海水脫硫直流供水系統(tǒng)虹吸井設(shè)置原則

張國罡

(中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

1 概述

為了防止SO2對大氣的污染，燃煤電廠必須進(jìn)行煙氣脫硫。其中，海水煙氣脫硫技術(shù)成熟、工藝簡單、投資及運行費用低，廣泛應(yīng)用于沿海地區(qū)采用海水直流供水系統(tǒng)的燃煤電廠。

采用直流供水系統(tǒng)的電廠一般都設(shè)置虹吸井，虹吸井在系統(tǒng)中的主要作用有：第一是在正常運行工況下(穩(wěn)態(tài)時)使凝汽器內(nèi)水壓力始終保為負(fù)值，形成虹吸現(xiàn)象，以減少循環(huán)水泵的出力，降低廠用電量；第二是在事故工況下(系統(tǒng)發(fā)生水力瞬態(tài)過程時)，保證凝汽器循環(huán)水的虹吸作用不被破壞，利用大氣壓力和虹吸井中水位及水量，使凝汽器排水管產(chǎn)生倒流虹吸作用，減緩凝汽器出口壓力的下降幅度，防止凝汽器出水管因水錘作用產(chǎn)生過大的負(fù)壓而發(fā)生水柱分離的情況。

采用海水脫硫的直流供水系統(tǒng)中，脫硫往往利用機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的排水。在經(jīng)過凝汽器之后，機組冷卻水排水中一部分用泵抽至吸收塔與煙氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的酸性海水排至曝氣池與剩下的未發(fā)生反應(yīng)的冷卻水排水混合并曝氣，水質(zhì)恢復(fù)后排入大海。為了獲得穩(wěn)定的曝氣池水位，避免外海潮位的影響，海水脫硫曝氣池需設(shè)置排水堰，而且排水堰一般按較高潮位設(shè)計，以減少曝氣池深度、降低曝氣風(fēng)機出力以及運行能耗。這樣，在循環(huán)水排水管路上就有虹吸井堰以及曝氣池出口堰兩道堰，作用上有重復(fù)。因此，有文章提出大多帶海水脫硫直流供水冷卻系統(tǒng)中的虹吸井均可取消，但在實際設(shè)計過程中，大部分采用海水脫硫的直流供水系統(tǒng)仍按常規(guī)直流供水系統(tǒng)設(shè)置了虹吸井。

本文結(jié)合某電廠實例，從穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)兩方面進(jìn)行分析，研究采用海水脫硫的直流供水系統(tǒng)的虹吸井設(shè)置原則。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本電廠位于越南南部沿海，建設(shè)規(guī)模為2×622.5 MW機組，循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制海水直流供水方式，一機兩泵，每臺機組設(shè)計循環(huán)水量28 m3/s。

機組冷卻水系統(tǒng)主要流程為：

方案1(設(shè)置虹吸井方案)：外?！h(huán)水進(jìn)水箱涵及明渠→前池→循環(huán)水泵房→循環(huán)水供水管→凝汽器→循環(huán)水排水管→虹吸井→排水箱涵→海水脫硫前池及曝氣池→排水箱涵→排水閘門井→排水鋼管→外海。

方案2(取消虹吸井方案)：外海→循環(huán)水進(jìn)水箱涵及明渠→前池→循環(huán)水泵房→循環(huán)水供水管→凝汽器→循環(huán)水排水管→海水脫硫前池及曝氣池→排水箱涵→排水閘門井→排水鋼管→外海。

兩方案的主要區(qū)別在于方案2取消了虹吸井以及之后的排水箱涵，循環(huán)水排水直接由凝汽器通過壓力鋼管排至曝氣池，其他與方案1相同。

取排水特征潮位為：1%高潮位2.20 m；多年平均高潮位1.04 m；多年平均潮位0.03 m；多年平均低潮位－0.98 m；97%低潮：－2.85 m。(高程系統(tǒng)均采用絕對高程)。

2.2 穩(wěn)態(tài)水力計算

以平均低潮位為取水設(shè)計水位，分別對方案1與方案2進(jìn)行循環(huán)水水力計算，結(jié)果見表1。

表1 循環(huán)水水力計算表

由表1可知，方案1與方案2循環(huán)水泵揚程基本相同，因為為了滿足曝氣池穩(wěn)定運行，曝氣池排水堰頂標(biāo)高較高，雍高了虹吸井水位，使虹吸井內(nèi)水位遠(yuǎn)高于虹吸井堰頂標(biāo)高，虹吸井堰實際上已失去作用，虹吸井成為一個普通連接井，對系統(tǒng)高程影響很小。

另外兩個方案供水系統(tǒng)最大虹吸利用高度均小于8 m，滿足凝汽器出口最高點的絕對壓力不宜低于20～30 kPa的要求，可保證系統(tǒng)安全運行。

因此，在正常運行工況下，虹吸井已經(jīng)失去了保證虹吸的作用，虹吸井內(nèi)堰可以取消。

2.3 瞬態(tài)計算

本工程循環(huán)水系統(tǒng)瞬態(tài)過程主要發(fā)生在啟泵和停泵階段，主要可以分為以下五個工況：第一臺泵啟動工況；1臺泵運行，第2臺泵啟動工況；1臺泵運行，事故停泵工況；2臺泵運行，同時事故停泵工況以及2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況。

