核電站、火電廠水工系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用

楊滿成，周金全

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京100035)

0 引言

核電站和火電廠水工系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而又綜合性的工作［1］。為保證其工程質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、降低工程造價(jià)以及建成后獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案是投入小、收益大、見效快的重要手段之一。水工系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)緊緊圍繞“循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)電、節(jié)約能源、提高效率、提高安全可靠性”的基本要求來(lái)開展。

1 核電站工程取、排水口布置設(shè)計(jì)優(yōu)化

秦山核電二期和二期擴(kuò)建工程均為2臺(tái)600 MW機(jī)組，每期循環(huán)水總水量為78 m3/s。該廠址面向杭州灣，水深流急，漲落潮流速均可達(dá)2.5 m/s左右。多年平均潮差約5.2 m，海域取水水深10.0 m以上，局部地區(qū)可達(dá)20余m。該海域取水地段最大含沙量為 6.0 ～8.0 kg/m3，平均含沙量為2.5 kg/m3。這對(duì)取水頭部、管渠、泵房系統(tǒng)布置和設(shè)計(jì)提出了更高要求。

廠址南側(cè)海域東西方向有2個(gè)磯頭，由于漲落潮的作用，磯頭周圍形成較深的沖刷坑，為二期和二期擴(kuò)建工程設(shè)置2個(gè)取水口提供了有利位置，兩期工程取水口相距約1 000 m。經(jīng)水工模型試驗(yàn)和優(yōu)化方案，確定二期和二期擴(kuò)建工程為一個(gè)排水口，具體位置設(shè)在二期取水口下游550 m處，該處巖石露頭，漲、落潮流速較大，溫排水和低放廢水稀釋擴(kuò)散條件較好。

秦山核電二期取排水工程物理模型試驗(yàn)的結(jié)果表明:取水口的瞬時(shí)最大溫升為0.7℃，而日平均溫升不超過0.4℃;取水和排出口溫升為1.0℃;等溫線所包羅面積變化于0.9～3.1 km2;核電站溫排水和低放廢水對(duì)水環(huán)境造成的熱、核污染較小。

由于杭州灣海域含沙量大，在取水工程中，安全廠用水和循環(huán)直流水系統(tǒng)從取水頭部、輸水管渠、取水泵房的攔污柵、濾網(wǎng)到提升水泵均布置了2套系統(tǒng)，保證了安全廠用水系統(tǒng)的供水安全。

秦山核電二期和二期擴(kuò)建工程分別于2004年和2011年投入運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行情況表明:通過水工模型試驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)選取的取、排水口布置合理、設(shè)計(jì)緊湊、施工簡(jiǎn)單且運(yùn)行管理方便［2－4］。

2 直接空冷凝汽器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

中煤陜西某煤化工綜合利用項(xiàng)目，一期安裝2臺(tái)100 MW高溫高壓直接空冷抽汽式汽輪機(jī)和2臺(tái)發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)排汽冷凝系統(tǒng)將采用直接空冷系統(tǒng)。

(1)工程主要?dú)庀髤?shù)(典型年氣象數(shù)據(jù)):主廠房水平面0 m標(biāo)高，1 131.5 m;年平均氣溫，9.13℃;設(shè)計(jì)氣溫，13.60 ℃;夏天滿發(fā)氣溫，32.00 ℃;大氣壓力(平均值)，89.3 kPa。

(2)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組額定工況下的主要參數(shù):排汽壓力，35.0 kPa;排汽流量，355.89 t/h;排汽比焓，2485 kJ/kg;功率，100 MW。

(3)技術(shù)要求。

1)滿足空冷凝汽器散熱面積要求。在大氣溫度為32℃，單臺(tái)汽輪機(jī)排汽量為323.89t/h，排汽比焓為2 485 kJ/kg，外界自然風(fēng)夏季平均風(fēng)速為2.2 m/s(最大風(fēng)速16.2 m/s)，大氣壓力為 89.3 kPa，相對(duì)濕度為57.1%的條件下，風(fēng)機(jī)100%轉(zhuǎn)速時(shí)要滿足汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組額定工況的運(yùn)行要求，即汽輪機(jī)排汽裝置壓力為35.0 kPa。

2)整體空氣凝汽器系統(tǒng)(ACC)的噪聲。當(dāng)所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為100% 額定轉(zhuǎn)速時(shí)，在水平距離ACC平臺(tái)邊緣200 m、地面上1.5 m處，噪音不大于55 dB(A)。

