天津北疆電廠海水資源開發利用及取水工程關鍵技術

孫波 ， 孫林云 ， 于海淼 ， 韓信 ， 劉建軍

（1.水資源與水工程國家試驗室，江蘇 南京 210024；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；3.天津國投津能發電有限公司，天津 300480）

天津北疆電廠位于濱海新區東北部（原天津市漢沽區境內）的渤海灣西北灣頂（見圖1），是國家首批循環經濟試點項目。該項目首創了“發電—海水淡化—濃海水制鹽—土地節約整理—廢棄物資源化再利用”五位一體的循環經濟模式。作為我國嚴重缺水的城市之一，海水資源的有效利益是天津大型工業工程建設的優先考慮因素，北疆電廠不僅完全利用海水資源，而且能生產供市政管網的淡水。

北疆電廠規劃建設4×1 000 MW超超臨界燃煤發電機組和40萬t/d海水淡化工程，一期工程建設2×1 000 MW發電機組和20萬t/d海水淡化工程。電廠取水包括4×1 000 MW機組循環水系統補充冷卻水和40×104m3/d海水淡化用水，取水工程的海水補充水量約18 m3/s。

1 取水工程關鍵技術

北疆電廠取水工程附近海岸屬于典型的淤泥質海岸，波浪和潮流為主要的動力條件。近岸海域地勢低平，高潮時海水漫至堤岸，低潮時大片淤泥質海灘出露，形成寬3～6 km的潮間帶，潮間帶坡度平緩，一般在0.3‰～1.6‰之間。圖2為取水工程設計潮型，影響取水安全的主要因素是低潮位過程。為保持一定的水位差，進水口必須建在一定水深處，但冬季在離岸風作用下減水現象明顯，常可出現連續數日的超低潮位過程，且時有冰凌發生，重冰年浮冰會在涉水建筑物附近產生疊冰現象，繼而影響取水的安全。

工程區海域潮汐水流強度中等，波浪以小周期的風生浪為主。該海域岸灘宏觀上處在沖淤基本平衡狀態，但工程區附近存在水下拋泥區，水下淺灘分布著大面積新淤淤泥，見圖3。由于海岸坡緩水淺，泥沙極易被風浪掀起并在波流共同作用下發生輸移，水體含沙量較大，泥沙運動活躍，開挖溝槽泥沙回淤嚴重。這可能會引起取水工程淤塞，導致取水工程效率降低或達不到設計標準。

除此以外，該海區又是風暴潮易發區域，風暴潮期間大浪及增減水會對建筑物的安全和泥沙淤積產生嚴重的影響。

電廠附近海水的水質條件較差，主要表現為水體含沙量大。現場水文泥沙調查資料分析表明：風浪越大、潮流動力越強，含沙量越大；水深越淺含沙量越大，沿垂線含沙量一般則為底層大表層小；漲潮含沙量大于落潮含沙量。

鑒于工程區十分復雜的自然條件特點，能否滿足全天候大流量安全取水且水質符合設計要求是工程建設中的技術難題。電廠取水工程設計潮型、沉淀池沉淀效率、泥沙淤積、取水工程布置方案、取水調度工藝等是實現大流量安全取水的主要影響因素。確保電廠取水安全（包括保證流量和水質）、取水工程防淤減淤措施和實現上述目標的取水工程布置方案和取水調度工藝，是該項工程的難點和關鍵技術問題。

2 取水工程設計方案比選

為實現電廠大流量取水和水質要求，取水工程設計的基本思路是 “取水”與 “沉淀”。隨著研究的不斷深入，取水工程的設計歷經兩類方案，即引潮溝方案和沉淀池方案。經過多方案可行性技術經濟比較，并通過系統的數學模型計算和物理模型試驗分析論證，最終確定了沉淀池方案，采用兩級沉淀調節池高潮進水的運行模式。

3.1 引潮溝方案

該系列方案采用開挖引潮溝半潮取水的方式，引潮溝開挖底標高-2.0 m（新港理論基面，下同）、底寬50 m，兩側建擋沙堤，見圖1～3。其中方案1在陸上廠址邊建沉淀調節池，方案2則將沉淀池調節池移至海擋外；優化方案縮短引潮溝，擴大并局部挖深沉淀池。

通過自然條件分析、數模計算和物模試驗，對北疆電廠大流量取水工程引潮溝方案進行了比選和優化論證[1]，結果認為，通過引潮溝加海擋外沉淀池方式取水的優化方案可作為初步推薦方案。電廠供水系統基本能夠達到大流量取水和對水質的要求，但取水安全性還受到以下幾個方面的影響和制約。

（1）引潮溝內會發生累積性的泥沙淤積，斷面縮小、阻力增大，如果不及時清淤，會導致取水量達不到要求；

（2）由于海擋內沉淀池容積較小，在電廠大流量取水要求下，引潮溝必須滿足時時暢通，這對引潮溝的維護清淤不利；若定期維護清淤，除增加運營成本外，還會涉及長期拋泥地選址以及對生態環境的影響問題；

（3）海擋外沉淀池通過引潮溝與外海直通，使取水條件受潮汐漲落限制，取水調節能力相對較差，難以保證全天候大流量取水的要求；

（4）海擋外沉淀池中已經沉淀水體會部分隨退潮入海，未能充分發揮沉淀池效用；

（5）遇到惡劣天氣，水體含沙量較大、水質較差，海擋內沉淀池因受尺度限制其沉淀效率有限，會導致水質不能滿足電廠用水的要求；

（6）冬季引潮溝中海冰堆積或持續低潮位過程，會對大流量取水產生極端不利影響；

（7）由于引潮溝需延至較深水域，取水工程整體布局對周邊海岸環境的影響較大。

綜合上述，需要對引潮溝優化方案進一步優化，諸如海擋內沉淀池布置優化、在海擋外沉淀調節池進口處設置進水閘來調節沉淀池進水量和進水時機、提高沉淀池效用、減少取水工程淤積等。