瞬態(tài)分析過程中主要關(guān)注的參數(shù)包括最大水錘壓力、最小水錘壓力、循環(huán)水泵最大反轉(zhuǎn)速及歷程以及虹吸井水位波動等。通過數(shù)值計算，系統(tǒng)最大水錘壓力發(fā)生在第一臺泵啟動工況；最小水錘壓力發(fā)生在兩臺泵同時事故停泵工況；循環(huán)水泵最大反轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況；而虹吸井最高涌波水位出現(xiàn)在兩臺泵同時事故停泵工況。具體計算結(jié)果見表2及圖1～圖4。

表2 循環(huán)水系統(tǒng)瞬態(tài)各主要參數(shù)極值及發(fā)生工況

圖1 第一臺泵啟動工況循泵出口壓力過程曲線

圖2 兩泵同時事故停泵工況凝汽器出口壓力波動曲線

圖3 2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況循泵轉(zhuǎn)速變化過程曲線

圖4 方案1兩泵同時事故停泵工況虹吸井水位波動過程曲線

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，瞬態(tài)過程中，方案2取消虹吸井方案最大最小水錘壓力均比方案1嚴(yán)重，尤其是兩泵同時事故停泵工況，在第5秒左右凝汽器出水管已經(jīng)形成真空，發(fā)生了水柱分離現(xiàn)象，產(chǎn)生了水錘事故。這主要是因為本工程曝氣池離主廠房很遠(yuǎn)，凝汽器出口至曝氣池壓力鋼管長度有約600 m，壓力管道中水量較多，慣性較大，發(fā)生瞬態(tài)過程時水流無法在短時間內(nèi)(凝汽器出口壓力下降到絕對真空之前)停止運動并倒流至凝汽器中，使得凝汽器中發(fā)生水柱分離的現(xiàn)象。

而方案1中，在凝汽器與曝氣池之間設(shè)置了虹吸井，虹吸井離凝汽器較近，虹吸井實際上已經(jīng)變成一個調(diào)壓井，在瞬態(tài)過程中可以有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)水錘特性，降低以及避免系統(tǒng)發(fā)生水錘事故風(fēng)險。但同時也需要注意，由于此時虹吸井已經(jīng)成為一個調(diào)壓井，如圖4所示，虹吸井內(nèi)水位波動會很大，比常規(guī)不帶海水脫硫的直流供水系統(tǒng)虹吸井水位波動大很多，在虹吸井的高程設(shè)計中必須考慮這一點，防止冷卻水從虹吸井中溢出對電廠造成事故。

3 分析及優(yōu)化

(1)曝氣池至凝汽器臨界距離分析：根據(jù)上述瞬態(tài)分析結(jié)果，方案2凝汽器出水管發(fā)生水柱分離的主要原因是曝氣池離凝汽器太遠(yuǎn)，壓力鋼管太長造成的。因此，縮短凝汽器出口至曝氣池壓力鋼管長度進(jìn)行分析計算，計算結(jié)果表明當(dāng)該段壓力鋼管小于80 m時，可以保證凝汽器出口管道不發(fā)生水柱分離現(xiàn)象，也就是說，此時，不需要設(shè)置虹吸井也可以保證循環(huán)水系統(tǒng)安全運行。

(2)虹吸井優(yōu)化設(shè)計分析：根據(jù)上述分析，本工程虹吸井已經(jīng)實際上變成調(diào)壓井，設(shè)計中已經(jīng)不需要按常規(guī)虹吸井進(jìn)行設(shè)計。原設(shè)計虹吸井面積為135 m2，最高涌波水位7.65 m，虹吸井頂板標(biāo)高8.00 m。通過計算，將虹吸井面積減為16 m2之后，仍可以保證事故工況下凝汽器出口管不發(fā)生水柱分離現(xiàn)象，而此時虹吸井內(nèi)最高涌波水位僅提高了0.4 m，為8.05 m，虹吸井頂板標(biāo)高可按8.50 m設(shè)計。虹吸井總面積大大減小，但高度增加不多，總的工程量大大減小。

4 結(jié)論

(1)采用海水脫硫的直流供水系統(tǒng)，在曝氣池出口堰可以保證機組虹吸利用高度的情況下，可以取消虹吸井堰。

(2)當(dāng)根據(jù)機組布置，曝氣池與凝汽器距離很近，經(jīng)過瞬態(tài)計算保證機組安全運行情況下，可以取消虹吸井。

(3)當(dāng)曝氣池與凝汽器距離較遠(yuǎn)時，虹吸井仍需要設(shè)置，但此時虹吸井的功能已經(jīng)變成調(diào)壓井，不需按常規(guī)虹吸井設(shè)計，直接按調(diào)壓井設(shè)計，可大大減少虹吸井工程量。

[1]毛衛(wèi)兵，等．海水脫硫直流供水冷卻系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]．給水排水，2012，38(10)．

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