3)空冷凝汽器布置在汽輪機(jī)房A列前，空冷凝汽器平臺(tái)高度按28.5 m考慮，空冷凝汽器平臺(tái)的支撐為鋼筋混凝土柱。整個(gè)ACC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載按照GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》設(shè)計(jì)，平臺(tái)活荷載按2.5 kN/m2考慮;地震荷載按中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(4)技術(shù)方案。

方案1:空冷凝汽器采用4×4的布置方案，共16個(gè)冷卻單元，為4列4行，與主廠房平行，每臺(tái)機(jī)組有128片換熱管束，每單元將管束以接近60°角組成等腰三角“A”結(jié)構(gòu)。每組有4個(gè)空冷凝汽器單元，其中3個(gè)為順流，1個(gè)為逆流?？绽淠鞯膿Q熱元件采用單排管，排氣管道采用高位布置，空冷島結(jié)構(gòu)采用混凝土管柱的支撐方式，并采用兩島連建布置。

方案2:空冷凝汽器采用3×4的布置方案，共12個(gè)冷卻單元，為4列3行，與主廠房平行，每臺(tái)機(jī)組共96片換熱管束，每臺(tái)冷凝器有4個(gè)空冷凝汽器單元，其中3個(gè)為順流，1個(gè)為逆流?？绽淠鞯膿Q熱元件采用單排管，排汽管道采用高位布置，空冷島結(jié)構(gòu)采用混凝土管柱的支撐方式，并采用兩島連建布置。

方案3:空冷凝汽器采用4×3的布置方案，共12個(gè)冷卻單元，為3列4行，與主廠房平行，每臺(tái)機(jī)組共96片換熱管束，每列設(shè)3個(gè)換熱器單元，其中2個(gè)為順流，1個(gè)為逆流，并采用兩島分開布置。其他條件同方案1。

上述3個(gè)空冷凝汽器布置方案，從技術(shù)方面考慮，均可滿足工程要求;從基建投資角度進(jìn)行比較，方案2比方案1節(jié)省投資約200萬(wàn)元，而且兩島空冷平臺(tái)合并布置便于操作管理，但也存在兩島合并布置影響布?xì)饩鶆蛐缘膯栴}。方案1安全裕度大，有一定的備用量，方案3布?xì)庀鄬?duì)比較均勻，投資與方案2相近。由于分開布置管理不便，綜合以上意見，推薦采用方案2。

3 城市中水的回用

3.1 城市中水處理

當(dāng)前，城市中水處理主要是利用城市污水二級(jí)生化處理的出水，投加石灰乳、聚合硫酸鐵、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝劑和助凝劑進(jìn)行混凝、澄清、過濾處理，可以降低水的硬度和堿度，同時(shí)和各種有機(jī)物在沉淀過程中大量吸附原水中的懸浮物和膠體等，使出水水質(zhì)達(dá)到要求。

目前，混凝澄清技術(shù)有機(jī)械加速澄清池和高效澄清池2種。雖然2種池型都能達(dá)到出水要求，但機(jī)械澄清池占地面積大，第1反應(yīng)室和第2反應(yīng)室整體架橋安裝復(fù)雜，污泥回流無(wú)法精確調(diào)節(jié)，特別是有些城市超過60%的工業(yè)廢水水質(zhì)、水量變化幅度大，而且成分復(fù)雜，嚴(yán)重影響城市污水處理廠和中水廠的穩(wěn)定運(yùn)行。

高效澄清池是一種新型泥渣回流型澄清池，節(jié)省了占地，采用活性污泥回流可以提高藥劑的利用率，節(jié)省運(yùn)行和藥劑費(fèi)用，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，耐沖擊負(fù)荷能力高，出水穩(wěn)定。同時(shí)沉淀污泥的濃度高，減小了污泥處理系統(tǒng)的規(guī)模。

系統(tǒng)流程的說(shuō)明:

(1)石灰投加系統(tǒng)。以高純度消石灰粉為原料，加清水?dāng)嚢璩墒胰椤?/p>

(2)前混合池。為使污水、石灰乳、混凝劑(液態(tài)聚合鐵)充分混合，混合池內(nèi)設(shè)快速攪拌器，以便污水凝聚。

(3)高效澄清池。該池分為機(jī)械絮凝區(qū)、推流絮凝區(qū)、沉淀濃縮區(qū)。機(jī)械絮凝區(qū)投加聚丙烯酰胺PAM(Polyacrylamide)與回流污泥混合、絮凝;機(jī)械攪拌系統(tǒng)采用變頻控制的軸流式攪拌器，并設(shè)置導(dǎo)流筒，使水流在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，保證礬花在循環(huán)過程中不會(huì)受到破壞。機(jī)械絮凝區(qū)產(chǎn)生的礬花在推流絮凝區(qū)內(nèi)進(jìn)一步增大和密實(shí)后進(jìn)入沉淀濃縮區(qū)。剩余礬花則在斜管分離區(qū)去除。沉積的礬花在沉淀池下部濃縮，設(shè)置1臺(tái)刮泥機(jī)，部分濃縮污泥通過污泥回流泵送回機(jī)械絮凝區(qū)，提高處理效果。

