燃氣—蒸汽聯(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

(中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021)

0 引言

我國是能源消耗大國，傳統(tǒng)的燃煤電站每年要消耗大量的煤炭資源，并對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，可以滿足人類對能源較長時期的需求，同時其價格波動也比油價小。基于以上優(yōu)點，近年來采用天然氣作為燃料的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠(以下簡稱“聯(lián)合循環(huán)電廠”)在長三角、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)機組擴建工程水工專業(yè)設(shè)計工作，提出了幾種水工系統(tǒng)布置設(shè)計優(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 裝機容量

該電廠始建于1991年3月，是當(dāng)時為解決特區(qū)嚴重缺電局面而建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施項目，投入運行至今一直是深圳市的主力調(diào)峰電廠，也是我國最早引進大型燃氣輪機及燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的工程之一，二十年來為深圳市電網(wǎng)供電總計達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，目前該機組已停運；二期工程為1套GT13E2聯(lián)合循環(huán)機組，全套機組總?cè)萘繛?44 MW，于1995年5月并網(wǎng)發(fā)電；三期工程(燃油改燃氣工程)為2套E級聯(lián)合循環(huán)機組，總?cè)萘繛?00 MW級，2006年第一套9E機組已并網(wǎng)發(fā)電，總功率約為185 MW。第二套E級機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氣工程的續(xù)建項目(2號E級機組工程)。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燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)單元機組，即以1套GT13E2燃氣輪發(fā)電機組，1臺三壓余熱鍋爐與1套三壓、單缸、沖動凝汽式汽輪機組構(gòu)成的258 MW級“1+1+1”聯(lián)合循環(huán)單元機組。全廠裝機為“1×9E+2×GT13E2”構(gòu)成的3套一拖一的聯(lián)合循環(huán)單元機組，總?cè)萘繛?87 MW。燃料為進口液化天然氣。電氣出線電壓等級為220 kV。機組投產(chǎn)后，對于增強地方電網(wǎng)的調(diào)峰能力，提高一次能源的利用率，降低供電成本，逐步實現(xiàn)深圳中心區(qū)熱、電、冷聯(lián)供具有現(xiàn)實意義。

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，需考慮對各個系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，壓縮布置，從而減少占地。

電廠水工專業(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)等四個方面。

2.1 冷卻水系統(tǒng)

本期新建1臺13E2聯(lián)合循環(huán)燃氣機組，采用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，補給水源為城市自來水。該電廠原有2臺E級機組，拆除其中1臺9E機組的循環(huán)水泵、循環(huán)水管以及三段機械通風(fēng)冷卻塔。本期機組建成后與老廠另一臺9E機組共用冷卻設(shè)施，兩臺機組總循環(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)兩列共八格機械通風(fēng)冷卻塔，單格尺寸15 m×16.5 m，采用雙側(cè)進風(fēng)方式。在冷卻塔周圍建設(shè)一座循環(huán)水泵房，在泵房內(nèi)布置2臺循環(huán)水泵(1臺工頻，1臺變頻)，從吸水前池取水為兩臺機組的凝汽器及輔機提供冷卻水。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回水溝進行連接。供水及回水管道采用母管制。主管道管徑DN2 000 mm鋼管，13E2機組供水支管為DN1 600 mm鋼管，9E機組供水支管為DN1 400 mm鋼管，管道地下部分平行敷設(shè)，埋深考慮700 mm左右覆土保護厚度。

方案二：在拆除的冷卻塔位置新建一列六格機械通風(fēng)冷卻塔，單格尺寸19 m×17.2 m，采用雙側(cè)進風(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)兩臺循環(huán)水泵(1臺工頻，1臺變頻)，單泵流量為16 000 m3/h，為2臺機組的凝汽器及輔機提供冷卻水。水泵防護等級需提高至IP56級。循環(huán)水泵前后閥門緊湊布置，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機組供水支管為DN1 600 mm鋼管，9E機組供水支管為DN1 400 mm鋼管?；瘜W(xué)水車間南側(cè)為新建13E2機組循環(huán)水系統(tǒng)進回水管路通道，但現(xiàn)有寬度不夠兩根管道平行布置，繞行會大大增加管道長度及沿程阻力，影響機組運行效果。電廠內(nèi)地下3 m左右即為基巖層，無地下水存留。故采用上下疊層布置，提高管道布置標高。依據(jù)管道承重及穩(wěn)定計算結(jié)果要求，在循環(huán)水管道上方靠近地面位置配置加強鋼筋，混凝土保護面積為管道中心線兩側(cè)各2 m，保護厚度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；

