虹吸引水在已建電廠為L(zhǎng)NG接收站供水應(yīng)用研究

郭晶晶，王 樓，蔡超英

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2.廣匯能源綜合物流發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226200；3.上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海 200080）

0 引言

某電廠與某液化天然氣（lique fied natural gas，LNG）接收站毗鄰建設(shè)，間距約2 km。電廠采用海水直流供水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組溫排水的流量約12.6 m3/s（冬季）～21 m3/s（夏季），共4臺(tái)機(jī)組。LNG接收站分期增建4個(gè)LNG儲(chǔ)罐、配套海水氣化工程以及LNG碼頭泊位，其中海水氣化工程需要海水量約2.22 m3/s（夏季 ）～ 4.45 m3/s（冬季 ）。

根據(jù)LNG接收站氣化器海水降溫和電廠凝汽器海水升溫特點(diǎn)，本工程創(chuàng)新采用海水耦合利用方案，LNG接收站氣化器所需海水采用電廠溫排水，減少電廠的溫排放影響；熱交換后充分降溫的冷海水排回電廠，可降低電廠循環(huán)水進(jìn)凝汽器的水溫，既能降低電廠機(jī)組背壓，又能消除LNG接收站的冷排放影響。

1 海水耦合利用方案

根據(jù)電廠已建條件，考慮選擇電廠排水工作井作為取水點(diǎn)。但由于電廠排水工作井已建，為盡量減少對(duì)電廠影響，結(jié)合原有結(jié)構(gòu)形式將開(kāi)孔位置設(shè)置在平均潮位附近，而此位置在排水工作井低水位時(shí)，海水無(wú)法自流至LNG接收站的海水泵房，需要增設(shè)抽真空設(shè)施，通過(guò)虹吸引水，將電廠溫排水引至海水泵房前池，海水升壓后輸送至LNG接收站作為L(zhǎng)NG氣化熱源，LNG接收站冷排水排回電廠循泵房。耦合取排水工藝流程如圖1所示。

圖1 耦合取排水工藝流程示意圖

2 虹吸引水設(shè)計(jì)

電廠排水工作井連接電廠循環(huán)水排水溝和電廠排水隧道，井內(nèi)水位隨潮位變化，重現(xiàn)期P=0.1%（千年一遇潮位）時(shí)電廠運(yùn)行水位為6.80 m，平均高潮位時(shí)電廠運(yùn)行水位為3.54 m，平均高潮位時(shí)電廠停運(yùn)水位為1.94 m，平均低潮位時(shí)電廠運(yùn)行水位為-0.59 m，重現(xiàn)期P=97%低潮位（保證率為97%）時(shí)電廠運(yùn)行水位為-1.00 m，室外場(chǎng)地標(biāo)高為3.50 m。

由于電廠排水工作井已經(jīng)建成，綜合比較排水工作井水位、結(jié)構(gòu)以及虹吸引水的標(biāo)高設(shè)計(jì)，在電廠排水工作井下游側(cè)井壁標(biāo)高約1.38 m處開(kāi)2只φ2 040 mm的孔洞，以安裝2根DN1600的虹吸引水支管，通過(guò)真空系統(tǒng)形成虹吸作用。排水工作井外側(cè)增設(shè)工作井，以方便開(kāi)孔時(shí)防止外漏，并安裝閥門。

自電廠排水工作井引水至LNG接收站海水泵房，設(shè)置DN1600玻璃鋼管道作為虹吸引水管，該引水管道全長(zhǎng)約800 m，分為沿大堤堤腳直埋敷設(shè)、頂小套管穿越大堤和頂管穿越排洪渠三部分。沿大堤堤腳直埋敷設(shè)標(biāo)高為1.44—0.30 m，管道設(shè)坡度i=0.006坡向海水泵房，該段管道因虹吸作用，將管道標(biāo)高抬高了約2.5 m；穿越大堤前的排水工作井內(nèi)，管道降低到-3.30 m后，以坡度i=0.005坡向海水泵房，管道標(biāo)高從-3.30 m降低到-7.30 m。

海水泵房設(shè)置在電廠大堤外開(kāi)發(fā)區(qū)排水溝東側(cè)，距電廠大堤約550 m，泵房?jī)?nèi)設(shè)置6臺(tái)離心泵，母管制供水。泵房從使用功能上分為進(jìn)水間和泵房間兩部分，泵房間設(shè)上部結(jié)構(gòu)，進(jìn)水間全露天布置，泵房間與進(jìn)水間分設(shè)固定起吊設(shè)施。水泵出口閥門設(shè)在泵房主體結(jié)構(gòu)內(nèi)。海水泵房室外地坪標(biāo)高約為2.50m，前池和泵房運(yùn)轉(zhuǎn)層設(shè)計(jì)標(biāo)高為7.50 m。按電廠排水工作井97%設(shè)計(jì)低潮位加上進(jìn)水流阻和水泵最小淹沒(méi)深度，泵房底標(biāo)高為-10.00 m，深17.50 m。因采用了虹吸引水設(shè)計(jì)，抬高了海水泵房的前池水位，從而降低海水取水升壓水泵揚(yáng)程、抬高海水泵房底板高度，降低了工程造價(jià)。

