火電廠水處理島優化設計研究

韓買良,馬學武,吳志勇

(1.中國華電工程(集團)有限公司,北京 100035;2.華電新疆發電有限公司昌吉熱電廠,新疆昌吉 831100)

0 引言

電力是中國經濟發展的命脈,已和煤炭、石油等基礎能源并列,且為最不可缺少的能源。火力發電廠水處理島的設計理念符合建設節約型企業的要求。近年來,全國在燃煤電站的設計中,正在進行以經濟效益為中心的設計革命。中國華電集團公司設計了幾個示范電廠,在系統優化基礎上,重點進行了布置方案論證,對主廠房外的水處理系統,首次推出了與傳統分散布置模式不同的新模式——以島的形式集中布置。火力發電廠水處理通常由原水預處理、除鹽水處理、凝結水精處理、工業廢水處理、含煤廢水處理、生活污水處理幾部分組成,各處理構筑物通常按照處理單元分開獨立布置,設有各自獨立的廠房、控制室和運行維護人員。本文以某2×330 MW直接空冷供熱機組為例,分析了將水處理系統各個單元有機地整合到一個水處理島的優化設計方案。

1 基本概況

1.1 電廠用水及水源情況

該期工程2×330MW機組夏季純凝工況中水補充水量為377m3/h(具體參數見表1),冬季供熱工況中水補充水量為456.6m3/h。電廠工業用水(包括循環水系統補充水,化學補水等)均采用中水,中水處理量按照600m3/h設計。根據該項目水質監測承擔單位提供的水質檢驗報告,所監測的項目中NH3-N,SS含量均超過GB8978—1996《污水綜合排放標準》的二級標準,NH3-N最高超標20.4倍,平均值超標7.3倍,SS最高超標9.0倍,平均值超標4.4倍。由于污水處理廠出水水質嚴重超標,尤其氨氮指標較高,出水水質指標波動較大,不能滿足電廠工業水系統直接回用的要求,必須進行深度處理才能使用。城市污水處理廠出水回用作為電廠用水,已成為缺水地區新建電廠項目的必然選擇。同時,電廠必須建設中水深度處理設施對其進行深度處理后才能使用。目前,國內應用成熟的中水深度處理工藝主要有2種。

表1 2×330MW機組夏季補充水量m3/h

(1)曝氣生物濾池+石灰澄清處理,主要適用于城市污水處理廠出水達到國家二級排放標準的情況,這種處理方式對城市污水處理廠出水有較嚴格要求,如出水水質波動大,深度處理后水質可能達不到回用標準,影響后續工業用水水質和化學水處理設備的運行。

(2)另一種中水深度處理方式是膜生物反應器工藝,該工藝采用生化處理和膜過濾結合的手段,出水水質好,可直接用作反滲透進水,省去了普通過濾、超濾等工序,且膜生物反應器對進水水質波動適應范圍大,耐沖擊負荷。

1.2 水量平衡及節水措施

在采用中水的基礎上,盡量選用節水型設備及節水工藝,該工程水平衡設計做到一水多用、分級供水、重復利用,在各系統用水點上設置必要的計量裝置,控制用水。電廠公用水系統用水包括化學水處理系統、輔機循環水系統、生活、消防、灰場、脫硫和干灰加濕、煤場噴灑和廠區綠化、輸煤系統沖洗及除塵等。各系統用水在水質、水溫上有不同的要求,在滿足其用水水質、水溫的前提下,做到循環使用、循序使用以使節水落到實處。生活用水采用市政生活用水,灰場用水、脫硫和干灰加濕、煤場噴灑和廠區綠化、輸煤系統沖洗及除塵用水采用經過處理的電廠廢(污)水。該工程廢水采取如下措施回收利用:

(1)輔機循環水系統排污水及RO濃水用于脫硫系統,化學水處理系統過濾器反沖洗排水、主廠房及輔助車間地面沖洗排水等均回收至工業廢水處理站,經處理后回用;

(2)輸煤系統除塵和沖洗用水排水回收至含煤廢水處理車間,處理后重復使用;

