菲律賓某電廠循環(huán)水泵房的工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)

汪雪姣，閆文周，徐燦兵

(華中電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450007)

1 概述

電廠位于菲律賓拉瑙省考斯瓦根市巴拉蓋自由區(qū)，毗鄰高速路和伊利甘海，位于伊利甘市西南約15 km。電廠本期建設(shè)4×150 MW級燃煤機(jī)組，海水脫硫，冷卻水系統(tǒng)采用海水直流供水系統(tǒng)，全廠循環(huán)冷卻水以及海水淡化原水均取自廠址北面海水。

按技術(shù)合同要求，本工程海水直流冷卻系統(tǒng)的配置如下：每臺機(jī)組配1臺立式循環(huán)水泵，全廠共設(shè)1臺備用泵，即4×150 MW機(jī)組共設(shè)5臺循環(huán)水泵；每臺水泵的進(jìn)水流道上分別設(shè)置鋼閘門、粗格柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)；另外全廠設(shè)2臺輔機(jī)立式循環(huán)水泵，當(dāng)僅有閉式冷卻水系統(tǒng)或海水淡化制水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，啟動輔機(jī)循環(huán)水泵。全廠每2臺機(jī)組設(shè)1根冷卻水供水管道和1根冷卻水排水管道(即全廠為兩個(gè)運(yùn)行單元)。全廠的海水取水系統(tǒng)共設(shè)2座蘑菇頭式取水頭部和2條DN2600的HDPE引水管道，分別連接至泵房前池。每2臺機(jī)組設(shè)1套脫硫系統(tǒng)，全廠的海水排水系統(tǒng)設(shè)1座虹吸井和2條HDPE排水管道。

2 循環(huán)水泵房布置特點(diǎn)

根據(jù)技術(shù)合同的要求，本工程循環(huán)水泵房的布置較國內(nèi)常規(guī)設(shè)置，有以下幾個(gè)不同點(diǎn)。

2.1 泵房前池和進(jìn)水流道的連接

由于本工程4臺機(jī)組僅設(shè)置1臺備用循環(huán)水泵，而合同要求設(shè)置2個(gè)進(jìn)水前池，因此考慮中間流道(備用泵流道)水流流態(tài)的穩(wěn)定，早期設(shè)計(jì)方案擬將前池隔墻取消，合并設(shè)置為1個(gè)，減少出現(xiàn)不利流態(tài)的可能性。合同中對泵房進(jìn)水前池的要求為“One (1) Intake Structure and Pumphouse including two (2) sea water forebays．a(chǎn)nd a total of five (5) pump bays. The intake structure and pumphouse shall be designed such that both forebays can supply seawater to the middle pump bay.”業(yè)主審查后，按此條款堅(jiān)持要求必須保留2個(gè)前池的設(shè)計(jì)，中間備用泵流道進(jìn)口處設(shè)2個(gè)閘門，分別隔斷2個(gè)前池的進(jìn)水，即使這樣的布置將影響到中間流道水流的穩(wěn)定性(業(yè)主認(rèn)為流道的水流穩(wěn)定性應(yīng)在設(shè)計(jì)滿足合同要求的基礎(chǔ)上再加以保證，而不能在保證流態(tài)穩(wěn)定的前提下修改合同的要求)。因此，本工程循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的閘門設(shè)計(jì)為6臺，中間流道的2臺尺寸為：寬×深=2.0 m×5.5 m；其余4個(gè)流道的4臺尺寸為：寬×深=5.3 m×4.0 m，中間閘門高度的增加是因?yàn)榇_保各流道閘門口處的水流損失基本相同。

2.2 泵房高度的設(shè)計(jì)

