液化天然氣接收站海水泵房取水工藝設(shè)計

丁忠煥，洪 璐

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢430071；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌443000）

液化天然氣接收站海水泵房取水工藝設(shè)計

丁忠煥1，洪 璐2

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢430071；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，宜昌443000）

為充分滿足LNG接收站生產(chǎn)需求，保障接收站取水系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定、安全高效運(yùn)行，取水工藝設(shè)計應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)厮奶匦?、泥沙淤積等自然條件，按近遠(yuǎn)期結(jié)合的原則，合理確定取水口及自流箱涵數(shù)量及形式。并根據(jù)循環(huán)泵的特點(diǎn)及要求布置流道和泵室，確定合理的尺度。結(jié)合工程造價、施工條件及方便檢修等因素進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計。設(shè)計方案應(yīng)通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。文章結(jié)合工程實(shí)例，對取水口、流道和泵室不同形式組合的平面布置方案進(jìn)行了對比分析，對海水泵房豎向布置設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行了論述，提出三根自流管取水、獨(dú)立流道和泵室的方案。

海水泵房；流道；泵室；取水口；自流箱涵

為了節(jié)省能源，LNG接收站一般采用開架式氣化器（ORV）將LNG氣化管道外輸。ORV循環(huán)水系統(tǒng)為直流供水系統(tǒng)，以海水作為熱源，由海水泵房將海水輸送到ORV，溫度下降不超過5℃的海水從排水口返回到海中。LNG站海水泵房取水量大、水工結(jié)構(gòu)工程量大、水泵長周期運(yùn)行，要求取水工藝設(shè)計應(yīng)合理布局、考慮多種因素進(jìn)行平面布置和豎向布置，以保障取水系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

1 項(xiàng)目概況

某LNG接收站位于北部灣沿海，占地面積約40 ha，站區(qū)四面環(huán)海設(shè)有防浪堤，通過一座5 km引堤與海岸連接。接收站采用ORV直流供水系統(tǒng)，海水泵房和取水口布置在站區(qū)的西北角，排水口布置在站區(qū)東側(cè)。LNG接收站分三期建設(shè)，一期建設(shè)規(guī)模為300萬t/a，二期和遠(yuǎn)期共為600萬t/a。一、二、遠(yuǎn)期總?cè)∷糠謩e為21 900 m3/h、51 100 m3/h、73 000 m3/h。取水設(shè)施主要包括取水口、自流箱涵、海水泵房。主要取水流程為：海水→取水口（粗格柵）→自流箱涵→前池→細(xì)格柵（配移動式除污機(jī)）→旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)→海水循環(huán)泵→循環(huán)水管。

2 取水工藝平面布置

2.1 布局及設(shè)備配置

本工程一、二、遠(yuǎn)期海水取水量不斷增大，海水泵房分期建設(shè)施工費(fèi)用太高，取水口、自流箱涵和海水泵房地下水工結(jié)構(gòu)、地面建筑按遠(yuǎn)期一次建成。取水工藝按遠(yuǎn)期考慮，近期取水工藝設(shè)施按一期配置；二期、遠(yuǎn)期工程實(shí)施時，關(guān)閉流道檢修閘門進(jìn)行設(shè)備及管線安裝即可。

海水循環(huán)泵采用濕式立式混流泵，取水工藝布局按近遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則，循環(huán)泵根據(jù)各期取水量要求配置。一、二、遠(yuǎn)期的ORV分別為4臺、3臺、3臺，其中一期3臺運(yùn)行，遠(yuǎn)期10臺運(yùn)行。對應(yīng)配置的循環(huán)泵也要求大小搭配，才能滿足ORV各種運(yùn)行工況要求。

圖1 總平面布置圖Fig.1 General arrangement plan

循環(huán)泵方案一組合為：一期安裝4臺小泵（3小運(yùn)行；流量7 300 m3/h，下同）；二期安裝2臺大泵（流量14 600 m3/h，下同）；遠(yuǎn)期再安裝2臺大泵，遠(yuǎn)期4大+2小或3大+4小運(yùn)行。方案二組合為：一期安裝1臺小泵+2臺大泵（1大+1小運(yùn)行）；二期安裝1臺小泵+1臺大泵；遠(yuǎn)期再安裝2臺大泵，遠(yuǎn)期4大+2小或5大運(yùn)行。

