火力發電廠水島設計技術經濟分析

趙麗蕊

(西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

1 概述

通常火力發電廠的水處理系統是按照設計院的專業劃分，由化學專業、水工專業分別完成預處理、化水、工業廢水、生活污水、循環冷卻水、煤水、灰渣水、脫硫廢水、凝結水精處理的設計工作，因專業劃分問題，系統相對獨立，布置分散，缺乏全廠統籌，各水系統的調配和廢水重復利用不易實現，造成水資源浪費。水島是以設計技術作支撐，以EPC建設為手段，進行統一設計、統一建設、統一調試管理。其主導思想是節水、經濟、環保、便于運行。水島模式可結合火電廠水系統水質水量特點，統籌全廠用水、排水、廢水再生利用，對全廠水平衡體系優化和整合，選擇合理的水處理工藝路線，在確保電廠生產用水要求的同時，穩定可靠地實現綜合循環處理，節約水資源并減少廢水排放污染。水島模式在構建完整的水系統體系基礎上，統一規劃電廠的各個水處理單元，集中布置，合并部分相同功能的構筑物，使整體工藝設計更加合理。

2 火力發電廠水島方案原則及優勢

2.1 水島方案原則及優勢

水島設計原則是：節水優先、空間均衡、系統整合、經濟適用。

水島設計優勢：

(1)節省投資

水處理系統集中布置，可實現藥劑貯存設備、變壓器、供配電設備、控制系統、儀用、工藝用壓縮空氣系統等公用設備的統一規劃，避免重復建設，節省設備投資。

節省各處理單元間連接管道、支吊架等安裝材料成本。

電廠水處理系統及構筑物集中布置，可合并部分相同功能的廠房、水池、泵房，節省土建結構成本。

(2)降低能耗

有利于將主要的動力消耗設備(水泵、風機、電加熱器等)集中布置，形成動力中心，大量節省成本較高的電纜、橋架等安裝材料成本。

(3)節省占地

水島集中布置使得整體布局更為緊湊，處理構筑物之間的連接管道和廠區管道、以及供電電纜、控制電纜等都可以大大減少。這些，都將有效降低工程投資。

(4)節水減排

水島模式使各水處理系統相互銜接完善，運行穩定，能最大限度的提高全廠水資源的重復利用率，減少新鮮用水的取用量，減少廢水排放甚至實現“零排放”。

根據水質優先采取梯級利用措施，避免高品質水用于低水質要求的生產環節，造成不必要的浪費，減少新鮮用水的取用量，減少廢水排污費，從而降低水處理系統處理運行費用。

(5)減少運行人員

建立全廠水網的集中控制系統，對全廠的各個水系統進行統一的運行和管理，既可減少各分系統和專業間的接口，提高工作效率，又可實時監控，全面調配，并回收廢水重復利用，把全廠用水指標控制在較先進的水平上，同時，還可減少運行維護人員，降低運行管理成本。

(6)縮短施工工期

水島工程各環節溝通、銜接更順暢，通過加強專業化管理，可以有效提高施工效率，縮短施工工期。

2.2 優化設計與系統選擇

以下分析是根據現已完成的一個2×300 MW空冷機組項目水島為例，包含了水質凈化系統、鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統(工業廢水處理子系統、含油廢水處理子系統、脫硫廢水處理子系統、生活污水處理子系統等)、加藥系統、污泥系統、凝結水精處理系統、汽水取樣及化學加藥系統。

(1)總平面設計

合理調整總平面圖，有機整合相關單元，節省項目占地面積，設備管道高度集中。常規分散布置占地為三塊區域，見表1，包括中水處理區域、鍋爐補給水區域和工業廢水區域，原設計總平面面積約為22767.5 m2，采用水島集中布置后占地面積為12420 m2，為常規處理總占地面積的55%。

表1 水島與常規設計占地對比

(2)廠房與建構筑物優化布置

采用分別合并相同或相近建筑物、構筑物、設備的方式，節省建(構)筑物和設備，見表2，把常規分散布置都需要的加藥間、控制室、配電間等分別合并。水島總建筑物面積節省了3164 m2，為原來面積的65%。

表2 水島與常規設計方案建筑物面積對比

(3)工藝優化與設備選型

原設計采用生物濾池進行生化處理，因為來水水質較差，無法滿足除鹽設備，尤其是反滲透系統的穩定運行。基于我國城市污水處理廠的設備及管理現狀，其出水水質不穩定，今后在電廠得到應用的主流中水深度處理工藝將是膜生物反應器工藝和曝氣生物濾池+石灰澄清處理工藝的組合選型，見表3～表6。