按照國內(nèi)常規(guī)設(shè)計(jì)，泵房高度滿足循環(huán)水泵最大件起吊高度即可。本工程技術(shù)合同中對于泵房高度也沒有明確的條款要求。但是合同對循環(huán)水泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求中提到“The sea water cooling pumps shall be of the vertical, wet pit, mixed fl ow type with above fl oor discharge and shall be of non-pullout construction.”因此，業(yè)主根據(jù)此條(non-pullout construction)要求泵房應(yīng)滿足循環(huán)水泵整體起吊的高度要求。盡管我們在設(shè)計(jì)溝通過程中表示，循環(huán)水泵的分體起吊在國內(nèi)外已非常成熟，整體起吊不僅增加了行車的起吊重量，還需將泵房無意義的抬高，同時(shí)在后期運(yùn)行中也沒有任何優(yōu)勢，但是業(yè)主堅(jiān)持按合同要求執(zhí)行，否則會進(jìn)行商務(wù)索賠。由于直流系統(tǒng)的水位直接受外海潮位影響，水位較低，水泵吸水管較長，因此泵房設(shè)計(jì)高度調(diào)整為23.5 m(若按最大件起吊高度設(shè)計(jì)，泵房高度僅為17.0 m)，大大增加了泵房上部結(jié)構(gòu)，直接超出了工程量預(yù)算。

2.3 泵房內(nèi)汽車通道的要求

循環(huán)水泵房的常規(guī)布置中有與水泵出水管道平行的一跨作為檢修區(qū)域，汽車從此進(jìn)出，進(jìn)行設(shè)備的搬運(yùn)。但本工程合同在土建部分的章節(jié)中有下列要求“Truck access shall be provided parallel to the sea water cooling pump centerlines. The truck access shall be a clear space 14 feet (4.3 m) high by 12 feet (3.7 m) wide and shall extend from the full length of the sea water intake pumphouse without changing elevation.”(泵房應(yīng)設(shè)置與水泵中心線平行的一條汽車通道，凈高4.3 m，凈寬3.7 m，且貫穿于整個(gè)泵房。)此條款對于單層設(shè)計(jì)，且水泵出口管道在零米層上方的泵房來說，只能通過加大尺寸才能滿足。因此，本工程的泵房寬度又增加至18 m，在水泵的進(jìn)水流道方向留出4.3 m的寬度，以滿足貫穿泵房的汽車通道要求，泵房的平面尺寸也加大了。

2.4 水泵出口電動蝶閥、水泵設(shè)計(jì)流量及入口流速的要求

按合同要求，水泵出口按順序設(shè)置了液控止回蝶閥和電動蝶閥。一般情況循環(huán)水泵出口僅設(shè)置液控止回蝶閥，同時(shí)滿足防止系統(tǒng)發(fā)生水錘和檢修隔斷的作用，也節(jié)約了設(shè)備預(yù)算和安裝空間。但是在本工程和業(yè)主的溝通過程中，他們認(rèn)為液控止回蝶閥設(shè)備的隔斷作用不可靠，為保證系統(tǒng)的正常檢修，電動蝶閥必須按合同要求以及他們的設(shè)計(jì)習(xí)慣來設(shè)置。

除了這些非常規(guī)且未在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中提及的，業(yè)主在審查中還強(qiáng)調(diào)了循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量和喇叭口設(shè)計(jì)流速的要求，合同中水泵的設(shè)計(jì)規(guī)范提到“Capacity: 100 percent of the requirements plus a margin of 20 percent”。本工程循環(huán)水系統(tǒng)計(jì)算流量為7.45 m3/s，因此水泵設(shè)計(jì)流量選取8.94 m3/s。根據(jù)水泵的實(shí)際性能曲線和系統(tǒng)管道特性，擬合出設(shè)計(jì)工況(兩機(jī)兩泵)中的實(shí)際運(yùn)行流量為8.404 m3/s。

此外，按美標(biāo)ANSI/HI 9.8，喇叭口處最佳流速1.7 m/s，本工程水泵設(shè)計(jì)流量8.94 m3/s，水泵廠家設(shè)計(jì)喇叭口直徑為2.6 m，因此喇叭口流速為1.68 m/s，與美標(biāo)要求完全一致。

