保定西北郊电厂水工工艺专业设计案例分析
摘要：为了促进火力发电厂设计水平，对保定西北郊电厂的水工工艺专业负责内容进行了论述说明，介绍了各工程阶段水工专业的工作重点、设计优化内容、设计过程中遇到的问题及解决办法、以及工程的靓点，为同类型工程提供借鉴参考。
关键词：火电厂；水工工艺；设计阶段；冷端优化；施工图；雨水利用
0 引言
大型火力发电项目的建设周期较长，按照设计阶段来分，可分为：初步可行性研究阶段（或项目建议书阶段，简称初可）、可行性研究阶段（简称可研）、初步设计阶段（简称初设）、施工图设计阶段、竣工图设计阶段。保定西北郊电厂项目现已投产运行，各项指标优于设计值，其优化设计的思想贯穿于整个设计过程。
1 工程前期水工专业工作重点
“前期”分为初可、可研、初设三个阶段，其中初可主要研究项目必要性问题。
1.1 落实水源
水工工艺专业必需要熟悉国家产业政策，分清哪些是鼓励、支持、淘汰的工艺技术，如国家发展改革委以发改能源[2004]864号文规定：在北方缺水地区，新建、扩建电厂禁止取用地下水，严格控制使用地表水，鼓励利用城市污水处理厂的中水或其他废水。原则上应建设大型空冷机组，机组耗水指标要控制在0.18m3/（s·GW）以下。这些地区建设的火电厂要与城市污水处理厂统一规划，配套同步建设。坑口电站项目首先考虑使用矿井疏干水，鼓励沿海缺水地区利用火电厂余热进行海水淡化。在热负荷比较集中，或热负荷发展潜力较大的大中型城市，应根据电力和城市热力规划，结合交通运输和城市污水处理厂布局等因素，争取采用单机容量30万kW及以上的环保、高效发电机组，建设大型发电供热两用电站。
本项目为利用城市污水厂出水的2×350MW超临界热电联产项目，属于国家政策鼓励型项目。水工工艺专业需要根据水源水量情况选择合理的主机冷却工艺。重点是确保水源的可靠性，即水源水量满足工艺要求、水源水质稳定可靠、水源与电厂距离符合工程建设的经济性。
确定电厂水源后，协助业主签订“供水协议”或取水许可。
1.2 明确冷却方案
电厂冷却方案不仅决定了电厂需水量，还影响电厂的占地面积、其他相关专业的布置等，需要在前期阶段明确。火电厂的冷却方式及工艺方案很多：按散热介质分为空冷和湿冷。空冷又分为直接空冷、间接空冷；湿冷又分为二次循环、直流冷却。以二次循环为例，又根据所采取的冷却构筑物不同，分为带自然通风冷却塔的二次循环冷却系统和带机械通风冷却塔的二次循环冷却系统；以直接空冷为例，又与辅机、给水泵汽轮机的冷却方式不同而构成不同的冷却系统。
本项目水源水量可以满足2×350MW容量湿冷机组的耗水量，且项目所在地年平均气温较低、年利用小时5000h，参照该地区同类项目经验，采用带自然通风冷却塔的二次循环冷却系统。
1.3 明确排水方案
电厂的排水包括生活污水、工业废水、含油污水、雨水等。其中雨水允许直接外排，其他类型的无废水需要经过处理达标后方可外排。
现阶段，为了降低耗水指标以及减轻电厂排水对环境的污染，将生活污水、工业废水、含油污水等在厂内处理后回收利用，但仍然需要设置事故排放管道。
应确定受纳水体的性质，是否允许电厂排水进入该水体。
设计单位应协助建设单位取得相关部门及单位的排水许可。
本项目事故排水送至满城县污水厂，雨水排入满城县泄洪沟。
1.4 确定管线路由
管线路由即厂外补给水管线及排水管线的敷设路径。设计人员应进行现场踏勘，初步确定走向后，将方案以文件的形式报送当地规划部门，批准后进行测量工作。
1.5 配合各种专项报告的编制