海水泵房內(nèi)還要求布置3臺1 080 m3/h立式長軸消防泵，消防泵一般采用獨(dú)立泵室布置，需要占用3個泵室的寬度。消防泵流量相對循環(huán)泵較小，且運(yùn)行時間很短，也可以考慮與循環(huán)泵共用泵室的布置。為施工、檢修方便，大小泵流道宜采用相同的尺度，流道尺度按大泵要求設(shè)計，安裝小泵的流道過水能力有富裕，布置消防泵應(yīng)影響很小。消防泵運(yùn)行工況是2用1備，分別將消防泵布置在3個獨(dú)立流道，不會出現(xiàn)2個流道同時檢修的情況，滿足消防規(guī)范要求。所以，方案一在小泵流道內(nèi)安裝消防泵，消防泵布置在循環(huán)泵前端；物模試驗(yàn)驗(yàn)證表明，由于消防泵流量較小，消防泵運(yùn)行對海水循環(huán)泵取水無明顯不利影響［1］。方案二一期安裝2大1小循環(huán)泵，大泵流道前端不宜安裝消防泵，故采用獨(dú)立消防泵室。所以方案一泵房總寬度反而比方案二減少。

一般循環(huán)泵機(jī)組臺數(shù)越少，投資及管理費(fèi)用就越小，所以方案二在循環(huán)泵配置數(shù)量上更優(yōu)。由于方案一水泵臺數(shù)對近期取水量更適合，更適合3臺消防泵與小泵共流道的布置。所以方案一更適應(yīng)ORV運(yùn)行工況，雖然設(shè)備投入多一些，比方案二少兩個泵室，水工結(jié)構(gòu)費(fèi)用更節(jié)省。

2.2 海水泵房平面布置方案比較

2.2.1 獨(dú)立流道和泵室方案（簡稱方案一）

方案一采用獨(dú)立流道和泵室布置，可充分保證循環(huán)泵間不產(chǎn)生干擾，吸水槽相互獨(dú)立；同時保證進(jìn)水水流盡量布置順直，避免轉(zhuǎn)彎或偏流。公共配水前池將海水分配至8個獨(dú)立流道，經(jīng)閘門、格柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進(jìn)入泵室。布置詳見圖2。

設(shè)3根鋼筋砼自流箱涵均勻進(jìn)水到前池，每根自流箱涵前端為取水頭，自流箱涵長度為68 m，斷面尺度2.0×2.0 m。自流箱涵遠(yuǎn)期流速為1.68 m/s，滿足流速宜采用1.0～2.0 m/s，但不應(yīng)小于0.7 m/s要求［2］。在一期工程運(yùn)行時，管道內(nèi)流速較?。?.56 m/s），低于規(guī)范最小流速。當(dāng)?shù)厮w平均含沙量很低（0.001～0.01 kg/m3），懸沙顆粒細(xì)（0.013～0.008 4 mm）；粗顆粒泥沙不易通過取水口進(jìn)入泵房，且進(jìn)入泵房的沙量較少，主要是粒徑較細(xì)的懸移質(zhì)部分［1，3］。0.01 mm沙粒是有無絮凝沉降的界限，0.01～0.03 mm沙粒絮凝現(xiàn)象不明顯［4］。所以，流速略小影響不大。

配水前池長度為6 m，錐角38°，縱向坡度為0°；滿足前池的錐度不宜大于40°，前池的縱向坡度不宜大于15°的要求［2］。配水前池長度較短，由于是三管均勻布置進(jìn)水，物模試驗(yàn)也驗(yàn)證前池長度為6.0 m可行［1］。8條獨(dú)立流道寬度統(tǒng)一按最大泵進(jìn)水流道凈寬要求確定為3.5 m，中間用隔墻分開，流道入口設(shè)統(tǒng)一尺寸的潛孔閘門方便檢修。泵房水工結(jié)構(gòu)總面積1 425 m2。