本工程的循環(huán)水泵房布置見圖1。

圖1 循環(huán)水泵房平面布置圖

3 泵房物理模型及結(jié)論

根據(jù)本工程合同，泵房應(yīng)按HI(Hydraulic Institute)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，目前所設(shè)計(jì)的泵房流道尺寸滿足HI標(biāo)準(zhǔn)的要求，但HI標(biāo)準(zhǔn)9.8.4節(jié)中明確：當(dāng)單泵大于2.52 m3/s或泵站總流量大于6.31 m3/s時(shí)，泵房流道應(yīng)進(jìn)行物理模型試驗(yàn)。本工程的主循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量為8.94 m3/s，因此補(bǔ)充進(jìn)行了物模試驗(yàn)。

本工程采用了幾何比尺為1∶10的較大模型，針對業(yè)主要求的多個(gè)工況(表1)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水管流速較高，兩個(gè)前池中間設(shè)有隔墻，水流在前池內(nèi)無法充分?jǐn)U散，導(dǎo)致進(jìn)水管前方的2#及4#水泵流道進(jìn)口直接承受水流沖擊，又由于流道進(jìn)口低于引水管進(jìn)口，慣性導(dǎo)致水流在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)斷面上集中于流道底部，吸水室內(nèi)水面振蕩，水流在吸水管外環(huán)繞，流態(tài)較差。當(dāng)某一單元突停且備用水泵(3#泵)運(yùn)行時(shí)，備用泵流道從突停單元的前池進(jìn)流，3#流道進(jìn)口偏流直接導(dǎo)致流道內(nèi)偏流，且較明顯。

從表1結(jié)論可知，水流在前池?cái)U(kuò)散不充分及備用水泵本身進(jìn)流不均勻是流道內(nèi)水流流態(tài)較差的主要原因。因此，為使水泵能夠安全高效的運(yùn)行，試驗(yàn)在流道內(nèi)加設(shè)整流措施來調(diào)整水流。經(jīng)過試驗(yàn)比較，推薦并驗(yàn)證了以下方案：在進(jìn)水前池設(shè)兩排立柱，高度與進(jìn)水管管頂齊平；備用泵流道的攔污柵后方設(shè)置一道橫梁，以及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后方設(shè)置兩道橫梁，具體布置見圖2。

表1 泵房物理模型試驗(yàn)工況

圖2 泵房流道斷面示意圖

4 循環(huán)水泵的汽蝕余量計(jì)算

一般工程中，循環(huán)水泵吸水口處最低運(yùn)行液位高于水泵所要求的淹沒深度即可，而立式斜流泵的淹沒深度由設(shè)備廠家提供，因?yàn)椴煌糜捎谄湓O(shè)計(jì)性能差異而要求的淹沒深度略有所不同。本工程的業(yè)主及監(jiān)理工程師在審查過程中提出，在滿足水泵所需淹沒深度基礎(chǔ)上，按照HI標(biāo)準(zhǔn)，水泵各運(yùn)行工況下的NPSHa/NPSHr≥ 1.10。

首先計(jì)算表3中各工況下的水泵運(yùn)行流量(工況由業(yè)主及監(jiān)理工程師提出)，根據(jù)水泵性能曲線得出NPSHr；然后分別計(jì)算葉輪在各工況下的淹沒深度得出NPSHa(最低運(yùn)行水位是按業(yè)主要求的按照最低天文潮時(shí)海水取水管道有污垢產(chǎn)生的情況fouling condition)。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水泵汽蝕余量計(jì)算