大型项目需要进行专项研究报告的编制，与水工工艺专业联系较多的是环境影响评价报告、水资源论证报告以及节能评估报告。虽然这些专项报告由专门的编制单位完成，但是这些报告中的一些数据、资料、参数是基于“项目可研报告”中的内容，项目外部条件比较复杂时，需要设计人员与专项报告编制单位进行沟通、答疑。
1.6 初步确定主要工艺方案
在初步设计阶段，设计人员根据可研报告、环评报告及批复意见等前期文件，进行方案设计，
本阶段需要确定系统方案、主要设备的参数、管材管径、初步工程量统计等工作。具体的设计方案根据初步设计审查会专家审查意见进行修改。
初步设计时，水工工艺专业需提供的图纸目录如表1所示。
2 工艺方案及优化
水工工艺专业负责的内容包括：厂外取水输水、厂外排水、循环水系统、厂内补给水系统、公用水系统、水务管理与节水、生活给水系统、生活排水系统、雨水排水系统、含油废水收集与处理、生活污水处理、消防系统等。
2.1 厂外补给水系统
根据全厂水量平衡计算，2×350MW机组最大小时耗水量为1533m3/h，厂外补给水管道、取水泵房等按照该设计流量选型。
该工程采用2座污水处理厂的出水为主水源，并采用南水北调水作为备用水源。
在A污水厂内新建一座中水提升泵房，污水厂的出水经过升压后提升至电厂内，提升泵的参数：Q=700m3/h，H=20m，P=90kW，共设置3台（2用1备）。A污水厂与电厂之间采用1根DN600的管道，管材可选为涂覆钢管、钢管架复合管或铸铁管等耐腐蚀的管材。
因取用B污水厂的水量较少，且距离电厂较远（约12km），厂内设有中水升压泵，经复核能够满足电厂使用要求，故仅在B污水厂与电厂之间敷设DN400的管道。
厂外补给水管道的敷设方式为直埋，管顶覆土1.6m左右。穿越公路处采用顶管施工，穿越河流时采用倒虹管从河底穿越。
2.2 厂外排水系统
采用有压排水的方式，废水排水主要为事故排水，按照最大事故排水量250m3/h考虑，采用DN300的钢骨架复合管。由于电厂采用了先进的节水措施，如各种废污水经过处理后回收利用、循环水排水经过脱盐后回补至循环水系统、阶梯用水、重复用水等，电厂几乎无废水外排，但是考虑到无废水处理流程长、工艺复杂，若发生故障将影响机组正常的生产运行。值得说明的是，电厂一般允许外排循环水排污水，而且大多数会随雨水一起排入到受纳水体中，但是本项目雨水排入到满城县泄洪沟，且泄洪沟下游为保定市的景观河，故不允许废污水排入到泄洪沟中。
厂外雨水排水采用带承压检查孔的有压排水方式，管道材质为焊接钢管，承压检查孔结构如图1所示。
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这种设计方案，不影响正常的清淤检修，但造价比承压式检查井降低30%。
2.3 循环水系统的配置及优化
由凝汽器、冷却塔、循环水泵、循环水管道组成的循环水系统又称为“冷端”，冷端优化是水工工艺专业在电厂设计中必做的专题，通过专题研究确定最优的凝汽器面积、冷却塔尺寸、循环水量、管道直径等。值得说明的是，冷端优化时应注意区分汽轮机的机型，当机组为供热机组时，汽轮机的“微增功率曲线”（或热耗—背压曲线）与纯凝机组差别较大，该曲线的选择不仅影响汽轮机低压缸末级叶片的设计选型，还影响冷端配置。
一般而言，热电联产机组（抽凝机组）由于真实凝汽量较少，冷端配置过大不仅会增加投资，还会导致实际运行工况严重偏离设计工况的情况发生，水泵效率低、电耗高。
本工程在参考同类机组设计经验、相关研究结论、规划院专家意见的基础上，最终确定的冷端参数如2表所示。
2.4 厂内补给水系统
该系统主要负责将厂外来水输送至原水净化站（常规水处理），净化后的清水送至化学水处理车间以及冷却塔水池。