2.2.2 公共流道+獨(dú)立泵室方案（簡稱方案二）

參考該地區(qū)成功的海水泵房的經(jīng)驗(yàn)［5］。布置4個公共濾水流道和10個獨(dú)立泵室，其中3個為消防泵室，詳見圖3。進(jìn)水口設(shè)置1個箱式鋼筋砼取水頭，2根鋼筋砼自流箱涵進(jìn)水到前池，自流箱涵長度為68 m，斷面尺度2.8×2.0 m。配水前池長度為23.3 m，錐角為23°，縱向坡度為0°。4條公共濾水流道，凈寬度4 m，濾水室長度為18 m，前后設(shè)潛孔閘門，以滿足檢修要求。10個獨(dú)立泵室寬度統(tǒng)一按最大泵進(jìn)水流道凈寬要求確定為3.5 m，中間用隔墻分開；泵室入口設(shè)潛孔閘門。泵房水工結(jié)構(gòu)總面積1 923 m2。

圖2 獨(dú)立流道和泵室方案平面示意圖Fig.2 Sketch of independent inflow runner and pump house

圖3 公共流道+獨(dú)立泵室方案平面示意圖Fig.3 Sketch of public inflow runner and independent pump house

2.2.3 平面方案比選

兩方案布置對比見表1。

一般海水泵房設(shè)2根自流管，當(dāng)自流管長度不長時，可考慮增加自流管根數(shù)均勻進(jìn)水，減小前池長度。本工程自流箱涵長度68 m，方案一采用3根自流箱涵均勻進(jìn)水，使前池內(nèi)水流較均勻，前池長度僅為6 m。方案二設(shè)1個取水頭，2根自流管集中布置，前池長度為23.3 m；在前池設(shè)置整流柱、整流坎和消能整流橫梁，保證各期取水和不同水泵組合工況水流穩(wěn)定，對水泵及濾網(wǎng)安全運(yùn)行有利［6-8］。方案二雖自流管少1根，前池面積卻增加了257 m2，綜合比較方案一費(fèi)用較低。

方案一消防泵與一期海水循環(huán)泵布置在一個流道內(nèi)，方案二消防泵采用獨(dú)立泵室，泵房總寬度加寬了8 m。方案一8條獨(dú)立流道前端設(shè)統(tǒng)一尺度潛孔鋼閘門一道，閘門配置數(shù)量較少；方案二濾水間設(shè)8個閘門槽，配4座閘門；泵室設(shè)7個閘門槽，配1～2座閘門；方案二閘門數(shù)量較多，尺寸不統(tǒng)一，管理較復(fù)雜。方案二采用共用濾水流道，濾水裝置臺數(shù)較少，設(shè)備費(fèi)用較節(jié)?。坏珵V水設(shè)備較大，濾水設(shè)備前后導(dǎo)流需要較長尺度，結(jié)構(gòu)占用面積要求較大，增加了水工結(jié)構(gòu)投資。經(jīng)綜合比較方案一更優(yōu)。

表1 平面布置方案對比表Tab.1 Comparison of plane layout

圖4 斷面圖Fig.4 Section plan

3 取水工藝豎向布置

3.1 設(shè)計潮位特征值

海水泵房的高程確定應(yīng)根據(jù)潮位特征值經(jīng)計算確定。海水泵房防洪水位采用百年一遇的年極值高水位［2］，取為7.09 m。海水取水設(shè)施取水最低潮位保證率不應(yīng)低于97%［2］，本工程取水最低運(yùn)行水位按保證率98%的低水位確定，為-0.67 m。

3.2 泵房入口地面設(shè)計標(biāo)高確定

參考電力行業(yè)規(guī)范要求，岸邊式泵房±0.000層設(shè)計標(biāo)高（入口地面設(shè)計標(biāo)高）應(yīng)為頻率1%潮位＋頻率2%浪高＋超高0.5 m［2］。按上式計算得泵房入口地面設(shè)計標(biāo)高為12.88 m。此要求與《室外給水設(shè)計規(guī)范》GB50013-2006第5.3.9條原則基本一致，但是該條文解釋中明確，以上公式“僅適用于修建在堤外的岸邊式取水泵房”。由于本工程海水泵房位于防浪堤內(nèi)，堤外波浪不會對海水泵房造成很大影響，故不宜完全參照上式計算。