(3)經脫硫島配置的脫硫廢水處理裝置排水回收用于電廠干灰加濕系統;

(4)廠區生活污水經化糞池初步處理后,直接接入中水處理系統進一步處理回用;

(5)化學水處理系統酸堿中和排水回收至清水池回用于灰場噴灑。

2 中水深度處理系統

2.1 MBR工藝方案

膜-生物反應器MBR(Membrane-BioreactorReactor)是一種將膜分離技術與傳統污水生物處理工藝有機結合的新型高效污水處理與回用工藝,近年來,在國際水處理技術領域日益得到廣泛關注,在國內的中水處理工程中得到了推廣和應用。膜-生物反應器運行能耗低、占地面積小。MBR系統包含調節(事故)水池、提升泵、曝氣生化池、膜池及附屬清洗加藥裝置等。MBR采用高結晶度的PVDF中空纖維膜,膜孔徑為0.1μm,膜通量為20L/(cm2·h),總膜面積約為31200m2。膜支架采用全不銹鋼結構,內置ABS集水及曝氣系統,中水處理系統流程如圖1所示。

圖1 中水處理系統流程圖

2.2 石灰處理加曝氣生物濾池方案

2.2.1 石灰處理系統工藝流程

二級處理后的城市污水→調節水池→原水提升泵→曝氣生物濾池→中間水池→中間提升水泵→石灰處理澄清池→澄清和過濾水溝→變孔隙濾池→濾池出水溝→清水池→循環水補水泵→循環冷卻水系統。

2.2.2 污水石灰處理的石灰計量系統

高純度消石灰粉→密封式散裝罐車→石灰筒倉→振動料斗→旋轉給料機→螺旋輸送機→石灰乳攪拌箱→石灰乳泵→石灰處理澄清池。

2.2.3 石灰處理系統主要設備

石灰處理系統主要設備參數見表2。

表2 石灰處理系統主要設備參數

續表

2.3 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝的對比

該工程的中水處理主要是解決COD及氨氮問題,石灰處理主要是去除水中的堿度,在中水應用于開式循環冷水系統中使用較多,但對于該工程而言進水水質及出水標準基本無法達到。另外,對于處理量小于2萬t/d的中水系統,采用石灰法不但要考慮石灰來源并且石灰貯存計量系統復雜,自動化程度低,MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝對比見表3,MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝出水水質對比表見表4。

表3 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝對比

表4 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝出水水質對比

3 鍋爐及熱網補給水處理系統

經過預處理后的清水一部分直接用于閉式冷卻水補水,一部分經過反滲透及離子交換除鹽后供鍋爐補充水。根據水質情況和所裝機組對水、汽質量的要求,該工程鍋爐及熱網補給水處理系統流程為:中水處理→RO裝置→淡水箱→淡水泵→陽床→除碳器→中間水箱→中間水泵→陰床→混床→除鹽水箱→除鹽水泵→主廠房。

反滲透裝置分4組,每組出力50m3/h,回收率為70%,選用抗污染膜元件對超濾出水進行預除鹽處理。系統主要包括反滲透供水泵、管道混合器、保安過濾器、高壓泵、反滲透裝置、沖洗系統、反滲透清洗系統和加藥系統。

反滲透系統設計參數如下:反滲透裝置的進水量,4×72m3/h;反滲透裝置的運行壓力(設計水溫為13℃,3年時),1.3MPa;反滲透裝置的產水量,4×50m3/h;反滲透裝置的除鹽率,＞97%;反滲透系統回收率,70%;反滲透裝置的濃水流量,4×22 m3/h。

4 工業廢水集中處理系統

工業廢水采用集中處理(灰水、脫硫、煤水廢水處理分散在其各自的系統區域內),工業廢水主要包括經常性廢水和非經常性廢水。根據所收集廢水水質和水量的特點,工業廢水處理系統如下:工業廢水來水→廢水貯存池(經常性廢水池和非經常性廢水池)→pH值調整、反應絮凝槽→斜板澄清器→最終中和池→清凈水池→至水工回用系統。

