惠南莊泵站 水管 保護加氯方案優化

蔣 瑞 戚蘭英 王明光

（北京市水利規劃設計研究院 北京 100048）

1 概

惠南莊泵站是南水北調中線干線工程唯一的一座加壓泵站，擔負著向北京城市供水的重要任務。泵站位于北京市房山區大石窩鎮惠南莊村東，與河北省涿州市相鄰，距北京市區約 60km。惠南莊泵站屬大（I）型泵站，為一等工程，主要建筑物為1級，次要建筑物為3級，設計地震烈度7度。泵站規模按流量60m3/s設計，安裝有8臺臥式單級雙吸離心泵機組，6用2備，單機流量10m3/s，設計揚程58.2m，單機功率7300kW，總裝機容量58.4MW。

惠南莊泵站前為長距離明渠輸水，易產生水藻、釘螺等微生物，泵站后為兩條直徑為 4m的 PCCP管輸水，每條PCCP管道長約56km，為抑制輸水管道內藻類等微生物滋生，確保供水水質符合要求及輸水管道安全、正常工作，在泵站前池設置一套加氯系統，對進入前池的水進行加氯處理。氯的投加量隨PCCP管道輸水流量及季節而變化，即在高藻期及微生物繁生季節（主要為 6~9月）投加量為144~432kg/h，在冬季和低藻期，可減少投加量或不投加。加氯系統設備布置在泵站的全封閉式的加氯間內。加氯間設置有防盜安全門窗、報警系統、通信系統及視頻監控系統等安全防范系統設施。

2 原設計的加氯方案

在泵站廠區設置一座全封閉式的加氯間，建筑面積約666.40m2，包括氯庫、漏氯吸收間、蒸發器室、加壓水泵間及配電控制室、值班室等。

氯投加量按2mg/L設計，惠南莊泵站設計最大輸水流量為 60m3/s，因此，泵站最大氯投加量為432kg/h。液氯儲存量按照最大輸水流量時滿足一個星期的氯投加量設計，即泵站最大液氯儲存量為72t。12液氯采用72個容積為800L、充填液氯為1000kg的氯瓶儲存，氯瓶存放于加氯間的兩個氯庫內，每個氯庫存放 36瓶，均分兩組供氯，即每組氯源為18瓶液氯，并可根據電子稱計量實現空瓶組和滿瓶組之間自動切換。17

氯的投加點設在泵站前池。氯瓶中液氯通過管道輸送至蒸發器，通過蒸發器加熱后將液氯轉變成氯氣，然后通過加氯機控制加氯量后經水射器及管道向前池水中投加。氯投加量根據泵站輸水流量確定，可由加氯機自動控制。為防止漏氯事故，在兩個氯庫及蒸發器室內各設一套漏氯報警儀，在漏氯吸收間設置一套漏氯吸收裝置，并備有防護用具。

加氯間設置有防盜安全門窗、報警系統、通信系統及視頻監控系統等安全防范系統設施，其中入侵報警信號上傳至泵站消防安防監控室安防報警主機；視頻信號上傳至泵站中控室、管理控制樓，并可實現通過網絡上傳至上級監管部門。

工藝流程如圖1所示。

圖1 加氧 原設計工藝流程圖

3 原加氯方案優化的必要性

3.1 安全形勢發展 要

惠南莊泵站最大儲氯量為 72噸，日最高使用量10噸，屬于嚴格控制危險源。2008年奧運會以來，生產安全問題已經成為北京市重點關注問題，管理日益嚴格，2010年北京市安全監督局頒發了《北京市危險化學品重大危險源安全管理辦法（試行》，北京市質量技術監督局也發布了“危險化學品倉庫建設及儲存安全規范”對氯氣的生產、管理及運輸等都做出了更加嚴格的規定，且北京市內已無液氯生產廠家，液氯使用需要外省市采購，運輸過程有較高的危險性，一旦在運輸或使用過程中發生交通事故，造成氯氣外泄，事故的影響力很大，特別是在北京，任何大事故都會造成重大的國際影響。

