反滲透海水淡化工程設(shè)備和管道布置的設(shè)計(jì)研究

劉錫文

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津300192）

反滲透海水淡化技術(shù)具有投資省、能耗低、建設(shè)周期短、占地面積少、操作維護(hù)簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，自2000年以來發(fā)展迅猛，目前在海水淡化領(lǐng)域已占據(jù)主導(dǎo)地位。反滲透海水淡化工程的建設(shè)成本主要包括土地資源、設(shè)備管材投資、管道安裝費(fèi)用。海水淡化工程的設(shè)備和管道布置是決定占地面積、管材用量的重要因素。因此，合理的設(shè)備和管道布置是降低成本、保障工程穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

有關(guān)反滲透海水淡化工程的設(shè)計(jì)規(guī)范較少，如GB／T50619—2010《火力發(fā)電廠海水淡化工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB／T 31327—2014《海水淡化預(yù)處理膜系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等。一般可參照?qǐng)?zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有HG／T 20519—2009（2017）《化工工藝設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定》、HG／T 20546—2009（2017）《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)規(guī)定》、HG／T 20549—1998（2004）《化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定》、SH 3011—2011《石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH 3012—2011《石油化工金屬管道布置設(shè)計(jì)規(guī)范》、SH／T 3055—2017《石油化工管架設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 51019—2014《化工工程管架、管墩設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50235—2010《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》、GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)（2018年版）》和GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018年版）》等。

1 設(shè)備布置

設(shè)備布置設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工藝流程、安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的要求，并應(yīng)考慮以下各方面的需要：工廠總體布置；操作、維護(hù)、檢修、施工和消防；節(jié)約用地和減少能耗。

設(shè)備的間距除應(yīng)滿足防火、防爆規(guī)定外，還應(yīng)滿足：為操作、檢修、裝卸、吊裝所需留有的場(chǎng)地和通道；設(shè)備和建筑物的梯子、平臺(tái)的布置；設(shè)備基礎(chǔ)、地下埋設(shè)的管道、管溝、電纜溝和排水井的布置；管道和儀表安裝［1］。

1.1 設(shè)備布置形式

一個(gè)完整的海水淡化工程從取出海水到產(chǎn)出淡水所包含的設(shè)備較多，有的工程建設(shè)在沿海地區(qū)、海島上，有的工程建設(shè)在特定空間內(nèi)，如艦艇船舶、集裝箱內(nèi)。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理環(huán)境條件、工程規(guī)模、客戶要求不同，設(shè)備布置也有多種形式?？傮w來說，設(shè)備布置可歸納為3種主要形式，包括流程型布置、功能型布置和集中型布置。

1.1.1 流程型設(shè)備布置

流程型布置是按工藝流程的順序進(jìn)行設(shè)備布置，也是優(yōu)先考慮的布置形式。此種布置形式使用管材較少，布局簡(jiǎn)單。一般用于中小型工程，以及對(duì)設(shè)備占地面積不受現(xiàn)有廠房外形尺寸限制的工程或者依據(jù)設(shè)備布置情況來確定車間外形尺寸的工程。某300 m3／d海水淡化工程設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 某300 m3／d海水淡化工程設(shè)備布置Fig.1 Equipment layout of a 300 m3／d se awater desalination project

在設(shè)備布置時(shí)將需要運(yùn)行操作的設(shè)備，如多介質(zhì)過濾器、超濾膜組、反滲透膜組前預(yù)留足夠的空間，便于運(yùn)行操作和監(jiān)測(cè)裝置面板上的運(yùn)行數(shù)據(jù)。水泵、水箱按流程布置，可以使管線更短，節(jié)省投資，并盡量靠墻放置。另外，各設(shè)備間的距離要滿足管道布置的空間要求。

1.1.2 功能型設(shè)備布置

功能型設(shè)備布置是在依據(jù)工藝流程的基礎(chǔ)上，將設(shè)備按照不同的功能劃分區(qū)域布置［2］，一般分為預(yù)處理區(qū)、脫鹽區(qū)、加藥區(qū)、水箱區(qū)、水泵區(qū)等，適用于大中型海水淡化工程。某10 000 m3／d海水淡化工程的設(shè)備布置如圖2所示。