廢水處理系統優化設計考慮和中水及鍋爐補給水處理設施聯合布置。其中,經常性廢水貯存池(兼補給水中和水池)、非經常性廢水貯存池、最終中和池,清凈水池連續布置在一起,為地下建筑。卸酸堿、凝聚劑、助凝劑及其儲存等和補給水系統盡量共用及合并布置,pH值調整絮凝槽、斜板澄清器及各種加藥裝置、廢水輸送泵、羅茨風機等設備布置采用地上建筑集中布置。

5 生活污水處理系統

電廠生活污水包括廠區各建筑的廁所污水、洗滌污水等。常規生活污水處理通常采用接觸氧化處理工藝,選用地埋式一體化處理設施。但由于埋地式檢修,維護不便,一般1～2年后出水水質惡劣,不能滿足出水水質要求。該工程生活污水處理采用簡單的化糞池初步處理后,直接排入MBR生化池中,通過MBR處理后直接供電廠回用。

6 水處理島系統優化設計

6.1 工藝系統優化設計

作者對方案進行了比較及綜合分析,由于原水水質較差,中水系統制水用于全廠工業水系統,直接影響電廠的安全運行,優化設計推薦采用MBR工藝。考慮到中水處理系統、鍋爐補給水處理系統及廢水處理系統在工藝流程、公用系統、控制方面緊密相關,管理同屬于化學水處理范圍,在該工程中提出了“水處理島”的概念,實際上也是2000年示范電廠推薦采用的模式。采用水處理島不但便于今后的運行管理,節約占地面積,通過合并布置有效地節省了很多公用設施,大大降低了總體工程造價。通過優化系統及聯合4個分系統,省去了很多重復設置的中間設備。由于布置緊湊,系統間聯絡管道縮短,尤其對于寒冷地區還要考慮管道保溫,這些問題都得到了較好的解決。工藝優化結果主要包括以下7個方面:

(1)水處理島的集中布置,使水處理系統連續。所以,在常規設計中,保證運行安全的反滲透處理用的生水箱(1臺鋼制設備,500m3)可以節省,預處理用的清水池可以承擔反滲透生水箱的任務,配套的生水泵可以節省,這樣,在運行中節省了一級提升,減少了配電負荷。

(2)MBR出水水質已經可以直接供給反滲透進水,超濾部分可以不用設置,所以,系統可以節省自清洗過濾器、超濾裝置、超濾水箱、超濾水泵、超濾反洗過濾器及輔助系統。

(3)分系統合并,酸堿貯存、加藥計量設施及設備可充分公用。水處理島方案有機地整合了多個分系統的設備,把設備集中布置,使加藥設備的公用變成了現實,既減少了設備,又為電廠的安全運行提供了有力的保證。減少了藥劑的汽車運輸距離,減少了藥劑轉輸的環節,減少了運行維護的設備,減少了藥劑泄漏的威脅。

(4)RO濃水池、鍋爐補給水系統再生廢水池、經常性廢水池合并公用。水處理島合并了多個分系統,原分系統必須設置的廢水池也可以采用一個統一的綜合廢水池,RO濃水池、鍋爐補給水系統再生廢水池、經常性廢水池合并為濃水池(經常性廢水池),減少了占地面積和投資費用。

(5)工業廢水的水泵型式由自吸泵改為離心泵。由于處理系統的合并,所有的水池統一布置,工業廢水用的經常性廢水池和非經常性廢水池均布置在水泵間的一側,給設置離心水泵帶來了可能,常規工業廢水處理均設置自吸泵,以便于節省水泵間的土建費用和占地面積。采用可靠性能高的離心泵能有效地保證水泵的隨時運轉,提高系統運行安全性。

(6)取消了地埋式生活污水裝置,生活污水經簡單處理后進入中水深度處理系統。水處理島的預處理采用MBR處理。由于來水的生化需氧量BOD(BiochemicalQxygenDemand)比較低,氨氮比較高,硝化反應的碳源不足,生活污水直接補充到MBR的生化池中,可以提高原水來水的碳氮比,對于硝化和反硝化反應有一定的益處。

