燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠水工系統(tǒng)布置優(yōu)化探討

杜虹曄，趙春楠，李春光

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

0 引言

我國(guó)是能源消耗大國(guó)，傳統(tǒng)的燃煤電站每年要消耗大量的煤炭資源，并對(duì)大氣造成巨大的污染。天然氣資源豐富，具有清潔、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足人類(lèi)對(duì)能源較長(zhǎng)時(shí)期的需求，同時(shí)其價(jià)格波動(dòng)也比油價(jià)小?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，近年來(lái)采用天然氣作為燃料的燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)電廠(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“聯(lián)合循環(huán)電廠”)在長(zhǎng)三角、珠三角等電力需求較大地區(qū)得到大量的建設(shè)與應(yīng)用。本文基于深圳市某電廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組擴(kuò)建工程水工專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作，提出了幾種水工系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)優(yōu)化的可行方案。

1 工程概況

1.1 地理位置

深圳市某電廠地處深圳市福田區(qū)和南山區(qū)的接壤地段，交通便利。該電廠不僅是深圳市中心區(qū)的可靠電源，同時(shí)也將是深圳中心區(qū)穩(wěn)定而環(huán)保的熱源供應(yīng)中心。

1.2 裝機(jī)容量

該電廠始建于1991年3月，是當(dāng)時(shí)為解決特區(qū)嚴(yán)重缺電局面而建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，投入運(yùn)行至今一直是深圳市的主力調(diào)峰電廠，也是我國(guó)最早引進(jìn)大型燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的工程之一，二十年來(lái)為深圳市電網(wǎng)供電總計(jì)達(dá)200多億kWh。

電廠分前后三期建成：一期工程總?cè)萘繛?04.88 MW，1992年8月并網(wǎng)發(fā)電，目前該機(jī)組已停運(yùn)；二期工程為1套GT13E2聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，全套機(jī)組總?cè)萘繛?44 MW，于1995年5月并網(wǎng)發(fā)電；三期工程(燃油改燃?xì)夤こ?為2套E級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，總?cè)萘繛?00 MW級(jí)，2006年第一套9E機(jī)組已并網(wǎng)發(fā)電，總功率約為185 MW。第二套E級(jí)機(jī)組工程為本文所涉及工程。

1.3 建設(shè)規(guī)模

本工程為電廠三期燃油改燃?xì)夤こ痰睦m(xù)建項(xiàng)目(2號(hào)E級(jí)機(jī)組工程)。建設(shè)占地總面積約18 000 m2。電廠本次續(xù)建規(guī)模為1套GT13E2燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)單元機(jī)組，即以1套GT13E2燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，1臺(tái)三壓余熱鍋爐與1套三壓、單缸、沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)組構(gòu)成的258 MW級(jí)“1+1+1”聯(lián)合循環(huán)單元機(jī)組。全廠裝機(jī)為“1×9E+2×GT13E2”構(gòu)成的3套一拖一的聯(lián)合循環(huán)單元機(jī)組，總?cè)萘繛?87 MW。燃料為進(jìn)口液化天然氣。電氣出線電壓等級(jí)為220 kV。機(jī)組投產(chǎn)后，對(duì)于增強(qiáng)地方電網(wǎng)的調(diào)峰能力，提高一次能源的利用率，降低供電成本，逐步實(shí)現(xiàn)深圳中心區(qū)熱、電、冷聯(lián)供具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 優(yōu)化方案

由于該電廠位于深圳市中部地區(qū)，廠內(nèi)可供使用的土地十分緊張，需考慮對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，壓縮布置，從而減少占地。

電廠水工專(zhuān)業(yè)的優(yōu)化布置主要體現(xiàn)在冷卻水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)及雨水回收系統(tǒng)等四個(gè)方面。

2.1 冷卻水系統(tǒng)