在圖2中可看到用虛線劃分的功能區(qū)，在預(yù)處理區(qū)內(nèi)放置有超濾膜組；在脫鹽區(qū)內(nèi)從右至左按照工藝流程順序，依次放置一級(jí)反滲透膜組、二級(jí)反滲透膜組和EDI膜組，均為3臺(tái)。在水泵區(qū)內(nèi)均放置有與膜組相對(duì)應(yīng)的水泵和過濾器，并且在車間外的水箱也是與各功能區(qū)設(shè)備相對(duì)應(yīng)放置。整體布置很簡(jiǎn)單直觀，保證了各功能區(qū)內(nèi)設(shè)備間管道連接的簡(jiǎn)潔，同時(shí)，水泵、水箱、過濾器和膜組采用同類設(shè)備集中布置的原則［3］，便于土建施工和設(shè)備安裝。

圖2 10 000 m3／d海水淡化車間設(shè)備布置Fig.2 Equipment layout of a 10 000 m3／d seawater desalination plant

1.1.3 集中型設(shè)備布置

集中型設(shè)備布置適于中小型工程或者占地面積受限制的工程，如一體化裝置或設(shè)備車間占地面積已確定并且空間較小的工程等。一體化裝置的產(chǎn)水規(guī)模一般為0.5～20 m3／d，各單元緊湊布置在一個(gè)框架內(nèi)，便于移動(dòng)，可用于船舶、野外等特定環(huán)境。在設(shè)備布置時(shí)一般將水泵放置在架子下部，過濾器掛在架子一側(cè)或者前部，便于操作的地方，反滲透膜元件放置在架子中間或后部。某5 m3／d海水淡化裝置的三維布置如圖3所示。

圖3 某5 m3／d海水淡化裝置的三維布置Fig.3 3D diagram of a 5 m3／d seawater desalination device

1.2 主要單元的設(shè)備布置

確定了整個(gè)工程或海水淡化車間的設(shè)備布置形式之后，依據(jù)各單元設(shè)備的特性、外形尺寸和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等，進(jìn)一步確定各單元設(shè)備的管口、操作臺(tái)、支架的空間位置，同時(shí)要確定設(shè)備的安裝方案、設(shè)備基礎(chǔ)、管道及電氣儀表管線的走向等。

1.2.1 過濾器的布置

海水淡化用過濾器的種類較多，按過濾形式主要有機(jī)械過濾器、網(wǎng)式過濾器、疊片式過濾器等，其中普遍應(yīng)用的是機(jī)械過濾器。機(jī)械過濾器上安裝的閥門較多，過濾器前面要預(yù)留出操作和維修的空間，一般不小于800 mm；過濾器之間或者過濾器與其他設(shè)備之間的凈距離不小于500 mm；過濾器的高度要滿足管道安裝的需要。當(dāng)多排過濾器布置時(shí)，每相鄰兩排可背靠背布置，使占地面積更小。另外，除了滿足相關(guān)規(guī)定要求外，還需要滿足廠家技術(shù)說明書中提出的空間要求。

1.2.2 超濾膜組和反滲透膜組的布置

超濾膜組和反滲透膜組應(yīng)布置于室內(nèi)，防冰凍和日照，環(huán)境溫度宜為5～40℃。超濾膜組和反滲透膜組都是由多個(gè)膜元件組合在一起，固定安裝在鋼結(jié)構(gòu)膜架上。一般情況下，超濾膜元件垂直放置，反滲透膜元件水平放置。為了節(jié)省膜組的占地面積，膜元件間的距離要盡量緊湊，但要滿足與膜元件接口相連接的管路的安裝尺寸要求。膜組的儀表面板安裝有壓力表、流量計(jì)、溫度顯示、取樣閥等，在儀表面板前需要預(yù)留不小于600 mm的監(jiān)測(cè)和操作空間。當(dāng)由多臺(tái)膜組組成裝置時(shí)宜采用對(duì)稱形式排布，膜組之間宜留有0.8～1.5 m間距的檢修通道［4］。另外，垂直放置的超濾膜殼上端要預(yù)留2 000～2 500 mm不小于膜殼高度的空間，以便膜殼拔出更換膜元件；反滲透膜組的左、右兩側(cè)要分別留出與膜殼兩端相距1 500 mm的空間用于更換膜元件。