上表中的工況1和2是實(shí)際運(yùn)行中都存在的工況，但是工況3則是不允許出現(xiàn)且不在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的，因?yàn)楸竟こ桃呀?jīng)設(shè)置有備用泵，當(dāng)一臺運(yùn)行水泵跳閘時(shí)，備用水泵可立即啟動，及時(shí)投入運(yùn)行。但業(yè)主以萬一備用泵未能正常投入運(yùn)行為由堅(jiān)持要算這個(gè)工況，而此工況由于水泵流量過大，水泵所需NPSHr太高，水泵淹沒深度無法滿足要求。經(jīng)過驗(yàn)算，當(dāng)水泵流量為10.532 m3/s時(shí)，NPSHa=14.47 m，NPSHr=12.00 m，NPSHa/NPSHr=1.20。

為保證水泵的安全運(yùn)行，在凝汽器水室出口設(shè)電動調(diào)節(jié)蝶閥，并由DCS控制，當(dāng)發(fā)生工況3時(shí)，立即連鎖此閥門調(diào)節(jié)至水泵流量低于10.5m3/s，防止水泵發(fā)生氣蝕，當(dāng)確認(rèn)備用泵短時(shí)無法投入運(yùn)行后，機(jī)組降負(fù)荷或采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

5 循環(huán)水泵的運(yùn)行工況計(jì)算

為保證直流冷卻水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，防范由于斷電停泵誘發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)壓，本工程在凝汽器水室最高處設(shè)置了真空破壞閥，并且要求真空破壞閥的延遲開啟時(shí)間不超過0.5 s。應(yīng)業(yè)主要求，對兩機(jī)兩泵運(yùn)行，一泵跳閘，備用泵未能及時(shí)投運(yùn)的特殊工況進(jìn)行了瞬態(tài)流分析，分析結(jié)果表明，流量的大幅變化導(dǎo)致了凝汽器出口出現(xiàn)嚴(yán)重負(fù)壓，最低已達(dá)到汽化壓力，真空破壞閥需及時(shí)打開，同時(shí)此運(yùn)行單元的兩臺機(jī)組都需降負(fù)荷運(yùn)行或停機(jī)，影響較大。

由此，業(yè)主提出考慮n臺機(jī)組n+1臺水泵運(yùn)行的方案，從而保護(hù)機(jī)組降負(fù)荷或跳閘的風(fēng)險(xiǎn)，這樣就需要將備用水泵出口與兩單元供水母管之間的連通閥門打開，全廠四臺機(jī)組兩個(gè)單元成為擴(kuò)大單元制系統(tǒng)。首先針對上述要求進(jìn)行了循環(huán)水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得出水泵各工況運(yùn)行點(diǎn)，結(jié)果見表3。

表3 不同運(yùn)行工況的循環(huán)水泵工作點(diǎn)

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，前兩個(gè)工況水泵已經(jīng)脫離了高效區(qū)范圍，在此區(qū)間運(yùn)行時(shí)很難保證其穩(wěn)定性，有發(fā)生振動的可能；第三個(gè)工況，水泵在此工作點(diǎn)可以運(yùn)行，但是由于總運(yùn)行水量增大，泵房進(jìn)水管道損失增加，前池設(shè)計(jì)水位明顯降低，水泵的汽蝕余量要求無法得到保證。另外，三機(jī)四泵工況存在水量在兩個(gè)單元平衡分配的情況，無法通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算進(jìn)行定量，但從上表中的規(guī)律可以看到，水泵運(yùn)行點(diǎn)可能在高效區(qū)的邊緣。此外，n+1的模式也大大增加了廠用電量即電廠運(yùn)行成本，而且全廠采用擴(kuò)大單元制系統(tǒng)后，由于水泵跳閘，備用泵未及時(shí)投運(yùn)所帶來的風(fēng)險(xiǎn)影響范圍可能將更廣。因此，本工程不推薦n臺機(jī)組n+1臺水泵的運(yùn)行模式。