3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)是由真空泵、儲(chǔ)氣罐、真空管道、真空閥門等組成的成套系統(tǒng)，通過(guò)真空罐中液位的變化控制真空泵的啟停，以維持穩(wěn)定的真空源。在虹吸引水方案中，保證海水穩(wěn)定自流至海水泵房。

3.1 真空系統(tǒng)布置

真空系統(tǒng)的作用是使虹吸進(jìn)水管經(jīng)常處于真空狀態(tài)，因此需要在虹吸進(jìn)水管與真空泵間設(shè)真空罐，并保持一定的真空度，以使水泵可隨時(shí)直接啟動(dòng)。真空系統(tǒng)的真空泵根據(jù)真空管內(nèi)液位，自動(dòng)啟停?？紤]到真空罐內(nèi)漏入和水中逸出氣體的量，真空泵容量較小，但初次抽氣時(shí)間較長(zhǎng)，需要提前開(kāi)泵[1]。故該項(xiàng)目考慮設(shè)置2臺(tái)大型真空泵和2臺(tái)小型真空泵，大型真空泵用于系統(tǒng)初次抽氣，以減少系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間，小型真空泵用于維持系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的真空狀態(tài)。

除考慮真空罐的設(shè)置外，該項(xiàng)目為防止真空泵停運(yùn)時(shí)，空氣從氣水分離罐倒進(jìn)真空泵而竄入真空罐，破壞整個(gè)真空系統(tǒng)[1]，在真空罐外還設(shè)置了水封罐。

3.2 真空系統(tǒng)計(jì)算

為合理確定抽真空系統(tǒng)的規(guī)模，將虹吸引水管道予以簡(jiǎn)化，計(jì)算在抽真空過(guò)程中海水從設(shè)計(jì)低水位逐漸升高時(shí)各階段的抽真空容積。

計(jì)算結(jié)果如表1所示[2]。

表1 分階段計(jì)算表

3.3 真空泵選型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1結(jié)果，進(jìn)行真空泵選型計(jì)算，配4臺(tái)水環(huán)式真空泵（2大2小）。其中大泵吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為7.5～18.8 m3/min；小泵吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為1.75～5.8 m3/min。

3.4 真空泵校核計(jì)算結(jié)果

查真空泵曲線，對(duì)應(yīng)大泵Q大1=18 m3/min，Q大2=18.2 m3/min，Q大3=18.3 m3/min； 小 泵Q小1=5.55 m3/min，Q小2=5.58 m3/min，Q小3=5.60 m3/min； 故Q1=47.1 m3/min，Q2=47.56 m3/min，Q3=47.8 m3/min。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 真空泵校核計(jì)算表

由表可得∑Ti= 16.73＜20，滿足要求。

3.5 真空系統(tǒng)設(shè)置

在海水虹吸引水管上設(shè)置抽真空系統(tǒng)，形成虹吸，以降低海水取水泵揚(yáng)程和海水取水泵泵房深度。抽真空系統(tǒng)布置在電廠排水工作井附近，包括4臺(tái)水環(huán)式真空泵（2大2?。?。其中大泵電壓為380 V，功率為37 kW，吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為7.5～18.8 m3/min；小泵電壓為380 V，功率為11 kW，吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為1.75～5.8 m3/min。電動(dòng)機(jī)與真空泵采用直聯(lián)方式，此外設(shè)置4臺(tái)氣液分離器、4臺(tái)空氣式冷卻器、1臺(tái)真空罐、1臺(tái)水封罐。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，4臺(tái)真空泵同時(shí)投運(yùn)，經(jīng)過(guò)30 min可以在引水管道中形成虹吸；系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)需要投運(yùn)2臺(tái)小型真空泵。

抽真空系統(tǒng)能力要求：①啟動(dòng)工況：4臺(tái)真空泵同時(shí)投運(yùn)，可以在30 min內(nèi)使得長(zhǎng)度為250 m的DN1600管道（容積按660 m3）內(nèi)在抽真空點(diǎn)形成約-0.07 MPa負(fù)壓；②正常運(yùn)行工況：根據(jù)需要投運(yùn)1臺(tái)小型真空泵，足以補(bǔ)償由于管道泄漏產(chǎn)生的0.01 MPa/h的真空壓力降。③電廠低潮位時(shí)：根據(jù)真空罐液位情況，投運(yùn)2臺(tái)小型真空泵，以保證海水取水升壓泵房的水位。