1.2.3 水箱的布置

由于水箱不需要頻繁開關(guān)進(jìn)出水閥門，一般靠近墻放置，水箱與墻的凈距離不小于500 mm，并且設(shè)置水箱基礎(chǔ)。水箱與水箱間的凈距離一般不小于400 mm，水箱與其他設(shè)備的凈距離不小于600 mm。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，還需要考慮水箱底部排水口的位置和水箱頂部排氣口的位置。

1.2.4 水泵的布置

海水淡化工程中的水泵較多，包括原水泵、增壓泵、高壓泵、反洗泵、清洗泵等，可根據(jù)設(shè)備總體布置形式確定位置。大中型工程一般設(shè)置有泵房，高壓泵和增壓泵可放置在反滲透膜組附近，也可放置在泵房?jī)?nèi)，其余水泵放置在泵房?jī)?nèi)。小型工程的水泵一般放置在海水淡化車間內(nèi)，高壓泵盡量靠近反滲透膜組［5］，其余水泵在過濾器、超濾和反滲透膜組、水箱等設(shè)備初步布置完成后再確定。水泵的外輪廓面與墻面的最小距離（水泵側(cè)面有管道時(shí)，外輪廓面計(jì)至管道外壁面）、泵與泵之間外輪廓面的最小距離應(yīng)依據(jù)電機(jī)額定功率范圍進(jìn)行確定，一般不小于1 m。泵的安裝高度一般取泵的基礎(chǔ)面比地面高200～600 mm，泵的基礎(chǔ)四周比泵座大100 mm。如圖2中所示的水泵雙排布置時(shí)，兩排泵的電機(jī)端相對(duì)，在中間留檢修通道，兩排泵凈距不宜小于2 m。另外，水泵出口第一個(gè)閥門與水泵出口的距離要求不小于6倍閥門通徑，在實(shí)際工程中一般取2～3倍的閥門通徑［6］。

2 管道布置

管道布置是管道設(shè)計(jì)中最重要的一部分，在完成管材、閥門、管件的選擇和管路計(jì)算后，開始進(jìn)行管道布置設(shè)計(jì)。管道布置設(shè)計(jì)的主要依據(jù)包括：①設(shè)計(jì)、安全、環(huán)保等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及當(dāng)?shù)氐姆伞⒎ㄒ?guī)；②項(xiàng)目工程規(guī)定、設(shè)計(jì)規(guī)定；③帶控制點(diǎn)的工藝流程圖；④設(shè)備布置圖；⑤設(shè)備裝配圖、管口方位圖、設(shè)備安裝詳圖；⑥廠房建筑平立面圖；⑦自動(dòng)控制等其他專業(yè)的相關(guān)條件和資料。另外，管道布置過程中還要考慮經(jīng)濟(jì)性和美觀性，使整個(gè)工程的管道布置最優(yōu)化。

2.1 管道布置特點(diǎn)

2.1.1 大型工程的管道布置

大型工程的管道布置時(shí)，由于各工藝階段均由多臺(tái)相同設(shè)備組成，而且大部分管路的公稱直徑大于150 mm。因此，為了保證整個(gè)車間的整齊美觀和檢修維護(hù)空間，并且為了滿足設(shè)備進(jìn)出口管道位置的需要，管道布置通常采用管溝或者架空敷設(shè)管路［7］。

圖2所示工程的管道布置情況如圖4所示。此工程的管道敷設(shè)在地下或高處，地下管道采用管溝的形式，高處的管道采用獨(dú)立式支架或管廊布置。各水箱與水泵進(jìn)口管道的連接敷設(shè)在地下，水泵出口與各保安過濾器進(jìn)口連接的管道、保安過濾器出口連接到高壓泵、高壓泵到各膜組的連接均采用架空敷設(shè)管路。二級(jí)反滲透產(chǎn)水去二級(jí)反滲透產(chǎn)水箱、一級(jí)反滲透產(chǎn)水去一級(jí)反滲透產(chǎn)水箱、一級(jí)反滲透和二級(jí)反滲透沖洗管道、化學(xué)清洗進(jìn)出水管道與各膜組連接管段集中布置在管廊上，如圖4中虛線部分設(shè)置有管廊。

圖4 某10 000 m3／d海水淡化車間管道布置Fig.4 Pip eline layout of a 10 000 m3／d seawater desalination plant