输水方式可采用重力流或水泵加压输送，主要根据输水管线起终点的距离、水头差等确定。
对于一般工程，冷却塔补水与化学水处理车间补水为同一水源，可共用补给水管道，只需要在管道设计时，考虑二者的流量分配。
本工程特殊之处是电厂有两种水质差异很大的水源，即中水和南水北调水。考虑到锅炉补水的要求高，若补水不达标会严重影响机组正常运行，所以锅炉补水的水源采用南水北调水；而循环水系统水质本身比较差，且系统内重要设备材质为316L不锈钢，可以耐受较差水质而不发生腐蚀，因此，冷却塔的补水水源采用污水处理厂的中水。
2.5 公用水系统
公用水系统在火电厂中又称为复用水系统或杂用水系统，主要是用于电厂内主厂房地面冲洗、道路及绿地浇洒、干灰加湿及灰库冲洗补水、空预器冲洗、机组排水槽降温、油泵房及启动锅炉房冲洗、输煤系统冲洗水补水等。
由于这些用水点对水质的要求低，一般采用循环水排污水作为水源。
值得说明的是，“循环水排污水”名称虽然为污水，但是其水质与运行中的循环水水质是一样的，排污的目的主要是为了维持循环水中的离子浓度恒定。可以直接用于运煤、除灰等杂用，本工程为了降低管路的腐蚀与结垢、以及防止悬浮物超标，将循环水排污水进行混凝沉淀处理后，再补充至公用水池。
公用水系统设计时应与相关专业———运煤、除灰、锅炉、汽机紧密配合，明确所需水量、水质、水压，本工程采用2台变频公用水泵，水泵参数为：Q=90~150m3/h，H=65~55m。
由于空预器冲洗为不经常用水，且冲洗水量较大，管道规格选型时应考虑该水量，防止管径过低，无法满足空预器冲洗泵进口压力要求。对于350MW等级火电厂而言，建议管径不低于250mm。
2.6 含油废水的收集及处理
电厂含油污水主要来自于以下地方：磨煤机润滑油站，柴油发电机，启动锅炉房，油库区，油泵房，主机事故放油，主油箱，脏净油箱，顶轴油泵，冷油器，油管道，变压器事故放油，柴油机消防泵，空压机润滑油站。
含油污水经过处理设备处理后，可以送至原水净化站，经过处理后作为补充水补充至冷却塔内；也可以送至煤场喷洒。
本工程含油废水处理及回用的流程如图2所示。
2.7 节水措施
电厂作为大型用水户及排水户，合理利用水资源，一水多用，重复利用，节约用水保护环境是非常必要的。根据电厂各用水点的水量和水质要求，对电厂排水进行不同方式的处理后，再重复利用。全厂排水按排水水质分为生活污水，含油废水，工业废水及循环水排放水等。
a）电厂生活污水排至生活污水处理站，处理后排至再生水深度处理站。
b）部分循环水排污水补充至脱硫，部分经过高密度沉淀池处理后回用于公用水消耗。多余的循环水排污水经过高密度沉淀池处理后外排。
c）化学水处理超滤反洗水、连续电解除盐技术EDI（electrodeionization）极水等回用于再生水深度处理站。
d）运煤系统冲洗排水排至煤泥沉淀池，经混凝沉淀处理后循环重复使用；主厂房的冲洗排水经工业废水处理站处理后至公用水系统利用。
e）脱硫废水补充至输煤冲洗水系统。
f）含油废水经过处理后送至煤泥水处理车间，处理后补充至输煤冲洗系统。
g）精处理再生酸碱废水排至工业废水处理站集中处理。
3施工图设计过程中的经验
在司令图阶段确定了管道、设备参数之后，施工图的设计主要是对上阶段确定的方案进行细化，达到施工方可以照图施工的目的。以管道安装图和设备安装图为主，较少绘制原理图、流程图等。
3.1 循环水管道的绘制
电厂循环水管道的管径较大，连接的钢制管件无法从国标图集中选择，而是从《典施水》图集中查找，即便如此，若仅依靠图集来绘图，仍会出现管道敷设走向不顺畅、管材用量大、局部损失多等弊端。