2)選用少段數(shù)，大尺寸機械通風(fēng)冷卻塔。采取雙側(cè)進風(fēng)，背靠背方式布置在廠界附近。與常規(guī)雙側(cè)進風(fēng)雙排塔方案對比，壓縮了縱向占地長度，同時也節(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。提高管道標高，減小了基巖開挖及土方回填量。

具體對比指標如表1所示。

表1 冷卻水系統(tǒng)方案對比指標

2.2 工業(yè)水系統(tǒng)

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

表2 13E2機組純凝工況補給水量(冷卻倍率60)(m3/h)

表3 13E2機組抽氣工況補給水量(冷卻倍率76.3)(m3/h)

本期工程新增補給水最大量為356 m3/h。

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

方案一：獨立敷設(shè)一根DN300 mm補給水管道，由廠外市政管網(wǎng)引接，直埋敷設(shè)，至各用戶附近設(shè)置閥門井。

方案二：二期現(xiàn)有供水管道為DN500 mm，經(jīng)核算原補給水系統(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。深圳地處亞熱帶地區(qū)，不存在冰凍情況，故冷卻塔補水閥門取消閥門井，采用地上布置。由于深圳臨海，空氣鹽度大，腐蝕性強，地上閥門及管道采用加強級防腐措施。

兩方案對比，方案二具有如下優(yōu)點：

1)不再單獨敷設(shè)補給水管，節(jié)省占地及投資；

2)閥門地上布置，便于檢修維護。

具體對比指標如表4所示。

表4 工業(yè)水系統(tǒng)方案對比指標

2.3 消防系統(tǒng)

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

方案一：單獨設(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，泵房內(nèi)設(shè)置3臺消防水泵(2用1備)、2臺穩(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

兩方案對比，方案二具有如下優(yōu)點：

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，便于檢修和運行。

具體對比指標見表5。

表5 消防系統(tǒng)方案對比指標

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，易受到臺風(fēng)、強臺風(fēng)等熱帶氣旋影響，從而形成強降雨。根據(jù)深圳市氣候公報，造成風(fēng)雨影響的年均臺風(fēng)數(shù)量為3.5個，而近6年(2015～2020年)年均臺風(fēng)數(shù)量上升為4 個，呈增加趨勢。

在平均氣溫上升，城市“雨島效應(yīng)”和臺風(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)計年鑒2020》和《深圳市氣候公報(2020年)》，1990～2020年深圳市多年平均降水量達到了1 916.4 mm，年降水量較大。根據(jù)深圳市氣候公報，2010～2020年近10 年局地暴雨及以上天數(shù)在波動中增加，2019年局部暴雨及以上天數(shù)達到了58 d。2019年5月23日，深圳市過程最大1 h滑動雨量達到136.5 mm，最大2 h滑動雨量達到189.9 mm，均刷新深圳有區(qū)域自動氣象站以來最大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，深圳市也是國內(nèi)嚴重缺水城市之一，市政府近年來出臺多項節(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。回收利用雨水既能響應(yīng)政府號召，節(jié)約水資源，又可以節(jié)約大量運行成本，提高電廠效益。

廠房屋面雨水的污染相對較小，匯水面積較大且集中，通過管道收集到蓄水池后可進行回收利用。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)進行貯存、沉淀。水池上部的澄清水可作為電廠循環(huán)水補水及綠化用水。雨水回收池需定期進行排空和清掃。全廠可利用屋面匯水面積約為5 400 m2，經(jīng)近年實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，年可回用雨水約3 100 m3。

圖5 雨水回收池

3 結(jié)語

隨著我國城市化進程的加劇，電力需求量的增加，環(huán)境污染問題日益嚴重，聯(lián)合循環(huán)電廠與燃煤電站相比下的優(yōu)勢日益凸顯出來，必將在未來的電力能源領(lǐng)域得到越來越廣泛的建設(shè)。經(jīng)過多方努力，目前該電廠已經(jīng)建設(shè)完成，機組達到設(shè)計出力，各系統(tǒng)運行狀態(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)計提供借鑒和參考。