核电站、火电厂水工系统优化设计和应用

时间：2024-07-28

杨满成，周金全

(中国华电工程(集团)有限公司，北京100035)

0 引言

核电站和火电厂水工系统设计是一项复杂而又综合性的工作［1］。为保证其工程质量、缩短建设周期、降低工程造价以及建成后获得较好的经济效益，优化设计方案是投入小、收益大、见效快的重要手段之一。水工系统的工程设计优化应紧紧围绕“循环经济发电、节约能源、提高效率、提高安全可靠性”的基本要求来开展。

1 核电站工程取、排水口布置设计优化

秦山核电二期和二期扩建工程均为2台600 MW机组，每期循环水总水量为78 m3/s。该厂址面向杭州湾，水深流急，涨落潮流速均可达2.5 m/s左右。多年平均潮差约5.2 m，海域取水水深10.0 m以上，局部地区可达20余m。该海域取水地段最大含沙量为 6.0 ～8.0 kg/m3，平均含沙量为2.5 kg/m3。这对取水头部、管渠、泵房系统布置和设计提出了更高要求。

厂址南侧海域东西方向有2个矶头，由于涨落潮的作用，矶头周围形成较深的冲刷坑，为二期和二期扩建工程设置2个取水口提供了有利位置，两期工程取水口相距约1 000 m。经水工模型试验和优化方案，确定二期和二期扩建工程为一个排水口，具体位置设在二期取水口下游550 m处，该处岩石露头，涨、落潮流速较大，温排水和低放废水稀释扩散条件较好。

秦山核电二期取排水工程物理模型试验的结果表明:取水口的瞬时最大温升为0.7℃，而日平均温升不超过0.4℃;取水和排出口温升为1.0℃;等温线所包罗面积变化于0.9～3.1 km2;核电站温排水和低放废水对水环境造成的热、核污染较小。

由于杭州湾海域含沙量大，在取水工程中，安全厂用水和循环直流水系统从取水头部、输水管渠、取水泵房的拦污栅、滤网到提升水泵均布置了2套系统，保证了安全厂用水系统的供水安全。

秦山核电二期和二期扩建工程分别于2004年和2011年投入运行。实际运行情况表明:通过水工模型试验和优化设计选取的取、排水口布置合理、设计紧凑、施工简单且运行管理方便［2－4］。

2 直接空冷凝汽器系统设计优化

中煤陕西某煤化工综合利用项目，一期安装2台100 MW高温高压直接空冷抽汽式汽轮机和2台发电机，汽轮机排汽冷凝系统将采用直接空冷系统。

(1)工程主要气象参数(典型年气象数据):主厂房水平面0 m标高，1 131.5 m;年平均气温，9.13℃;设计气温，13.60 ℃;夏天满发气温，32.00 ℃;大气压力(平均值)，89.3 kPa。

(2)汽轮机发电机组额定工况下的主要参数:排汽压力，35.0 kPa;排汽流量，355.89 t/h;排汽比焓，2485 kJ/kg;功率，100 MW。

(3)技术要求。

1)满足空冷凝汽器散热面积要求。在大气温度为32℃，单台汽轮机排汽量为323.89t/h，排汽比焓为2 485 kJ/kg，外界自然风夏季平均风速为2.2 m/s(最大风速16.2 m/s)，大气压力为 89.3 kPa，相对湿度为57.1%的条件下，风机100%转速时要满足汽轮机发电机组额定工况的运行要求，即汽轮机排汽装置压力为35.0 kPa。

2)整体空气凝汽器系统(ACC)的噪声。当所有风机转速为100% 额定转速时，在水平距离ACC平台边缘200 m、地面上1.5 m处，噪音不大于55 dB(A)。

3)空冷凝汽器布置在汽轮机房A列前，空冷凝汽器平台高度按28.5 m考虑，空冷凝汽器平台的支撑为钢筋混凝土柱。整个ACC系统结构的风荷载按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》设计，平台活荷载按2.5 kN/m2考虑;地震荷载按中国相关标准执行。

(4)技术方案。

方案1:空冷凝汽器采用4×4的布置方案，共16个冷却单元，为4列4行，与主厂房平行，每台机组有128片换热管束，每单元将管束以接近60°角组成等腰三角“A”结构。每组有4个空冷凝汽器单元，其中3个为顺流，1个为逆流。空冷凝汽器的换热元件采用单排管，排气管道采用高位布置，空冷岛结构采用混凝土管柱的支撑方式，并采用两岛连建布置。

方案2:空冷凝汽器采用3×4的布置方案，共12个冷却单元，为4列3行，与主厂房平行，每台机组共96片换热管束，每台冷凝器有4个空冷凝汽器单元，其中3个为顺流，1个为逆流。空冷凝汽器的换热元件采用单排管，排汽管道采用高位布置，空冷岛结构采用混凝土管柱的支撑方式，并采用两岛连建布置。