本期新建1臺(tái)13E2聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鈾C(jī)組，采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，補(bǔ)給水源為城市自來(lái)水。該電廠原有2臺(tái)E級(jí)機(jī)組，拆除其中1臺(tái)9E機(jī)組的循環(huán)水泵、循環(huán)水管以及三段機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。本期機(jī)組建成后與老廠另一臺(tái)9E機(jī)組共用冷卻設(shè)施，兩臺(tái)機(jī)組總循環(huán)水量為31 650 m3/h，經(jīng)核算后給出兩種冷卻水系統(tǒng)布置方案。

方案一：在電廠內(nèi)平行建設(shè)兩列共八格機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，單格尺寸15 m×16.5 m，采用雙側(cè)進(jìn)風(fēng)方式。在冷卻塔周?chē)ㄔO(shè)一座循環(huán)水泵房，在泵房?jī)?nèi)布置2臺(tái)循環(huán)水泵(1臺(tái)工頻，1臺(tái)變頻)，從吸水前池取水為兩臺(tái)機(jī)組的凝汽器及輔機(jī)提供冷卻水。單泵流量為16 000 m3/h。水泵入口前設(shè)置必要的清污裝置。循環(huán)水泵采用循環(huán)水泵房與冷卻塔間通過(guò)回水溝進(jìn)行連接。供水及回水管道采用母管制。主管道管徑DN2 000 mm鋼管，13E2機(jī)組供水支管為DN1 600 mm鋼管，9E機(jī)組供水支管為DN1 400 mm鋼管，管道地下部分平行敷設(shè)，埋深考慮700 mm左右覆土保護(hù)厚度。

方案二：在拆除的冷卻塔位置新建一列六格機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，單格尺寸19 m×17.2 m，采用雙側(cè)進(jìn)風(fēng)形式，廠外一側(cè)設(shè)置隔音柵。緊鄰冷卻塔設(shè)置一座循環(huán)水泵坑，露天布置，泵坑內(nèi)設(shè)置排水泵。內(nèi)設(shè)兩臺(tái)循環(huán)水泵(1臺(tái)工頻，1臺(tái)變頻)，單泵流量為16 000 m3/h，為2臺(tái)機(jī)組的凝汽器及輔機(jī)提供冷卻水。水泵防護(hù)等級(jí)需提高至IP56級(jí)。循環(huán)水泵前后閥門(mén)緊湊布置，泵出口管道上φ800 mm檢修人孔與三通合并設(shè)置，如圖1所示?？紤]到水源水質(zhì)較好，在吸水口前設(shè)置格柵，起到截污作用。供水及回水管道采用母管制[1]，主管道管徑DN2 000 mm鋼管，13E2機(jī)組供水支管為DN1 600 mm鋼管，9E機(jī)組供水支管為DN1 400 mm鋼管?；瘜W(xué)水車(chē)間南側(cè)為新建13E2機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)回水管路通道，但現(xiàn)有寬度不夠兩根管道平行布置，繞行會(huì)大大增加管道長(zhǎng)度及沿程阻力，影響機(jī)組運(yùn)行效果。電廠內(nèi)地下3 m左右即為基巖層，無(wú)地下水存留。故采用上下疊層布置，提高管道布置標(biāo)高。依據(jù)管道承重及穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果要求，在循環(huán)水管道上方靠近地面位置配置加強(qiáng)鋼筋，混凝土保護(hù)面積為管道中心線兩側(cè)各2 m，保護(hù)厚度300 mm。下方管道外側(cè)采用混凝土封閉，提高承重能力并防止管道漏水情況出現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 上下疊層布置的循環(huán)水管

圖2 循環(huán)水泵布置斷面

方案二較方案一的布置進(jìn)行了多方優(yōu)化，具體主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)循環(huán)水泵坑緊鄰冷卻塔布置，取消循環(huán)水泵房、吸水前池和循環(huán)水回水溝，減小占地的同時(shí)又降低了投資。吸水口前設(shè)置格柵，采用人工打撈清理。節(jié)約占地，便于維護(hù)；