表3 水島優化工藝與原設計工藝技術方案對比

表4 電氣部分方案對比

表5 控制部分方案對比

表6 中水處理工藝對比

(4)現場總線技術的研究及應用

采用數字化水島控制技術，可充分利用集中控制投資低、安全性高、可靠性強的優勢，充分體現水島集中布置的優勢，更好地為水島服務，最終大大提高水島的運行管理水平。

(5)主要系統控制指標

鍋爐補給水水質標準：

二氧化硅：≤10 μg/L

TOC ：≤ 200 μg/L

除鹽水箱進水電導率(25℃)：≤0.15μS/cm

工業廢水指標：

工業廢水出水水質：SS≤10ppm，含油≤5ppm，pH 為6～9

主要系統及設備運行控制指標：

石灰澄清預處理：懸浮物≤20mg/L，控制出水碳酸鹽硬度1～2 mmol/L

超濾設備產水濁度：≤0.1NTU

反滲透設備脫鹽率：一年內 ≥98% ，三年內 ≥97% ，五年內≥96%

3 水島技術經濟分析

3.1 投資費用比較

綜合以上比較，主要經濟指標和效益如下：

(1)水處理島布置節省2480萬元，約占總投資的30%，采用MBR工藝增加投資1370萬元，最終節省基建投資約1110萬元。

(2)設備材料節省2480萬元，約占總投資的30%。

(3)年節省運行費用約100萬元。

(4)年節省水資源費用約400萬元。

(5)年節省維護費用約40萬元。

(6)社會效益：投運后每年利用城市中水266萬t左右，COD減排80 t以上。

本項目經過前期調研分析和施工圖的全面優化設計，建成了高度集成、工藝合理、投資節省的水處理島，使水處理島成為全廠用水、排水及廢水回用的樞紐，運行后正常發電水耗為0.08 m3/(s·GW)，遠低于達標機組的要求0.15 m3/(s·GW)。

3.2 水島技術主要經濟指標

綜上所述，通過個案分析及現已完成的水島工程統計，水島模式較常規建設模式可達到的主要指標見表7。

表7 水島優勢與經濟指標

4 電廠耗水率設計與智能水處理平臺

4.1 全廠耗水率先進控制指標

通過對各類供水、用水、排水進行全面規劃、綜合平衡和優化比較，達到一水多用、綜合利用，提高重復用水率，降低全廠耗水指標。

表8 水島設計耗水率先進控制指標

4.2 電廠智能水務管理與自動水平衡

隨著環保標準越來越高，環保監管越來越嚴，電廠水環境的形勢日趨嚴峻。電廠自動水平衡通過全廠實時在線的水平衡分析及根據工況、季節進行智能化的調節管控，為電廠節水減排和智能水務管理提供了可行的解決方案。通過合理調配水資源，增加水的梯級利用級數，減少廢水零排放處理水量，提高全廠水務管理和自動化水平。自動水平衡設計是今后智能電廠的重要組成部分。

5 結語

2015年4月16日，國務院發布《水污染防治行動計劃》(又稱“水十條”)，國家提出源頭保護和生態修復制度，全面控制污染物排放，把水環境保護上升到國家戰略層面。火電廠加快落實深度梯級節水和廢水零排放的進度，廢水減排和零排放已成為火電廠水處理的新型重點業務。今后在創立電廠水處理及環保治理一體化設計建設模式基礎上，應進一步開發工業廢水的高效處理工藝，研究高級氧化核心技術，中水深度處理核心技術，結合現有科技成果和經驗，推廣電膜耦合水處理技術、高效低能耗反滲透膜脫鹽技術、綠色環保藥劑、智能水務等，逐步實現綠色清潔的火力發電目標。

水處理設計要從全廠水平衡的各個環節開發，采用先進的降低水耗措施，全面的解決火電零排放問題。對于電廠常規的鍋爐補給水處理、廢水處理、中水處理等設施建議推廣“水島”設計建設模式，通過優化設計使得整體工藝流程更加合理，布置更加緊湊，減少占地面積，便于運行管理。火電廠水系統是一個龐大而復雜的系統，水系統的構成隨電廠地理位置、氣候特征、水源特征、機組規模、機組運行方式等具體情況的不同而變化，并沒有一個所謂標準化的水系統模型可以適用于大多數電廠。因此，為實現全廠水資源的真正意義的綜合利用，需要針對每一個電廠的具體情況，在深入研究電廠各用水設備的詳細運行方式及運行參數的基礎上，完成水系統的整體設計。

[1]韓買良.火力發電廠水資源分析及節水減排技術[M].北京：化學工業出版社，2011.