我國海水利用工程取水構(gòu)筑物型式研究

王印忠， 李治潔， 李雪， 張連強， 王維珍

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所， 天津 300192）

由于受到取水流量、 取水水質(zhì)、 水文地質(zhì)、 施工方式以及安全防護等多個因素的影響， 海水取水構(gòu)筑物的選擇和設計是一項重要而復雜的工作。 如何簡單快速地確定技術(shù)經(jīng)濟合理的海水取水構(gòu)筑物型式及設計方案， 始終是眾多工程技術(shù)人員長期探討的問題。 周金全［1］通過介紹秦山、 大亞灣和田灣等地的濱海核電廠海水取水設計方案， 闡述了濱海核電廠取水工程設計中的基本要點。 王印忠等［2］通過分析不同海岸類型的水文地質(zhì)特征， 建立了取水構(gòu)筑物型式與海岸類型的適用關(guān)系。 水務協(xié)會海水淡化委員會［3］和王生輝等［4］則分別總結(jié)了海水淡化工程海水取水構(gòu)筑物的選擇經(jīng)驗。 雖然以上結(jié)論為海水取水構(gòu)筑物的選擇和設計提供了寶貴借鑒， 但其指導作用卻受到應用對象和影響條件的局限， 尤其是未對取水水量所產(chǎn)生的影響進行深入探討。

近年來， 以海水冷卻和海水淡化為代表的海水利用工程在我國蓬勃發(fā)展。 截至2018 年底， 我國海水直流冷卻和海水循環(huán)冷卻年用水總量已經(jīng)達到1 391.56 億t。 其中， 已建成海水循環(huán)冷卻工程21個， 總循環(huán)量為1 818 800 t／h。 同時， 我國已建成海水淡化工程142 個， 工程規(guī)模為1 201 741 t／d［5］。海水取水構(gòu)筑物分布廣泛、 型式豐富、 取水能力各異， 不僅保證著海水利用工程的正常運行， 也為未來海水利用工程取水構(gòu)筑物的選型和設計提供了具有統(tǒng)計意義的工程樣本。

針對海水取水構(gòu)筑物設計選型多樣化的現(xiàn)狀，通過分類統(tǒng)計現(xiàn)有海水冷卻工程和海水淡化工程的取水流量及所采用的取水構(gòu)筑物型式， 分析取水流量、 取水水溫、 水面波動以及水文地質(zhì)對取水構(gòu)筑物選型的影響， 明晰不同應用對象和多因素影響條件下經(jīng)濟適用的海水取水構(gòu)筑物型式， 以此簡化海水取水構(gòu)筑物的選型過程， 提升海水利用工程海水取水方案的科學性。

1 濱海核電廠海水直流冷卻工程

濱海核電廠海水冷卻工程主要用于常規(guī)島汽輪機凝汽器的冷卻和少量輔助設備冷卻。 目前， 我國濱海核電廠海水冷卻工程均采用直流形式， 即海水作為冷卻介質(zhì)一次通過換熱設備后就排回大海， 因此在無其他合建取水流量的情況下， 其冷卻水量基本等于取水流量。 我國部分濱海核電廠取水流量（冷卻水量）和海水取水構(gòu)筑物型式如表1 所示。

由表1 可以看到， 除我國最早建設的浙江秦山核電廠一期工程外， 濱海核電廠的取水流量（冷卻水量）一般較大， 均接近或超過100 m3／s（72.28 ～393.36 m3／s）。 從海水取水構(gòu)筑物型式看， 濱海核電廠海水直流冷卻工程主要采用引水明渠、 引水隧洞或明渠與隧洞組合的型式。

表1 濱海核電廠海水直流冷卻工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式Tab. 1 Intake flow rate and seawater intake structures of seawater once-through cooling projects of coastal nuclear power plants