(7)工業水池、消防水池與清水池合并。水處理島的綜合布置可以使設計采用統一布置的水池,這樣,預處理的清水池可作為工業水池和消防水池合用,可在池中采取消防水不被挪用的措施。預除鹽水池也可以作為消防水池備用。消防水泵、穩壓泵等都可以設置在水泵房內,節省了綜合水泵房和工業、消防水池。

6.2 布置優化設計

水處理島鍋爐補給水處理、廢水處理、污水處理、中水處理等設施作為水區集中布置在一起,使得整體工藝流程更加合理,廠區管道更短,減少占地面積并合并采用1個控制室進行集中控制,便于運行管理,可以節省建筑費用。另外,考慮給排水專業的綜合水泵房與水處理島水泵房合并,內設工業雜用水泵、化學泵、生活泵、空氣預熱器沖洗泵、消防水泵以及消防穩壓裝置。廠區內1000m3工業消防水池、1000m3化學消防水池與水處理島的2座1000 m3清水池合并為2座2000m3公用清水池,消防水池要有保證消防水不被挪用的措施。

水處理島的占地為長138m、寬90m的一塊區域,總平面面積為12420m2。常規分散布置占地分別為78m×90m,102m×90m,75m×90m(長×寬)的3個區域,總平面面積為22950m2。常規分散布置各處理單元的建筑物功能多有重復,合并處理單元后,相同性質的建筑面積會因為建筑內容納的設備數目變多而擴大,但總的建筑數量是減少的,所以,總建筑面積也是減少的。常規分散布置和水處理島的各處理構筑物的平面面積比較見表5。

表5 常規分散布置和水處理島的各處理構筑物的平面面積比較

比較以上建筑物的統計面積可知,水處理島布置方案在建筑物的建筑面積上比常規布置方案的建筑面積節省約1220m2(相當于常規處理島總建筑面積的14%),水處理島總占地面積節省約10530 m2(相當于常規處理總占地面積的45.9%)。

6.3 電控系統優化設計

電氣設計方面,對水處理島內中水處理、鍋爐及熱網補給水處理系統、工業廢水處理系統和其他電廠水處理系統的75kW以下小負荷電機按DL/T 5153—2002《火力發電廠廠用電設計技術規定》列入MCC段,考慮到節省電纜設施等材料,這部分MCC將設置在各單元就地,對大于75kW及以上的設備將考慮由主廠房電氣配電間的PC段統一配電,減少各單元變壓器設備和就地電氣配電間。控制設計方面,整個水處理島系統可以整合為水網集中控制系統,便于對水系統的控制。部分就地控制室可以合建。這樣,有利于減少運行維護人員,減少控制人員,減少設備投資,減少基建成本。

7 結論

該工程通過采用水處理島理念的優化設計,工藝系統節約直接設備投資約630萬元,電氣系統節約投資約60萬元,控制系統節約投資60萬元,土建投資節省約840萬元,安裝費用節省約800萬元。由于水質惡劣,系統優化中工藝設備采用新工藝MBR,工藝設備費對比常規處理方案增加投資約1370萬元,最終水處理島處理方案節省投資約1020萬元。比較水處理島方案和常規處理方案可知,水處理島方案節省占地面積約10530m2(相當于常規處理島總占地面積的45.9%),建筑面積節省約1220m2(相當于常規處理島總建筑面積的14%)。

由于設備集中布置、建筑集中設置,系統自動化程度高,水處理島布置方案集成了4個水處理分系統,理論上可以節省3套系統的運行維護人員。由于設計充分考慮了建設節約型企業的理念,系統在保證節能降耗、節水和環保措施基礎上重點進行了系統和布置方案的論證和比選,推出了與傳統的分散布置模式不同的新模式——水處理島布置。整個水處理系統布局合理、自動化水平高,降低了工程造價,為電廠今后實施現代化運行管理創造了良好條件。

[1]中國華電集團公司.火力發電廠節能評價體系[M].北京:水利水電出版社,2007.

[2]EelcovanBeek.火力發電廠節能評價體系[M].宋心同,張勇,等譯.鄭州:黃河水利出版社,2008.

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