3.2 泵站周 情況復雜

受泵站地理條件限制，加氯間位于泵站廠區東側中部位置，周邊居民較多，如發生漏氯事故，居民疏散困難，容易給周邊居民生命及財產安全造成損失。

3.3 外 因素影響大

近年來，北京市已經嚴格控制劇毒化學品的使用，陸續取消了液氯的使用，目前除水源九廠還在繼續使用液氯對水進行消毒處理外，其余水廠、醫院等原用氯單位已采取替代工藝進行消毒處理，新的用氯項目審批難度較大。

4 加氯方案優化的目的和意義

惠南莊泵站作為南水北調中線干線工程唯一的一座加壓泵站，是整個南水北調中線工程的樞紐，具有流量大、重要程度高等特點，一旦發生事故，對整個工程及社會的影響不可估量。本次優化方案的主要目的就是降低工程運行管理難度和風險，盡快通過項目審批，確保工程安全運行，使工程及早發揮效益。

5 優化方案研究

本次加氯方案優化，以原設計工程加氯方案為基礎，提出優化設計。

5.1 方案比

目前，從水體除藻的方式來說，主要有氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯等幾種。

5.1.1 氯氣

氯氣除藻是利用氯氣溶解于水生成次氯酸和次氯酸根：

氯除藻主要是通過中性分子次氯酸HOCL擴散到帶負電藻類表面，并通過藻類的細胞穿透到細胞內部。當HOCL分子到達藻類細胞內部時，能起氧化作用破壞藻類內部系統而使藻類死亡。

氯氣投加作為傳統水體消毒除藻方式是最為經濟的，但目前北京市內已經沒有液氯生產廠家，氯氣使用單位需要到外地購買氯氣，這就存在氯氣運輸、管儲方面的不安全性，如果一旦出現交通事故，造成氯氣外泄，事故的影響力將比淮安液氯泄漏事故還要大，而這種安全風險是政府、社會各界都難以接受的，特別是在北京，任何大事故都會造成重大的國際影響；氯氣等氣體的極強擴散性對環境存在毒害作用，日益受到人們的關注，管理也日趨嚴格，被其余消毒劑所取代已經成為必然趨勢。

5.1.2 二氧化氯

二氧化氯（ClO2）在常溫常壓下是黃綠色氣體，沸點 11℃，凝固點-59℃，極不穩定，在空氣中濃度超過 10%或在水中濃度超過 30%時具有爆炸性。因此使用時必須以水溶液的形式現場制取，立即使用。同時二氧化氯也是一種對人體有害的氣體，其毒性與氯氣相似。

二氧化氯的制備是把氯酸鹽水溶液和鹽酸經供料系統定量輸送至反應系統吸收后，形成一定濃度的二氧化氯復合溶液，然后投入待處理水中：

由于制取二氧化氯需要使用氯酸鈉，所以運行成本很高。此外國內生產二氧化氯發生器的廠家很少有掌握生產二氧化氯水溶液這種較高安全性技術，多數都是采用氯酸鈉同鹽酸定量滴定，控制反應生成量的辦法來實現，這樣的設備成本很低，但安全性較差，稍不謹慎就會釀成事故，管理上需要特別細心。國家正在通過技術部門對于此類設備的安全性提出質詢和鑒定，有關方面的專家要求對其進行技術規范或者取締和淘汰。

根據本工程投加量較大的特點，需要現場儲存大量的鹽酸溶液，其運輸及儲存也存在危險性。

5.1.3 次氯酸鈉

次氯酸鈉的分子式是NaOCl，屬于強堿弱酸鹽，是一種能完全溶于水的液體。次氯酸鈉的除藻原理主要是通過它的水解形成次氯酸，通過次氯酸的強氧化性進行除藻。

次氯酸鈉液是一種非天然存在的強氧化劑，它清澈透明，互溶于水，能夠解決象氯氣、二氧化氯、臭氧等氣體消毒劑所存在的難溶于水而不易做到準確投加的技術困難，消除了液氯、二氧化氯等藥劑時常具有的跑、泄、漏、毒等安全隱患，消毒中不產生有害健康和損害環境的副反應物，能夠有效地消除水中藻類。但是，由于次氯酸鈉液不易久存（有效時間大約為一年），溶液濃度高也更容易揮發，本工程供水流量較大，現場制備難度較高，需要大量外購低濃度次氯酸鈉成品溶液，運行成本較高。