使用廠區(qū)工業(yè)水作為水環(huán)式真空泵工作液的補(bǔ)給水，工作壓力為0.6 MPa，每臺(tái)真空泵設(shè)置一套空氣式冷卻器，用于真空泵循環(huán)水的冷卻。

4 保證虹吸引水的措施

自電廠排水工作井引水至LNG接收站海水泵房，設(shè)置DN1600玻璃鋼管道作為虹吸引水管，該引水管道全長(zhǎng)約800 m，分為沿大堤堤腳直埋敷設(shè)、頂小套管穿越大堤和頂管穿越排洪渠三部分。本工程虹吸引水的難點(diǎn)在于：①采用非常規(guī)的玻璃鋼管作為虹吸引水管道；②需要制作玻璃鋼頂管。

根據(jù)布置方案及水力計(jì)算，有約250 m玻璃鋼管道處于負(fù)壓狀態(tài)，剩余引水管在真空系統(tǒng)作用下處于正壓狀態(tài)。為了保證虹吸引水管道的效果，主要采取以下措施。

4.1 管道措施

1）本項(xiàng)目排水工作井至1號(hào)施工工作井之間的DN1600管道總長(zhǎng)度約250 m，需能承受約85 kPa的負(fù)壓。

2）連續(xù)纖維纏繞玻璃鋼夾砂管管道采用套筒（其結(jié)構(gòu)為內(nèi)層整體橡膠密封圈、外層玻璃鋼增強(qiáng)）接口連接，密封圈采用耐腐蝕、壽命長(zhǎng)的三元乙丙橡膠。內(nèi)襯密封圈的外環(huán)周面設(shè)有內(nèi)凸起限制內(nèi)襯滑動(dòng)的壓力槽，密封圈內(nèi)環(huán)周面上設(shè)有若干唇形倒刺，具備自鎖功能。

3）頂管部分采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料頂管（強(qiáng)力型），全寬套筒（full width coupling，F(xiàn)WC）全寬套筒連接，玻璃鋼纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層采用連續(xù)纏繞工藝制作，并通過(guò)連續(xù)纖維環(huán)向增強(qiáng)，樹脂砂漿層石英砂最大顆粒直徑不小于5 mm。管身與管端為一體材料，且初始軸向抗壓強(qiáng)度不低于90 MPa，剛度不小于30 000 N/m2，初始環(huán)向拉伸強(qiáng)度應(yīng)不低于200 MPa，初始軸向拉伸強(qiáng)度應(yīng)不低于60 MPa。

4）全寬套筒連接處，在外部負(fù)壓力-0.08 MPa作用下，持續(xù)1 h，接頭不得出現(xiàn)任何可見(jiàn)的失效，且壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。在整個(gè)虹吸引水管段，要求整段約800 m的DN1600管道在外部負(fù)壓力-0.08 MPa作用下，持續(xù)1 h，壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。

5）全寬套筒連接處，在外部負(fù)壓力-0.08 MPa作用下，持續(xù)1 h，接頭不得出現(xiàn)任何可見(jiàn)的失效，且壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。在整個(gè)虹吸引水管段，要求整段約800 m的DN1600管道在外部負(fù)壓力-0.08 MPa作用下，持續(xù)1h，壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。

6）虹吸引水管設(shè)i為0.005～0.006坡度坡向海水取水升壓泵房，以保證虹吸的效果。

7）穿大堤采用DN2200的鋼頂管共2根，分別內(nèi)設(shè)1根DN1600玻璃鋼管，安裝后用混凝土填實(shí)。

4.2 吸水管的布置

在電廠排水工作井下游側(cè)井壁需開(kāi)2只φ1 840 mm的孔洞（孔中心標(biāo)高1.38 m），以安裝2根DN1600的引水管道。為盡量減少本工程對(duì)原電廠循環(huán)水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，在開(kāi)孔處設(shè)一座10 m×4 m×7.7 m（深）的施工工作井，以防排水工作井開(kāi)孔處發(fā)生外漏。DN1600的吸水管道在排水工作井內(nèi)下彎至電廠運(yùn)行97%低潮位以下，保證虹吸安全及取水的可靠性，同時(shí)在排水工作井內(nèi)對(duì)管道設(shè)置支架，對(duì)管道進(jìn)行固定，防止水流對(duì)管道的沖擊。

水平管道標(biāo)高1.38 m考慮到排水工作井的結(jié)構(gòu)布置，以及電廠停運(yùn)時(shí)平均高潮位水位1.94 m，介于電廠運(yùn)行時(shí)平均高潮位水位3.54 m和電廠運(yùn)行時(shí)平均低潮位-0.59 m之間，使得管道在排水工作井高水位時(shí)保證自流引水，僅在低水位時(shí)啟動(dòng)真空系統(tǒng)引水。