由于波浪可以通過自流箱涵傳導(dǎo)到前池，規(guī)范要求進(jìn)水前池波浪波動幅度不宜超過0.3 m［2］。物模試驗(yàn)中波浪影響試驗(yàn)表明，引水水流經(jīng)取水頭和自流箱涵進(jìn)入泵房前池已基本完全衰減，吸水室內(nèi)波高小于0.20 m，能夠滿足水泵安全運(yùn)行要求［1］。故海水泵房入口地面設(shè)計標(biāo)高=頻率1%潮位+前池波動幅度（0.3 m）+超高0.5 m，計算得7.89 m?？紤]泵房地坪宜略高于站區(qū)地面，取為8.50 m。物模試驗(yàn)高潮位事故停泵試驗(yàn)結(jié)果為泵房最大壅高水位小于7.76 m［1］，低于泵房地坪高程0.74 m，泵房預(yù)留超高可滿足要求。

3.3 取水口及自流箱涵高程確定

自流箱涵頭部設(shè)取水口，為避免較大漂浮物進(jìn)入自流箱涵內(nèi)，進(jìn)水口前端設(shè)置粗?jǐn)r污柵，柵條間距為200 mm，攔污柵采用耐海水腐蝕的不銹鋼材質(zhì)。進(jìn)水窗口尺寸7.0 m×2.0 m，取水口過柵流速為0.48 m/s，滿足過柵流速宜采用0.4～1.0 m/s要求［2］。

在設(shè)計最低水位時，取水建筑物的側(cè)面進(jìn)水孔淹沒深度應(yīng)不得小于0.3 m［2］，還應(yīng)考慮波浪的影響。進(jìn)水窗頂高程=設(shè)計最低水位－波谷高度－最小淹沒深度，計算得-2.3 m。進(jìn)水窗口頂高程取為-2.5 m，進(jìn)水窗口底高程為-4.5 m。由于堤外海底高程僅為-1.8 m左右，水深不滿足取水要求，結(jié)合工作船碼頭港池采取港池取水方式，備淤高度取1.0 m，取水港池設(shè)計底高程為-5.5 m。港池平均淤強(qiáng)約為0.41 m/a，可每年進(jìn)行一次清淤，滿足側(cè)面進(jìn)水孔底高于河床值不應(yīng)小于0.5 m要求［2］。

3.4 泵池底板標(biāo)高確定

3.4.1 泵池底板高程計算

泵池底板高程應(yīng)在設(shè)計最低水位條件下，考慮進(jìn)口格柵、自流箱涵、閘門、清污格柵及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)等設(shè)施的水力阻力損失，并根據(jù)最大水泵淹沒深度要求，保證水泵在最低運(yùn)行水位能安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

泵池底板高程=設(shè)計最低水位－自流管水頭損失－閘門水頭損失－格柵水頭損失－旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)水頭損失－水泵廠家要求的最小淹沒深度－喇叭口高度；其中自流管水頭損失應(yīng)按當(dāng)其中1根自流箱涵故障時，其余管道應(yīng)能通過70%的設(shè)計流量的要求進(jìn)行計算。

為便于施工，大、小泵池底板宜采用一致的高程。經(jīng)計算確定泵室底板高程為-5.50 m。

3.4.2 格柵過水能力驗(yàn)算

每個流道需設(shè)置條形細(xì)格柵，90°垂直安裝，柵條寬度3.50 m，高度14 m，間距50 mm，均采用耐海水腐蝕的不銹鋼材質(zhì)。在格柵處還配置有移動式自動清污機(jī)，格柵前后配水位檢測儀，當(dāng)水位差超過150 mm時，清污機(jī)自動對格柵進(jìn)行清理。

格柵可按下列公式計算，并驗(yàn)算池底板高程

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；v為過柵流速（取0.75 m/s）；K1為格柵堵塞系數(shù)（取0.75）；K2為格柵引起的面積減小系數(shù)，K2=b/（b+s），計算得0.83。

