海水脫硫直流供水系統虹吸井設置原則

張國罡

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

1 概述

為了防止SO2對大氣的污染，燃煤電廠必須進行煙氣脫硫。其中，海水煙氣脫硫技術成熟、工藝簡單、投資及運行費用低，廣泛應用于沿海地區采用海水直流供水系統的燃煤電廠。

采用直流供水系統的電廠一般都設置虹吸井，虹吸井在系統中的主要作用有：第一是在正常運行工況下(穩態時)使凝汽器內水壓力始終保為負值，形成虹吸現象，以減少循環水泵的出力，降低廠用電量；第二是在事故工況下(系統發生水力瞬態過程時)，保證凝汽器循環水的虹吸作用不被破壞，利用大氣壓力和虹吸井中水位及水量，使凝汽器排水管產生倒流虹吸作用，減緩凝汽器出口壓力的下降幅度，防止凝汽器出水管因水錘作用產生過大的負壓而發生水柱分離的情況。

采用海水脫硫的直流供水系統中，脫硫往往利用機組循環冷卻水系統的排水。在經過凝汽器之后，機組冷卻水排水中一部分用泵抽至吸收塔與煙氣發生反應，反應后的酸性海水排至曝氣池與剩下的未發生反應的冷卻水排水混合并曝氣，水質恢復后排入大海。為了獲得穩定的曝氣池水位，避免外海潮位的影響，海水脫硫曝氣池需設置排水堰，而且排水堰一般按較高潮位設計，以減少曝氣池深度、降低曝氣風機出力以及運行能耗。這樣，在循環水排水管路上就有虹吸井堰以及曝氣池出口堰兩道堰，作用上有重復。因此，有文章提出大多帶海水脫硫直流供水冷卻系統中的虹吸井均可取消，但在實際設計過程中，大部分采用海水脫硫的直流供水系統仍按常規直流供水系統設置了虹吸井。

本文結合某電廠實例，從穩態及瞬態兩方面進行分析，研究采用海水脫硫的直流供水系統的虹吸井設置原則。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本電廠位于越南南部沿海，建設規模為2×622.5 MW機組，循環水系統采用單元制海水直流供水方式，一機兩泵，每臺機組設計循環水量28 m3/s。

機組冷卻水系統主要流程為：

方案1(設置虹吸井方案)：外海→循環水進水箱涵及明渠→前池→循環水泵房→循環水供水管→凝汽器→循環水排水管→虹吸井→排水箱涵→海水脫硫前池及曝氣池→排水箱涵→排水閘門井→排水鋼管→外海。

方案2(取消虹吸井方案)：外海→循環水進水箱涵及明渠→前池→循環水泵房→循環水供水管→凝汽器→循環水排水管→海水脫硫前池及曝氣池→排水箱涵→排水閘門井→排水鋼管→外海。

兩方案的主要區別在于方案2取消了虹吸井以及之后的排水箱涵，循環水排水直接由凝汽器通過壓力鋼管排至曝氣池，其他與方案1相同。

取排水特征潮位為：1%高潮位2.20 m；多年平均高潮位1.04 m；多年平均潮位0.03 m；多年平均低潮位－0.98 m；97%低潮：－2.85 m。(高程系統均采用絕對高程)。

2.2 穩態水力計算

以平均低潮位為取水設計水位，分別對方案1與方案2進行循環水水力計算，結果見表1。

表1 循環水水力計算表

由表1可知，方案1與方案2循環水泵揚程基本相同，因為為了滿足曝氣池穩定運行，曝氣池排水堰頂標高較高，雍高了虹吸井水位，使虹吸井內水位遠高于虹吸井堰頂標高，虹吸井堰實際上已失去作用，虹吸井成為一個普通連接井，對系統高程影響很小。

另外兩個方案供水系統最大虹吸利用高度均小于8 m，滿足凝汽器出口最高點的絕對壓力不宜低于20～30 kPa的要求，可保證系統安全運行。

因此，在正常運行工況下，虹吸井已經失去了保證虹吸的作用，虹吸井內堰可以取消。

2.3 瞬態計算

本工程循環水系統瞬態過程主要發生在啟泵和停泵階段，主要可以分為以下五個工況：第一臺泵啟動工況；1臺泵運行，第2臺泵啟動工況；1臺泵運行，事故停泵工況；2臺泵運行，同時事故停泵工況以及2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況。