在本工程的循环水管道设计过程中，应用了《钢构CAD》软件，绘制出了大量非标管件，如带空间转角的斜三通、带空间转角的牛角弯头、Y型异径三通、Z型管件、任意角度弯头、任意角度大小头等，通过采用这些特殊的管件，理顺了管道走向，节省了管材、降低了水流的局部水头损失。绘制循环水管道安装图时，应留意不同管径的壁厚差异、空间转角的计算、弯头转弯半径的选择，注意避让变压器基础、主厂房基础以及封闭母线基础。
3.2 厂区管线的统筹规划
电厂厂区室外管线众多，重力流管线有：生活污水排水管道、雨水排水管道、清洁废水排水管道、事故排水管道。压力流管线有：循环水管道、生活给水管道、消防管道、补给水管道、公用水管道、循环水排污管道、工业废水管道、含油废水回用管道、工业废水回用管道、雨水升压排水管道等。
除了以上水工工艺专业的管线外，还有采暖管道、空调冷却水管道、空调水管道、溴机蒸汽管道、化学精处理废水管道、电缆沟道等。
可以看出厂区内管线错综复杂，做好管线平面布置及竖向布置非常重要，否则在施工时管道交叉碰撞，小管径有压管尚且可以翻折避让，但是重力流管线无法转弯，只能整体移动。若重力流管道在设计时，竖向碰撞检查不充分，将会造成施工返工的事故。
在该工程的厂区管线规划设计中采用了《杰图工厂管线协同设计程序》，该程序可自动检查碰撞，自动水力计算，自动出断面图等。
为了绘图效率，建议按照先重力流后压力流、先大管道后小管道的原则进行绘制，可按照以下顺序进行：循环水管道→雨水管道→污水管道→事故排油管道→清洁废水管道→雨水升压管道→补给水管道→消防管道→……。
通过精细化设计，本工程厂区管线在施工过程中未发生设计变更或工程联系单之类的修改设计的事件发生。
3.3 泵坑排水设计注意事项
电厂室内外有十几个排水坑，这些排水坑需要进行升压排水，多采用新型的无密封自控自吸泵，此泵型具有多种优点，如：液上安装、一次灌水终身自吸、液位控制启停、检修维护方便、耐固体杂质冲刷等。但该种泵必需安装在液位之上，若水泵泵轴在液位以下，便会产生漏水事故，以至于电机被淹。
3.4 压力流管线设计注意事项
有压管道，可以自由翻折，设计施工均比重力流管道简单。有时由于地下空间不足，需要将有压管道敷设于管架之上，此时管道高点容易发生负压现象，应引起设计人员注意。若高低点高差超过6m，建议绘制管道系统总水头线、测压管水头线等水力曲线，检查管道内压力变化。并在管道最高点设置进排气阀、最高点下游管道比上游管道小一个等级。
4 雨水的利用
本工程位于华北地区，全年雨水量较小，大雨集中在7月—9月，且次数较少，为了节约电厂的用水量，考虑雨水回收措施。
因电厂占地面积较小，建设大型地下雨水蓄水池不现实，且很不经济。
主要是利用进水前池中潜水泵。潜水泵设置高水位启泵、低水位停泵的控制方式，将收集的雨水提升至附近的冷却塔水池内。补充电厂循环水系统的水量损失。
此外，加强运行管理，密切关注天气预报情况，改雨水泵的自动控制为手动控制模式，利用雨水管道具有较大容积的特性，蓄积雨水，待到报警水位后，根据雨势情况，启动雨水泵，若雨水迅猛，则启动所有雨水泵；若雨水较小，可开启1台雨水泵，待水位下降至一定水位后停泵。
虽然手动控制水泵，运行繁琐，但可以在不增加投资的情况下，有效地回收利用雨水。
5 结束语
a）水工工艺专业应参与到火电项目建设的全过程之中，且前期工作量较多。
b）应在前期工作中落实水源、排水，冷却方案等关键性技术方案。
c）供热机组冷端优化应区别与纯凝机组的优化。
d）采用先进的辅助设计软件，可以提高设计质量及设计速度。
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