2.1.2 中小型工程的管道布置

對(duì)于中小型工程，管道的最大公稱直徑不超過150 mm，一般多采用沿地和沿墻敷設(shè)管路，可降低工程建設(shè)成本。在管道布置時(shí)要將地面或墻面上的多根管道平行排列，管路間距要滿足安裝要求，并且注意縮短管路的長(zhǎng)度［8］，減少管路的拐彎和交叉［9］。同時(shí)，在地面上的多根平行管路盡量集中排列，預(yù)留出工作人員在設(shè)備間行走的空間。圖1所示工程的管道布置如圖5所示。此工程中各設(shè)備間的管道連接多采用沿地和沿墻敷設(shè)。

圖5 某300 m3／d海水淡化工程管道布置Fig.5 Pipeline layout of a 300 m3/d seawater desalination project

2.2 主要單元的管道布置

2.2.1 過濾器的管道布置

立式過濾器的進(jìn)水、出水、反洗管路都引出到過濾器前部，閥門放置在前部易操作的位置，一般閥門的安裝高度可取1.2 m左右。臥式過濾器的進(jìn)水、出水管口處直接放置閥門。過濾器的各管道支架通常設(shè)置在筒體上。

2.2.2 超濾膜組的管道布置

超濾裝置是海水淡化工程中管路最多的部分，包括進(jìn)水、產(chǎn)水、濃水、反洗（氣洗）、化學(xué)清洗管路。膜元件下部接口連接進(jìn)水管，上部接口連接產(chǎn)水管和濃水管。對(duì)稱形式排布的多臺(tái)超濾膜組的進(jìn)水總管、產(chǎn)水總管、濃水總管等宜布置在兩排膜組中間，膜組中各管道上的閥門也盡量放置在靠近總管的一端。

（1）進(jìn)水（進(jìn)氣）管路。為了放置進(jìn)水管路的流量計(jì)，超濾膜組的進(jìn)水管口放置在低處，垂直向上后轉(zhuǎn)向垂直向下（形成n形），再與各膜元件相連接，流量計(jì)放置在垂直向上的管路段，閥門放置在垂直向下的管路段。在膜組進(jìn)水管路上設(shè)置分管路，作為化學(xué)清洗進(jìn)水管路。另外，在各膜元件與膜組進(jìn)水管連接的另一側(cè)設(shè)置反洗排放口。膜組的進(jìn)氣管路與各膜元件下部的進(jìn)氣口采用軟管相連接，在進(jìn)氣管路上配有減壓閥、空氣止回閥、氣動(dòng)閥和手動(dòng)閥。

（2）產(chǎn)水管路。超濾膜組的產(chǎn)水管與各膜元件產(chǎn)水接口相連接后水平放置在膜架頂部，在水平管段設(shè)置有閥門和流量計(jì)，并在產(chǎn)水管路設(shè)置分管路作為化學(xué)清洗回流管路。另外，產(chǎn)水管的另一側(cè)與反洗進(jìn)水管相連接。

（3）濃水管路。超濾濃水管與各膜元件濃水接口連接后垂直向下后轉(zhuǎn)向垂直向上（形成U形），在垂直向上的管路段放置流量計(jì)和閥門。同時(shí)，在膜組的濃水管路上設(shè)置分管路作為反洗排放管路，與膜組進(jìn)水管路的排放口相連接，并且在排放管路上設(shè)置排氣口。另外，在濃水管路上還需設(shè)置一個(gè)分管路作為化學(xué)清洗回流管路，與產(chǎn)水管路上的化學(xué)清洗管路相連。

2.2.3 反滲透膜組的管道布置

反滲透膜組的管路包括進(jìn)水、產(chǎn)水、濃水、化學(xué)清洗（沖洗）管路，其中進(jìn)水管路、濃水管路為高壓管路，產(chǎn)水管路、化學(xué)清洗管路為低壓管路。與膜元件接口連接匯總后的進(jìn)水管、產(chǎn)水管和濃水管都引到整個(gè)膜組的前部并垂直放置，在垂直管路段上設(shè)置閥門、壓力表、流量計(jì)等，同時(shí)盡量將閥門設(shè)置在同一高度，便于膜組的操作和維護(hù)［10］。在管道布置中要注意高壓的進(jìn)水管路、濃水管路分別與低壓化學(xué)清洗管路的連接處要安裝尺寸相匹配的法蘭。