根據以上分析，考慮運行安全，管理方便等因素，并結合本工程供水流量大，流量變化范圍大，投加分季節不均勻的情況，本次改造擬采用投加次氯酸鈉的方式進行除藻處理，采用外購濃度約10%的成品次氯酸鈉，現場投加。

5.2 優化方案工藝流程

結合工程實際情況和以往除藻劑使用情況，本次改造最大有效氯投加量仍按2.0mg/L設計，根據水質情況，投加量可在0.5~2.0mg/L范圍內調整，10%濃度次氯酸鈉溶液投加量約為 1080~4320L/h。次氯酸鈉投加工藝流程如圖2所示。

圖2 次氯 投加系統流程圖

外購次氯酸鈉溶液通過罐車運輸至惠南莊泵站廠區，通過加料泵打入次氯酸鈉儲存罐儲存。PCCP管道需要除藻處理時，打開次氯酸鈉儲存罐出口閥門，根據來水流量及投加濃度，通過計量泵，將溶液投加入惠南莊泵站前池。計量泵后設置背壓閥、安全閥、緩沖器、止回閥等，保證次氯酸鈉溶液安全準確投加。

5.3 優化方案設計

次氯酸鈉選用外購成品溶液，有效氯含量不小于10%。投加系統包含儲存和投加兩部分，由于次氯酸鈉溶液所含的有效氯易受陽光、溫度的影響而分解，不宜久存，因此現場設 30m3儲罐 8個，儲罐總容積為240m3，可滿足最小投加量0.5mg/L時9.2天、最大投加量2mg/L時2.3天的投加需求。儲罐采用滿足飲用水衛生要求的材質，要求使用壽命不低于15年。投加系統設4臺投加計量泵，2用2備，單泵投加能力為2500L/h，分2路投加管道投加，投加管道與原系統水射器出口管路相連，分兩路投加至惠南莊泵站前池。

投加系統配置相應的安全閥、逆止閥、背壓閥等相關設備。系統可按流量實現自動投加，并可根據需要調整投加量。

根據現有加氯間布置，本次優化方案新增加儲存及投加設備可全部放置于原氯庫內，同時拆除原氯庫內原有加氯設備，每個氯庫內新安裝 30m3儲罐4個，投加泵2臺，對現氯庫地面基礎做相應處理。每個氯庫內設置集水坑一處，內設耐酸排污泵，如發生次氯酸鈉溶液泄露，可將廢液排至原增壓泵吸水池臨時儲存，待專業廠家回收或處理。工程配置控制系統一套對次氯酸鈉投加系統進行自動控制，工作方式采用現場集中控制、中控監視現場工作狀態的方式。

氯酸鈉投加系統現場集中控制分為投加泵現場手動控制以及自動控制兩種方式，互為備用。PLC與站控級通訊口為 RS485，通訊規約為PROFIBUS-DP。控制柜PLC具有足夠的模擬輸入口，用于接受由中控室或泵站總管流量計發出的4~20mA信號，以根據進水水流量控制投加計量泵的投加量，并同時將實際投加量反饋至中控室。

6 結語

（1）通過對惠南莊泵站加氯系統設計優化，在滿足原設計目的的前提下，降低了原設計方案使用中的風險性，有利于原工程的日常運行及維護。

（2）消除了原設計中劇毒化學品的危險源，能夠加快工程審批進度，保證工程提早投入使用，發揮其工程效益。

（3）降低了可能引發的工程事故給周邊居民帶來的危險性。

（4）實際使用過程中應加強對輸水管道內水藻和貝類等水生物的生長情況調查，以便優化次氯酸鈉投加量。