式中：B為格柵寬度；按大泵流量計算得F=6.5 m2，最小水深計算得H=1.85 m，滿足格柵過水深度要求。

3.4.3 濾網(wǎng)過水能力驗(yàn)算

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)采用側(cè)面安裝，網(wǎng)內(nèi)進(jìn)水網(wǎng)外出水；一期工程旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)名義寬度為1.65 m，網(wǎng)板上升速度3.6 m/min；大泵預(yù)留濾網(wǎng)寬度為2.60 m。材質(zhì)為316 L，高度14.0 m，網(wǎng)孔尺寸按照ORV的要求定為3.0 mm×3.0 mm，滿足規(guī)范ORV使用的海水懸浮物顆粒不應(yīng)大于5 mm的要求。旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)設(shè)水位測量及自動控制裝置。旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)可按下列公式計算，并驗(yàn)算池底板高程。

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；ε為收縮系數(shù)，取0.75；v為過網(wǎng)流速（取0.75 m/s）；K1為格網(wǎng)堵塞系數(shù)（取0.75）；K2為網(wǎng)絲引起的面積減小系數(shù)，，計算得0.56；K3為框架引起的面積減小系數(shù)（0.75）。

式中：B為格網(wǎng)寬度；按一期小泵流量+消防泵流量計算得F=13.1 m2，計算最小水深得H=3.96 m。泵池最小水深為4.33 m，滿足格網(wǎng)過水深度要求。

4 結(jié)論

綜上，取水泵房應(yīng)按照近遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則進(jìn)行總體布置和設(shè)備選型。平面布置采用獨(dú)立流道和泵室的布置具有水流平穩(wěn)、互相干擾小、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)；消防泵布置在循環(huán)泵前端，巧妙地減少了泵室寬度，綜合費(fèi)用更低；自流管不長時，采用多管均勻進(jìn)水形式可減少前池的長度，降低水工結(jié)構(gòu)工程量；故平面布置方案應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。取水工藝的設(shè)計要點(diǎn)為流道寬度、深度、長度應(yīng)根據(jù)水泵要求確定；堤外的岸邊泵房的地面高程應(yīng)按防洪水位，考慮波浪和超高確定，但堤內(nèi)的岸邊泵房可不按波浪計算；池底板高程應(yīng)根據(jù)設(shè)計最低水位，考慮水頭損失和水泵最小淹沒深度經(jīng)計算確定，并需對濾水設(shè)施進(jìn)行最小深度驗(yàn)算。

LNG接收站海水泵房地下水工結(jié)構(gòu)工程量大，取水工藝設(shè)計是保障取水系統(tǒng)安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的關(guān)鍵。設(shè)計時應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在滿足規(guī)范要求的前提下，綜合考慮各相關(guān)因素，正確進(jìn)行取水工藝平面及豎向布置；并通過精細(xì)的水力計算和物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終完成泵房取水工藝設(shè)計。

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Process technology design for seawater pump house of LNG receiving station

DING Zhong?huan1,HONG Lu2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.College of hydraulic&environmental engineering,China Three Gorges University,Yichang 443000,China）

In order to meet the production requirement of LNG receiving stations and ensure the continuous, safe and efficient operation of water intake system,the natural conditions such as local hydrological characteristics and sedimentation should be fully considered in the water intake process.The amount and form of intake and gravi?ty flow box culvert should be confirmed reasonably on the basis of combining the short term and long term situations of project generally.The reasonable scale and distribution of the inflow runner and pump room should be combined with the characteristics and requirements of the circulating pump.The project cost,construction conditions and the convenience of maintenance should also be designed totally.The design scheme should be verified by physical mod?el test.With the engineering examples,the layout scheme of different forms of water intake,inflow runner and pump chamber were compared and analyzed in this paper,and the main points of vertical layout design of seawater pump house were also discussed.The program of three flow tubes,independent flow and pump room has also been present?ed in this paper.

seawater pump house;inflow runner;pump house;intake;gravity flow box culvert

TU 991.35

A

1005-8443（2017）02-0212-05

2017-01-24；

2017-03-27

丁忠煥（1965-），男，湖北省武漢人，高級工程師，主要從事港口給排水消防設(shè)計。

Biography：DING Zhong?huan（1965-），male，senior engineer.