2)選用少段數(shù)，大尺寸機(jī)械通風(fēng)冷卻塔。采取雙側(cè)進(jìn)風(fēng)，背靠背方式布置在廠界附近。與常規(guī)雙側(cè)進(jìn)風(fēng)雙排塔方案對(duì)比，壓縮了縱向占地長(zhǎng)度，同時(shí)也節(jié)省了雙列塔間必要的凈空間距；

3)循環(huán)水管上下疊層布置，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了管道的順利敷設(shè)，避免了管道的繞道，減少了管材的使用量和平面占地面積。提高管道標(biāo)高，減小了基巖開(kāi)挖及土方回填量。

具體對(duì)比指標(biāo)如表1所示。

表1 冷卻水系統(tǒng)方案對(duì)比指標(biāo)

2.2 工業(yè)水系統(tǒng)

電廠三期第一臺(tái)機(jī)組冷卻水系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)，水源取自城市自來(lái)水系統(tǒng)。本期循環(huán)水補(bǔ)水水源仍為城市自來(lái)水，水質(zhì)較好，循環(huán)水濃縮倍率取4[2]，利于節(jié)約用水。新建機(jī)組具備純凝及抽氣等多種運(yùn)行工況，經(jīng)全廠水務(wù)管理和水量平衡計(jì)算后，本期工程1套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的補(bǔ)給水量如表2和表3所示。

表2 13E2機(jī)組純凝工況補(bǔ)給水量(冷卻倍率60)(m3/h)

表3 13E2機(jī)組抽氣工況補(bǔ)給水量(冷卻倍率76.3)(m3/h)

本期工程新增補(bǔ)給水最大量為356 m3/h。

工業(yè)水設(shè)計(jì)考慮新建和利用老廠現(xiàn)有系統(tǒng)兩種方案。

方案一：獨(dú)立敷設(shè)一根DN300 mm補(bǔ)給水管道，由廠外市政管網(wǎng)引接，直埋敷設(shè)，至各用戶附近設(shè)置閥門(mén)井。

方案二：二期現(xiàn)有供水管道為DN500 mm，經(jīng)核算原補(bǔ)給水系統(tǒng)具備向本期工程供水能力，考慮在原有管路上接引管道送至各用水點(diǎn)。深圳地處亞熱帶地區(qū)，不存在冰凍情況，故冷卻塔補(bǔ)水閥門(mén)取消閥門(mén)井，采用地上布置。由于深圳臨海，空氣鹽度大，腐蝕性強(qiáng)，地上閥門(mén)及管道采用加強(qiáng)級(jí)防腐措施。

兩方案對(duì)比，方案二具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)不再單獨(dú)敷設(shè)補(bǔ)給水管，節(jié)省占地及投資；

2)閥門(mén)地上布置，便于檢修維護(hù)。

具體對(duì)比指標(biāo)如表4所示。

表4 工業(yè)水系統(tǒng)方案對(duì)比指標(biāo)

2.3 消防系統(tǒng)

電廠原消防系統(tǒng)能力有限，無(wú)法兼顧新建機(jī)組，本期需新建獨(dú)立的消防系統(tǒng)。提出兩種可供選擇的布置方案。

方案一：?jiǎn)为?dú)設(shè)置1套消防水池及消防水泵房。在廠內(nèi)新建1座消防水泵房，泵房?jī)?nèi)設(shè)置3臺(tái)消防水泵(2用1備)、2臺(tái)穩(wěn)壓泵(1用1備)及1套穩(wěn)壓水罐[3]。在泵房附近新建1座300 m3消防水池。

方案二：取消消防水泵房，將5臺(tái)消防系統(tǒng)水泵及1套穩(wěn)壓罐布置在循環(huán)水泵坑內(nèi)。在冷卻塔水池內(nèi)部封閉隔離出1座300 m3水池作為消防貯水池。水泵從冷卻塔水池及消防水池內(nèi)公共取水。在冷卻塔池排空清掃期間，消防水泵可從消防供池內(nèi)取水，在消防水池清掃期間，消防水泵可從冷卻塔池內(nèi)取水。具體布置如圖3所示。消防水池及冷卻塔水池需要設(shè)置溢流和放空管道，二者整合布置節(jié)省占用的水池空間，如圖4所示。