引水明渠和引水隧洞的廣泛采用是與濱海核電廠海水直流冷卻工程的工藝要求密切相關(guān)的。 首先， 濱海核電廠冷卻水量和取水流量大， 取水構(gòu)筑物必須具有較大的取水能力。 隧洞式、 箱涵式、 明渠式、 港池式、 岸邊式、 碼頭前沿式取水構(gòu)筑物的過流斷面基本不受限制， 因此， 在取水能力方面均較為適用。 相反， 過流斷面受到限制的制式管道則難于適用。 例如， 按照NB／T 25002—2011《核電廠海工構(gòu)筑物設計規(guī)范》［16］規(guī)定的2.5 m／s 流速計算，當取水流量達到100 m3／s 時， 2 根取水管道的單根過流面積需20 m2， 即管道直徑約為5 m。 而電廠水工工程中經(jīng)常使用的焊接鋼管、 預應力鋼筒混凝土管和玻璃鋼管， 其最大管徑也僅為2 540 mm（外徑）和4 000 mm（公稱直徑）［17-19］。 同時， 文獻［16］規(guī)定“與取水明渠相連的取水泵房外前池， 應具有良好的水流狀態(tài)， 在設計高水位與100 年一遇波浪組合工況下， 水面波浪波動幅度（HS）不宜超過0.5 m”。 在此規(guī)定之下， 港池式、 岸邊式、 碼頭前沿式取水構(gòu)筑物因較難控制水面波動也基本不予采用。

其次， 從水文地質(zhì)方面考慮， 對海灘平緩、 潮差大、 近岸有沿岸泥沙運動的海域， 采用明渠取水會使取水構(gòu)筑物深入海中較長， 占地過大， 泥沙淤泥嚴重， 因此明渠式取水構(gòu)筑物適合深水近岸， 水中泥沙較少， 地質(zhì)條件穩(wěn)固的基巖海岸， 而隧洞式取水構(gòu)筑物則適合淤泥質(zhì)及地質(zhì)條件復雜的海岸。

此外， 直流冷卻工程中發(fā)電機組受冷卻水溫影響較大， 夏季取水溫度每增加1 ℃， 機組出力大致要降低0.3%， 因此要求取水構(gòu)筑物應盡可能取到較低溫度的海水。 為滿足這一要求， 隧洞式取水構(gòu)筑物一般將取水頭部設于深水處， 明渠式取水構(gòu)筑物采用下部透空、 上部攔截的取水口構(gòu)型。

2 濱海火電廠海水直流冷卻工程

濱?；痣姀S海水直流冷卻工程主要用于燃煤（或燃氣）發(fā)電機組凝汽器的冷卻和少量輔助設備冷卻， 其冷卻水量也基本等于取水流量。 直流冷卻是我國濱?；鹆Πl(fā)電廠海水冷卻工程的主要工藝形式。 我國部分濱?；痣姀S海水直流冷卻工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式如表2 所示。

由表2 可以看到， 濱?；痣姀S取水流量較濱海核電廠小， 多數(shù)明顯小于100 m3／s。 海水取水構(gòu)筑物主要以取水頭+ 引水箱涵為主， 引水明渠和引水隧洞也有少數(shù)采用。

表2 濱海火力發(fā)電廠海水直流冷卻工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式Tab. 2 Intake flow rates and seawater intake structures of seawater once-through cooling projects of coastal thermal power plant

與濱海核電廠相似， 濱?；痣姀S海水直流冷卻系統(tǒng)也需要取集低溫海水并控制進水前池的水面波動。 DL／T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設計規(guī)范》［38］中8.1.3 條第5 款規(guī)定： “在100 年一遇高潮位， 50 年一遇的波浪H13%作用下， 泵房吸水池的有效波高H13%不宜超過0.3 m”， 因此箱涵、 明渠或隧洞式取水構(gòu)筑物均較為適宜。 由于取水量變小， 且鋼筋混凝土箱涵可在陸地上預制， 海上裝配施工也較容易， 建設成本較低， 取水安全性較高， 因此箱涵在濱?；痣姀S海水直流冷卻工程中應用最為廣泛。

3 濱?；痣姀S海水循環(huán)冷卻工程

海水循環(huán)冷卻與海水直流冷卻的不同之處在于， 冷卻海水不再只經(jīng)一次換熱后就排回大海， 而是由冷卻塔冷卻后重新回到換熱設備， 因此由取水構(gòu)筑物取集的海水只需補充循環(huán)冷卻過程中因蒸發(fā)、 排污、 風吹和系統(tǒng)泄漏而損失的水量， 其值通常僅為冷卻水量的3% 左右（以濃縮倍數(shù)為2 及以上計）。 目前， 海水循環(huán)冷卻工程在我國主要應用于火力發(fā)電行業(yè)。 我國部分濱海火電廠海水循環(huán)冷卻工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式如表3所示。

由表3 可以看出， 濱?；痣姀S海水循環(huán)冷卻工程 取 水 流 量 較 小， 其 值 均 在5 m3／s 以 下（0.39 ～4.64 m3／s）。 同時， 取水構(gòu)筑物型式多樣， 有引水箱涵、 引水隧洞、 潮汐式取水構(gòu)筑物、 岸邊式取水泵房、 與直流冷卻合用取水構(gòu)筑物等。