另外，保安過濾器、高壓泵、增壓泵、能量回收裝置與反滲透膜組構(gòu)成了反滲透系統(tǒng)，大中型工程中這些設(shè)備布置在反滲透膜組周圍，小型工程的整個(gè)反滲透系統(tǒng)都安裝在膜架上。因此，在反滲透膜組的管道布置時(shí)要考慮整個(gè)系統(tǒng)的管道布置的合理性和經(jīng)濟(jì)性［11］。

2.2.4 加藥裝置的管道布置

海水淡化工程從預(yù)處理到后處理的整個(gè)工藝過程中，為了保證各工藝階段更優(yōu)的出水水質(zhì)，需要添加適量的藥劑。另外，超濾膜組和反滲透膜組的化學(xué)清洗也需要使用藥劑。所用藥劑有絮凝劑、助凝劑、殺菌劑、酸、堿、阻垢劑、還原劑、氧化劑等。

小型工程的加藥裝置一般在加藥點(diǎn)附近放置，大中型工程會(huì)配置加藥間。由于加藥管道內(nèi)各種藥劑介質(zhì)一般均具有腐蝕性，加藥管道可沿建筑物、構(gòu)筑物頂板、側(cè)壁、地面明設(shè)，以便于檢修，也可設(shè)置在專門的加藥管溝內(nèi)，但應(yīng)避免架空敷設(shè)，以免因加藥管道滲漏造成生產(chǎn)安全事故。當(dāng)采用加藥管溝時(shí)，要注意避免加藥管道與基礎(chǔ)及其他管道相撞，且加藥管道盡量同溝敷設(shè)［12］。當(dāng)加藥管路與其他管路沿墻布置時(shí)，應(yīng)盡量布置在比其他管路相對(duì)低處。另外，加藥管道在穿越廠區(qū)內(nèi)道路時(shí)，一般不設(shè)置溝道，可先在道路下預(yù)埋鋼套管，加藥管道設(shè)于套管中穿越道路，套管兩端應(yīng)設(shè)置檢查井。

2.2.5 管道支架布置

在一個(gè)完整的管道布置設(shè)計(jì)中，支架是重要的組成部分，支架的正確設(shè)置是管道安全穩(wěn)定的重要保障。設(shè)計(jì)人員在管道布置過程中，根據(jù)管道的操作條件，應(yīng)同時(shí)考慮支架位置、型式及合理性等。

管道支架的位置盡可能利用已有的建構(gòu)筑的梁柱、平臺(tái)、設(shè)備本體、地面等作為生根點(diǎn)［13］，同時(shí)管架的型式要盡量簡(jiǎn)單。如過濾器單體的管道支架通常設(shè)置在過濾器筒體上或者過濾器操作平臺(tái)上，超濾膜組和反滲透膜組的單機(jī)內(nèi)管道盡量由膜架支撐。在大中型海水淡化工程的裝置區(qū)內(nèi)的管架，宜采用鋼結(jié)構(gòu)管廊式管架［14］，如圖4中虛線部分設(shè)置有管廊，對(duì)稱形式排布的多臺(tái)超濾膜組的進(jìn)水總管、產(chǎn)水總管、濃水總管等多條總管宜集中放置在管廊上。

3 結(jié)語

設(shè)備布置和管道布置設(shè)計(jì)是海水淡化工程施工的重要依據(jù)，設(shè)備布置是管道布置的基礎(chǔ)，管道布置是設(shè)備布置的保證。設(shè)備和管道的布置設(shè)計(jì)是一項(xiàng)長(zhǎng)期的工作，不同規(guī)模、不同工藝以及不同單元之間有較大的差異。不同的設(shè)計(jì)人員也有不同的設(shè)計(jì)思路，每一項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)都是思考、比較和總結(jié)的過程。在進(jìn)行設(shè)備和管道布置的設(shè)計(jì)時(shí)，建議首先要參考相關(guān)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，更多地了解專業(yè)知識(shí)；其次要不斷積累工程經(jīng)驗(yàn)，提升設(shè)計(jì)水平。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用，不僅保證整個(gè)工程的良好運(yùn)行，而且降低投資和運(yùn)營(yíng)成本。