3.2 沉淀池方案

沉淀池方案方案1是在引潮溝方案2的基礎上增加了二級沉淀池和瀝水池，用來存放在一、二級沉淀調節池施工期間產生的大量泥漿及運行期間的清淤，見圖7。該方案由于保留了引潮溝和直接連通外海的一級沉淀池，除二級沉淀池一定程度上提高了取水保證率和水質外，以上引潮溝方案的不足之處并未得以消除。

沉淀池方案2和3采用高潮進水、兩級沉淀的取水工藝，相當于在海擋外設置了海水庫，見圖8和圖9，兩方案不同之處在于平面布置和沉淀池的容積[2]。一級沉淀池由閘控進水，其優點體現在既能調節進水水質，如高潮含沙量小時多補水、或天氣條件好多補水，又能控制進水量，如在可預見的惡劣天氣前可充分利用庫容預先補水或間隔補水等。二級閘和二級沉淀池的設置則為進一步控制水質打下了基礎，在水量得到保障的前提下，經過一級池的沉淀后，含沙量已較外海大為降低，根據一二級池的含沙量水質條件，二級閘可靈活調度，保證進入電廠的水質符合設計要求。

這兩個方案的取水調度工藝使進入取水工程內部的泥沙主要落淤在一級池內，便于運營過程中的維護清淤，且清淤施工基本不會影響電廠取水過程。該兩方案整體布局在離岸方向的長度較之引潮溝方案大為縮短，減輕了對周邊海岸環境的影響。總體而言，兩級閘控的沉淀池布置克服了前期引潮溝方案的不利因素，充分保障了電廠大流量取水的安全性和可靠性。同時該兩方案還充分考慮了電廠后期擴建，并具有與周邊海岸開發的適應性。

3 取水工程運行狀況

沉淀池方案3正常運行工況：由一級沉淀調節池閘門漲潮自流進水（在連續低潮位時還可由泵提水），一級沉淀調節池有效容積約456×104m3，可連續供水約95 h（約4 d）；二級沉淀調節池有效容積337×104m3， 可連續供水約70 h（約3 d）。根據沉淀效率試驗分析，電廠進水口處離岸3.5 km，海水含沙量為500～1 000 mg/L，經兩級沉淀后電廠取水口懸移質含沙量小于100 mg/L，無需進一步處理即能進入水循環系統。

本方案成功解決了連續低潮時電廠取水水量嚴重不足的難題。兩級沉淀池的有效容積可實現給本期工程連續供水12～17 d，給規劃工程連續供水7～9 d。兩級沉淀池可根據泥沙和水位情況進行調節，運行靈活可靠。

本方案將風暴潮的影響降到最小。近年來，工程海域的風暴潮時有發生，沉淀池方案可根據天氣預報，在風暴潮來臨之前提前由一級進水閘蓄水至一級池，風暴潮期間則關閉一級閘，此時二級進水閘可照常運行，取水工程主體免受風暴潮的影響。

本方案極大降低運行維護費用。采用高潮取水，通過一級進水閘控制取水的時間和水位，當海水含沙量較小時，充分給沉淀池開閘補水；當遇到風暴潮或海水含沙量較大時，關閉閘門；補水過程中可根據沉淀池與外海的水位差，見機控制閘門啟閉，運行方式靈活可靠。由此大大減少進入取水工程內部的泥沙，電廠運行的清淤工程量和清淤難度都較小。

整個取水工程自2007年8月開工建設，于2009年9月份投入運行。在近兩年的運行過程中，取水工程既經過了春夏秋冬四個季節的考驗，又經過了風暴潮和寒冷天氣的考驗，取水水質和水量均達到了設計要求。2010年4月首期每日10萬t海水淡化裝置全部調試成功，并生產出高品質的淡化海水，標志著該項目的循環經濟建設目標已經全部實現。

在取水工程現場，無論是漲潮還是退潮，兩級沉淀池內海水清澈，與沉淀池外含沙量大的渾濁海水形成鮮明的對比，將成為天津市碧海藍天工程的示范。

由于工程區海域自然條件復雜，渤海灣內圍海造陸工程方興未艾，鄰近涉海工程的建設勢必對電廠取水工程海域產生一定的影響，建議加強現場觀測和分析研究工作，必要時可采取納潮沖淤等辦法來減少一級閘前的泥沙淤積，并做好一、二級進水閘聯合運行的優化調度管理。

4 結 論

針對北疆取水工程海水含沙量大、淺灘緩坡，結合電廠補充水水質要求高、水量大、保證率高的要求，通過多方案的技術經濟比較和模型試驗論證，最終采取了兩級沉淀調節池高潮進水方案可符合設計要求。

從取水工程近兩年的運行情況看，兩級沉淀調節池高潮進水方案具有取水保證率高、水質條件好、工程投資低、運行靈活、維護方便等優勢，是淤泥質淺灘上一種新型的取水方式，可供其他類似工程參考。

[1] 孫林云，韓信，劉建軍等.天津北疆電廠取水工程數學和物理模型試驗研究總報告[R].南京水利科學研究院報告，2007年5月.

[2] 孫林云，韓信，劉建軍等.天津北疆發電廠供水系統補充方案研究總報告[R].南京水利科學研究院報告，2007年5月.