檢查管道內壓力變化。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，全年雨水量較小，大雨集中在7月—9月，且次數較少，為了節約電廠的用水量，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實，且很不經濟。
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。補充電廠循環水系統的水量損失。
此外，加強運行管理，密切關注天氣預報情況，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 結束語
a）水工工藝專業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，冷卻方案等關鍵性技術方案。
c）供熱機組冷端優化應區別與純凝機組的優化。
d）采用先進的輔助設計軟件，可以提高設計質量及設計速度。
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