5 虹吸引水的運(yùn)行情況

5.1 LNG接收站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

自2020年12月試運(yùn)行至今，2臺(tái)大型真空泵僅系統(tǒng)初次投用時(shí)建立真空系統(tǒng)啟用過(guò)，啟動(dòng)時(shí)間約17 min，啟動(dòng)前前池水位為-1.00 m。

聯(lián)鎖報(bào)警值：H（高液位報(bào)警）為2 000 mm；L（低液位報(bào)警）為500 mm；LL（低低液位報(bào)警）為150 mm。聯(lián)鎖關(guān)系：真空罐液位低于500 mm，啟動(dòng)1臺(tái)小型真空泵；真空罐液位低于150 mm，啟動(dòng)2臺(tái)小真空泵。啟動(dòng)頻次：平均約3次/d。一般啟動(dòng)1臺(tái)小型真空泵，每次啟動(dòng)時(shí)間1～2 h不等。

根據(jù)海水取水升壓泵房前池水位監(jiān)測(cè)，運(yùn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定，水位維持在前池水位的50%～70%之間，基本上在60%左右，約0.50 m標(biāo)高，水深約10.50 m。

目前LNG站中間介質(zhì)式氣化器（intermediate fluid vaporator，IFV）投 運(yùn) 數(shù) 量為1臺(tái)（裝備共2臺(tái)），IFV入口海水流量1 354.44 m3/h，進(jìn)口海水溫度21.17 ℃，出口海水溫度12.24 ℃，溫差約8.93 ℃，進(jìn)口海水壓力0.4 MPa。原設(shè)計(jì)1臺(tái)IFV投運(yùn)時(shí)的冬季流量約為4 000 m3/h，實(shí)際目前的LNG站IFV處于約30%負(fù)荷運(yùn)行。

5.2 電廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況和LNG接收站運(yùn)行情況對(duì)比

海水耦合利用后，電廠運(yùn)行主要為冬季和春季，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)真空系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間中2021年3月30日0:00～17:00進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，此時(shí)數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 循環(huán)水泵房前池水位和真空泵運(yùn)行情況

表4 凝汽器循環(huán)水和LNG站IFV海水入口、出口溫度

電廠平時(shí)真空泵運(yùn)行基本為1臺(tái)（當(dāng)潮位高時(shí)，有時(shí)不用啟動(dòng)真空泵），每次啟動(dòng)的時(shí)間約1～2 h，具體與潮位和電廠對(duì)應(yīng)運(yùn)行情況相關(guān)。電廠4臺(tái)機(jī)組負(fù)荷為358～603 MW。

5.3 運(yùn)行情況分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)，系統(tǒng)投運(yùn)前，需要啟動(dòng)2臺(tái)大型真空泵和2臺(tái)小型真空泵，需要約16.73 min，實(shí)際投運(yùn)時(shí)，2臺(tái)大型真空泵投運(yùn)約17 min，海水取水升壓泵啟動(dòng)，與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果接近。

原設(shè)計(jì)投運(yùn)1臺(tái)小型真空泵，足以補(bǔ)償由于管道泄漏產(chǎn)生的0.01 MPa/h的真空壓力降，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行時(shí)的真空泵啟動(dòng)情況，可以推測(cè)，管道泄漏產(chǎn)生的真空壓力降較少，說(shuō)明原設(shè)計(jì)采用的防止管道泄漏措施有效。

電廠運(yùn)行在3月份時(shí)的溫差為8 ℃，而LNG站的溫差約5.5 ℃，導(dǎo)致LNG接收站回水至電廠循環(huán)水泵房前池的水溫比海水水溫高約4.4～6.197 ℃，與電廠的循環(huán)水（如電廠2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行）取水摻混后，導(dǎo)致電廠水溫升高約0.05～0.08 ℃，因機(jī)組阻塞背壓對(duì)應(yīng)約15 ℃，故對(duì)電廠機(jī)組春秋冬季工況影響可以忽略，隨著IFV的運(yùn)行規(guī)模逐漸增加，夏季調(diào)高溫差后，可以保證電廠機(jī)組的背壓。

6 結(jié)語(yǔ)

在海水自流取水管上設(shè)置抽真空系統(tǒng)，形成虹吸，以抬高取水管高度、降低海水取水升壓水泵揚(yáng)程和抬高海水泵房的底板標(biāo)高，減少運(yùn)行時(shí)的安全隱患，降低工程造價(jià)。

通過(guò)虹吸引水設(shè)計(jì)，解決了LNG接收站從電廠取水的可能性，實(shí)現(xiàn)電廠溫排水和LNG接收站冷排水的耦合利用，降低LNG接收站的工程投資，對(duì)海洋環(huán)境無(wú)冷排放的影響，同時(shí)降低對(duì)海洋的溫排水影響，為L(zhǎng)NG接收站和電廠帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。