表3 濱?；痣姀S海水循環(huán)冷卻工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式Tab. 3 Intake flow rate and seawater intake structures of the seawater recirculating cooling projects of coastal thermal power plants

相比于直流冷卻， 循環(huán)冷卻方式的變化引起了取水水源和取水方式的顯著變化。 首先， 較小的取水流量增加了長距離輸水在經(jīng)濟上的可行性，從而使工程選址可以擺脫輸水距離不超過1 km，供水總揚程在25 m 以內(nèi)的經(jīng)濟性限制［42］， 同時也使取用流量有限的感潮河水作為冷卻補水成為可能。 其次， 由于取水水泵單機流量較小， 水泵運行對泵房吸水池水面波動不再敏感， 因此岸邊式、潮汐式取水構(gòu)筑物也可以成為技術(shù)經(jīng)濟合理的選擇。 最后， 由于在循環(huán)冷卻系統(tǒng)中補充海水不再是最終冷源， 而循環(huán)海水主要是作為冷卻介質(zhì)，因此機組發(fā)電效率對海水取水水溫不再依賴， 取水構(gòu)筑物無需再取集深層低溫海水， 從而使采用隧洞、 箱涵和明渠等取水構(gòu)筑物失去了技術(shù)經(jīng)濟上的必要性。

4 海水淡化工程

海水淡化工程取水主要為海水淡化設備提供原料海水和冷卻海水。 根據(jù)采用反滲透法或蒸餾法海水淡化方式的不同， 海水取水流量一般約為淡化產(chǎn)水量的2 ～4 倍。 我國部分海水淡化工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式如表4 所示。

由表4 可以看出， 海水淡化工程的取水流量一般較小， 多數(shù)不超過0.5 m3／s。 海水取水構(gòu)筑物型式具有以下特點： 首先， 規(guī)模較小的獨立海水淡化工程多采用取水能力較小但建設成本較低的沙灘井、 大口井或潛水泵直接取水； 其次， 在具有海水冷卻工程的發(fā)電廠中， 海水淡化往往與海水冷卻合用取水構(gòu)筑物， 其型式由取水流量較大的海水利用工程決定， 如引水箱涵、 引水明渠或岸邊式取水構(gòu)筑物等。

表4 海水淡化工程取水流量和海水取水構(gòu)筑物型式Tab. 4 Intake flow rates and seawater intake structures of seawater desalination projects

5 結(jié)論

通過全面分析取水流量在0.001 ～393.36 m3／s范圍內(nèi)的海水利用工程可以看出， 取水流量是海水取水構(gòu)筑物型式選擇的最重要因素。 不同的取水流量可采用的海水取水構(gòu)筑物型式顯著不同。 當在一定的取水流量范圍內(nèi)有多種取水構(gòu)筑物型式可供選擇， 或者取水流量不在以上工程案例涵蓋的范圍內(nèi)時， 應結(jié)合水文地質(zhì)、 取水水溫、 水面波動控制等要求通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。

（1） 對于取水流量在72.28 ～393.36 m3／s 范圍內(nèi)的濱海核電廠海水直流冷卻工程， 海水取水構(gòu)筑物主要以引水明渠、 引水隧洞或明渠與隧洞組合型式為主， 具體采用哪種型式應根據(jù)海岸類型或水文地質(zhì)情況確定。

（2） 對于取水流量在9.43 ～202.78 m3／s 范圍內(nèi)的濱?；痣姀S海水直流冷卻工程， 海水取水構(gòu)筑物主要以引水箱涵為主， 明渠和隧洞也有少數(shù)采用。

（3） 對于取水流量在0.39 ～4.64 m3／s 范圍內(nèi)的濱?；痣姀S海水循環(huán)冷卻工程， 可以采用的海水取水構(gòu)筑物型式多樣， 如引水箱涵、 引水隧洞、 潮汐式取水構(gòu)筑物、 岸邊式取水泵房、 與直流冷卻合用取水構(gòu)筑物等。

（4） 對于取水流量一般在0.5 m3／s 以下的獨立海水淡化工程， 宜采用取水能力較小但建設成本較低的沙灘井、 大口井或潛水泵直接取水。 如果海水淡化工程設在具有海水冷卻工程的發(fā)電廠中， 那么海水淡化與海水冷卻合用取水構(gòu)筑物則更為經(jīng)濟。