(4)后混凝池。后混凝池內(nèi)投加混凝劑和各種酸液，設(shè)置1臺(tái)快速攪拌器，用以增強(qiáng)后續(xù)濾池的處理效果和調(diào)整pH值(8～10)。出水自流進(jìn)入變孔隙濾池。

3.2 工程實(shí)例和主要特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)火電廠以城市污水為水源且已投入運(yùn)行的高效澄清池有2例:北京某熱電循環(huán)水增容工程，設(shè)計(jì)出力為1 500 m3/h;遼寧燈塔市熱電廠中水深度處理工程，設(shè)計(jì)出力為1500 m3/h。

與常規(guī)圓形機(jī)械加速澄清池相比，高效澄清池的上升流速提高了3～4倍，所需的占地面積減少50%;排放的污泥濃度提高了2～4倍，污泥體積減少45%，污泥脫水的設(shè)計(jì)規(guī)模減少45%;雖然設(shè)備投資略高，但低于節(jié)省的建設(shè)安裝費(fèi)用，因此總體投資低;濾池反沖洗周期延長(zhǎng)2～3倍，可節(jié)省反沖洗水量［5－6］。

3.3 實(shí)施效果

北京某熱電廠和遼寧燈塔市熱電廠利用城市中水回用，采用高效澄清池處理，分別在2008年和2010年投產(chǎn)運(yùn)行，處理水量和出水水質(zhì)均可滿足火電廠補(bǔ)水要求，符合當(dāng)前國(guó)家節(jié)能減排的政策。

4 火電廠水處理島設(shè)計(jì)和應(yīng)用

火電廠水處理系統(tǒng)一般包括原水處理、除鹽水處理、凝結(jié)水精處理、工業(yè)廢水處理和生活污水處理等系統(tǒng)，原先各處理系統(tǒng)通常分散布置，設(shè)有各自獨(dú)立的廠房、控制室和運(yùn)行管理人員?；痣姀S水處理島的概念就是將各個(gè)分散的處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組合，有機(jī)地布置到1個(gè)水處理“島”中，組成一個(gè)涵蓋整個(gè)火電廠的水處理區(qū)域，以便分級(jí)、分質(zhì)供水，綜合回收廢水［7］?；痣姀S水處理島的設(shè)計(jì)可使工藝流程更為合理，占地面積和建設(shè)成本減少，而且可集中控制。

我國(guó)西北地區(qū)某火電廠采用了水處理島布置形式，應(yīng)用結(jié)果表明，整個(gè)水處理系統(tǒng)布置簡(jiǎn)潔、合理，自動(dòng)化水平明顯提高，降低工程造價(jià)1000余萬(wàn)元。目前，該工程已投產(chǎn)運(yùn)行，效果良好，也為電廠今后實(shí)施現(xiàn)代化運(yùn)行管理創(chuàng)造了良好條件。

5 結(jié)束語(yǔ)

核電站、火電廠水工系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作是非常必要的，以上實(shí)際工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行表明:采用水處理島可以節(jié)約用水、節(jié)省投資、降低運(yùn)行費(fèi)用和縮短電廠建設(shè)周期，完全符合火電廠節(jié)能減排的要求。

［1］江自生，韓買良.火電機(jī)組水資源利用情況及對(duì)策［J］.華電技術(shù)，2008，30(6):1 －5.

［2］周保衛(wèi)，周金全.濱海電廠取水泵房濾水設(shè)備布置研究［J］.華電技術(shù)，2012，34(6):16 －21.

［3］周金全.濱海核電廠取、排水口平面布置工程實(shí)例分析［J］.華電技術(shù)，2011，33(2):8 －14.

［4］周金全.核電站廠址選擇水工方案的研究［J］.華電技術(shù)，2009，31(2):26 －31.

［5］于新玉，周金全，秦海霞.城市中水回用于火電廠循環(huán)冷卻水的設(shè)計(jì)方案［J］.華電技術(shù)，2010，32(7):67－70.

［6］周保衛(wèi).城市污水回用于火電廠循環(huán)冷卻水處理方法的研究和工程實(shí)例［J］.水工業(yè)市場(chǎng)，2011(6):63－67.

［7］韓買良，馬學(xué)武，吳志勇.火電廠水處理島優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.華電技術(shù)，2010，32(6):12 －16.