瞬態分析過程中主要關注的參數包括最大水錘壓力、最小水錘壓力、循環水泵最大反轉速及歷程以及虹吸井水位波動等。通過數值計算，系統最大水錘壓力發生在第一臺泵啟動工況；最小水錘壓力發生在兩臺泵同時事故停泵工況；循環水泵最大反轉速出現在2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況；而虹吸井最高涌波水位出現在兩臺泵同時事故停泵工況。具體計算結果見表2及圖1～圖4。

表2 循環水系統瞬態各主要參數極值及發生工況

圖1 第一臺泵啟動工況循泵出口壓力過程曲線

圖2 兩泵同時事故停泵工況凝汽器出口壓力波動曲線

圖3 2臺泵運行，其中一臺泵事故停泵工況循泵轉速變化過程曲線

圖4 方案1兩泵同時事故停泵工況虹吸井水位波動過程曲線

根據以上計算結果可知，瞬態過程中，方案2取消虹吸井方案最大最小水錘壓力均比方案1嚴重，尤其是兩泵同時事故停泵工況，在第5秒左右凝汽器出水管已經形成真空，發生了水柱分離現象，產生了水錘事故。這主要是因為本工程曝氣池離主廠房很遠，凝汽器出口至曝氣池壓力鋼管長度有約600 m，壓力管道中水量較多，慣性較大，發生瞬態過程時水流無法在短時間內(凝汽器出口壓力下降到絕對真空之前)停止運動并倒流至凝汽器中，使得凝汽器中發生水柱分離的現象。

而方案1中，在凝汽器與曝氣池之間設置了虹吸井，虹吸井離凝汽器較近，虹吸井實際上已經變成一個調壓井，在瞬態過程中可以有效調節系統水錘特性，降低以及避免系統發生水錘事故風險。但同時也需要注意，由于此時虹吸井已經成為一個調壓井，如圖4所示，虹吸井內水位波動會很大，比常規不帶海水脫硫的直流供水系統虹吸井水位波動大很多，在虹吸井的高程設計中必須考慮這一點，防止冷卻水從虹吸井中溢出對電廠造成事故。

3 分析及優化

(1)曝氣池至凝汽器臨界距離分析：根據上述瞬態分析結果，方案2凝汽器出水管發生水柱分離的主要原因是曝氣池離凝汽器太遠，壓力鋼管太長造成的。因此，縮短凝汽器出口至曝氣池壓力鋼管長度進行分析計算，計算結果表明當該段壓力鋼管小于80 m時，可以保證凝汽器出口管道不發生水柱分離現象，也就是說，此時，不需要設置虹吸井也可以保證循環水系統安全運行。

(2)虹吸井優化設計分析：根據上述分析，本工程虹吸井已經實際上變成調壓井，設計中已經不需要按常規虹吸井進行設計。原設計虹吸井面積為135 m2，最高涌波水位7.65 m，虹吸井頂板標高8.00 m。通過計算，將虹吸井面積減為16 m2之后，仍可以保證事故工況下凝汽器出口管不發生水柱分離現象，而此時虹吸井內最高涌波水位僅提高了0.4 m，為8.05 m，虹吸井頂板標高可按8.50 m設計。虹吸井總面積大大減小，但高度增加不多，總的工程量大大減小。

4 結論

(1)采用海水脫硫的直流供水系統，在曝氣池出口堰可以保證機組虹吸利用高度的情況下，可以取消虹吸井堰。

(2)當根據機組布置，曝氣池與凝汽器距離很近，經過瞬態計算保證機組安全運行情況下，可以取消虹吸井。

(3)當曝氣池與凝汽器距離較遠時，虹吸井仍需要設置，但此時虹吸井的功能已經變成調壓井，不需按常規虹吸井設計，直接按調壓井設計，可大大減少虹吸井工程量。

[1]毛衛兵，等．海水脫硫直流供水冷卻系統應用研究[J]．給水排水，2012，38(10)．

[2]DL/T5339－2006，火力發電廠水工設計規范[S]．

[3]高坤華．海水脫硫對直流循環冷卻水系統的影響[J]．電力勘測設計，2010，(1)．

[4]陳付山．火電廠冷卻水系統水力過渡過程計算研究[D]．南京：河海大學，2005．