圖3 消防水泵布置

圖4 溢流和放空管道

兩方案對(duì)比，方案二具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)取消了消防水泵房和消防水池，節(jié)省占地及投資；

2)溢流和放空管道整合，節(jié)約占地，便于檢修和運(yùn)行。

具體對(duì)比指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 消防系統(tǒng)方案對(duì)比指標(biāo)

2.4 雨水回收系統(tǒng)

深圳市位于北回歸線以南，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，易受到臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等熱帶氣旋影響，從而形成強(qiáng)降雨。根據(jù)深圳市氣候公報(bào)，造成風(fēng)雨影響的年均臺(tái)風(fēng)數(shù)量為3.5個(gè)，而近6年(2015～2020年)年均臺(tái)風(fēng)數(shù)量上升為4 個(gè)，呈增加趨勢(shì)。

在平均氣溫上升，城市“雨島效應(yīng)”和臺(tái)風(fēng)增加等因素的共同影響下，深圳市經(jīng)常出現(xiàn)暴雨天氣。

根據(jù)《深圳統(tǒng)計(jì)年鑒2020》和《深圳市氣候公報(bào)(2020年)》，1990～2020年深圳市多年平均降水量達(dá)到了1 916.4 mm，年降水量較大。根據(jù)深圳市氣候公報(bào)，2010～2020年近10 年局地暴雨及以上天數(shù)在波動(dòng)中增加，2019年局部暴雨及以上天數(shù)達(dá)到了58 d。2019年5月23日，深圳市過(guò)程最大1 h滑動(dòng)雨量達(dá)到136.5 mm，最大2 h滑動(dòng)雨量達(dá)到189.9 mm，均刷新深圳有區(qū)域自動(dòng)氣象站以來(lái)最大1 h和最大2 h雨量歷史記錄。由此看出，深圳市有著豐富的降水資源可供利用。但與此同時(shí)，深圳市也是國(guó)內(nèi)嚴(yán)重缺水城市之一，市政府近年來(lái)出臺(tái)多項(xiàng)節(jié)水政策和措施，努力打造海綿型城市。

電力行業(yè)耗水量巨大，節(jié)水刻不容緩?；厥绽糜晁饶茼憫?yīng)政府號(hào)召，節(jié)約水資源，又可以節(jié)約大量運(yùn)行成本，提高電廠效益。

廠房屋面雨水的污染相對(duì)較小，匯水面積較大且集中，通過(guò)管道收集到蓄水池后可進(jìn)行回收利用。為節(jié)約占地，本期工程在毗鄰冷卻塔南側(cè)空地新建一座雨水回收池，水池有效容積125 m3。二者共用隔墻，如圖5所示。廠區(qū)內(nèi)敷設(shè)一根回收水管接收從廠區(qū)內(nèi)建筑物屋頂上部匯集的雨水，輸送至回收水池內(nèi)進(jìn)行貯存、沉淀。水池上部的澄清水可作為電廠循環(huán)水補(bǔ)水及綠化用水。雨水回收池需定期進(jìn)行排空和清掃。全廠可利用屋面匯水面積約為5 400 m2，經(jīng)近年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年可回用雨水約3 100 m3。

圖5 雨水回收池

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加劇，電力需求量的增加，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，聯(lián)合循環(huán)電廠與燃煤電站相比下的優(yōu)勢(shì)日益凸顯出來(lái)，必將在未來(lái)的電力能源領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的建設(shè)。經(jīng)過(guò)多方努力，目前該電廠已經(jīng)建設(shè)完成，機(jī)組達(dá)到設(shè)計(jì)出力，各系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，雨水回收系統(tǒng)每年為電廠節(jié)約大量水資源。文中列舉的幾種水工系統(tǒng)的布置方案，可為后續(xù)電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。