方案3:空冷凝汽器采用4×3的布置方案，共12个冷却单元，为3列4行，与主厂房平行，每台机组共96片换热管束，每列设3个换热器单元，其中2个为顺流，1个为逆流，并采用两岛分开布置。其他条件同方案1。

上述3个空冷凝汽器布置方案，从技术方面考虑，均可满足工程要求;从基建投资角度进行比较，方案2比方案1节省投资约200万元，而且两岛空冷平台合并布置便于操作管理，但也存在两岛合并布置影响布气均匀性的问题。方案1安全裕度大，有一定的备用量，方案3布气相对比较均匀，投资与方案2相近。由于分开布置管理不便，综合以上意见，推荐采用方案2。

3 城市中水的回用

3.1 城市中水处理

当前，城市中水处理主要是利用城市污水二级生化处理的出水，投加石灰乳、聚合硫酸铁、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝剂和助凝剂进行混凝、澄清、过滤处理，可以降低水的硬度和碱度，同时和各种有机物在沉淀过程中大量吸附原水中的悬浮物和胶体等，使出水水质达到要求。

目前，混凝澄清技术有机械加速澄清池和高效澄清池2种。虽然2种池型都能达到出水要求，但机械澄清池占地面积大，第1反应室和第2反应室整体架桥安装复杂，污泥回流无法精确调节，特别是有些城市超过60%的工业废水水质、水量变化幅度大，而且成分复杂，严重影响城市污水处理厂和中水厂的稳定运行。

高效澄清池是一种新型泥渣回流型澄清池，节省了占地，采用活性污泥回流可以提高药剂的利用率，节省运行和药剂费用，对进水水质的适应性强，耐冲击负荷能力高，出水稳定。同时沉淀污泥的浓度高，减小了污泥处理系统的规模。

系统流程的说明:

(1)石灰投加系统。以高纯度消石灰粉为原料，加清水搅拌成石灰乳。

(2)前混合池。为使污水、石灰乳、混凝剂(液态聚合铁)充分混合，混合池内设快速搅拌器，以便污水凝聚。

(3)高效澄清池。该池分为机械絮凝区、推流絮凝区、沉淀浓缩区。机械絮凝区投加聚丙烯酰胺PAM(Polyacrylamide)与回流污泥混合、絮凝;机械搅拌系统采用变频控制的轴流式搅拌器，并设置导流筒，使水流在反应器内循环流动，保证矾花在循环过程中不会受到破坏。机械絮凝区产生的矾花在推流絮凝区内进一步增大和密实后进入沉淀浓缩区。剩余矾花则在斜管分离区去除。沉积的矾花在沉淀池下部浓缩，设置1台刮泥机，部分浓缩污泥通过污泥回流泵送回机械絮凝区，提高处理效果。

(4)后混凝池。后混凝池内投加混凝剂和各种酸液，设置1台快速搅拌器，用以增强后续滤池的处理效果和调整pH值(8～10)。出水自流进入变孔隙滤池。

3.2 工程实例和主要特点

国内火电厂以城市污水为水源且已投入运行的高效澄清池有2例:北京某热电循环水增容工程，设计出力为1 500 m3/h;辽宁灯塔市热电厂中水深度处理工程，设计出力为1500 m3/h。

与常规圆形机械加速澄清池相比，高效澄清池的上升流速提高了3～4倍，所需的占地面积减少50%;排放的污泥浓度提高了2～4倍，污泥体积减少45%，污泥脱水的设计规模减少45%;虽然设备投资略高，但低于节省的建设安装费用，因此总体投资低;滤池反冲洗周期延长2～3倍，可节省反冲洗水量［5－6］。

3.3 实施效果

北京某热电厂和辽宁灯塔市热电厂利用城市中水回用，采用高效澄清池处理，分别在2008年和2010年投产运行，处理水量和出水水质均可满足火电厂补水要求，符合当前国家节能减排的政策。

4 火电厂水处理岛设计和应用

火电厂水处理系统一般包括原水处理、除盐水处理、凝结水精处理、工业废水处理和生活污水处理等系统，原先各处理系统通常分散布置，设有各自独立的厂房、控制室和运行管理人员。火电厂水处理岛的概念就是将各个分散的处理系统进行优化组合，有机地布置到1个水处理“岛”中，组成一个涵盖整个火电厂的水处理区域，以便分级、分质供水，综合回收废水［7］。火电厂水处理岛的设计可使工艺流程更为合理，占地面积和建设成本减少，而且可集中控制。

我国西北地区某火电厂采用了水处理岛布置形式，应用结果表明，整个水处理系统布置简洁、合理，自动化水平明显提高，降低工程造价1000余万元。目前，该工程已投产运行，效果良好，也为电厂今后实施现代化运行管理创造了良好条件。