6 設(shè)計(jì)心得

總結(jié)本工程循環(huán)水泵房在設(shè)計(jì)過程中與業(yè)主及監(jiān)理的配合，主要有以下幾點(diǎn)心得：

6.1 技術(shù)合同的解讀和設(shè)計(jì)應(yīng)用

本工程的一大特點(diǎn)為技術(shù)合同(即項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范書)詳細(xì)，針對全廠各個(gè)系統(tǒng)、工藝單元、結(jié)構(gòu)、管道、閥門、支架、油漆、焊接等都有詳細(xì)的描述和要求。除了合同中規(guī)定的國外標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范之外，幾千頁的技術(shù)規(guī)范書都是業(yè)主和監(jiān)理工程師的審查依據(jù)。合同中的每一技術(shù)條款，哪怕一個(gè)單詞，都有可能成為工程的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，因?yàn)橛袝r(shí)從一般字面上可能無法領(lǐng)會牽涉到的更深更廣的技術(shù)要求。

所有不滿足合同要求的設(shè)計(jì)，業(yè)主都會要求修改，無論影響大小。甚至合同中還表示，若發(fā)現(xiàn)與合同要求不符的部分已施工完畢，無法修正時(shí)，業(yè)主仍有權(quán)進(jìn)行相關(guān)的商務(wù)索賠。因此，閱讀、理解技術(shù)合同并將其完整的應(yīng)用到具體設(shè)計(jì)當(dāng)中，是涉外工程的重要工作之一，實(shí)施過程中切忌單向按自己的慣性思維去設(shè)計(jì)，務(wù)必要忠于技術(shù)合同要求。

6.2 與業(yè)主及監(jiān)理的溝通

溝通不暢，思維方式的不同也是本工程設(shè)計(jì)過程中的一大障礙，其中也不乏業(yè)主及監(jiān)理對中國承包方的不完全信任和對中國設(shè)計(jì)規(guī)范的不了解。但作為一個(gè)EPC總包項(xiàng)目，業(yè)主及監(jiān)理執(zhí)意按合同條款來執(zhí)行也無可厚非，在此過程中沒有商量的余地，哪怕合同要求不盡合理，譬如泵房前池布置型式的不正確在后續(xù)的物理模型試驗(yàn)中就得到了驗(yàn)證。

涉外工程都設(shè)有一個(gè)設(shè)計(jì)審查的網(wǎng)絡(luò)平臺，從該平臺進(jìn)行圖紙和文件的審查，但如果僅從這一個(gè)渠道實(shí)現(xiàn)圖紙問題快速閉合將非常困難，因?yàn)榻?jīng)常會發(fā)生對問題理解錯(cuò)誤答非所問的情況，這樣一輪輪來回的提問、回答、修改嚴(yán)重滯后了設(shè)計(jì)進(jìn)度。從本工程的實(shí)踐過程來看，與設(shè)計(jì)監(jiān)理使用郵件、電話等輔助溝通手段，將會更有利于設(shè)計(jì)審查的推進(jìn)，因?yàn)檫@些方式可以將問題、想法和意見表達(dá)得更加清楚，減少了網(wǎng)絡(luò)平臺的溝通周期，推進(jìn)圖紙快速閉合用于現(xiàn)場施工。良好的溝通不僅能讓我們更加正確的理解業(yè)主和監(jiān)理工程師的意見，而且也讓他們更好的了解我們的想法和設(shè)計(jì)習(xí)慣，并得到他們的認(rèn)可。

6.3 商務(wù)談判手段的加強(qiáng)

緊扣合同進(jìn)行審查貫穿于整個(gè)工程的實(shí)施過程，這是業(yè)主索賠承包商的主要手段，他們以不滿足技術(shù)合同為由，增加各種要求，產(chǎn)生不可預(yù)估的工程量變化，同時(shí)現(xiàn)場未得到批準(zhǔn)也無法施工，耽誤了工期。其實(shí)這也是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)并應(yīng)用的手段，在業(yè)主和監(jiān)理方提出的眾多要求中，應(yīng)及時(shí)梳理是否在合同要求范圍內(nèi)，若不在，可立即提交項(xiàng)目管理者，記錄下完整的設(shè)計(jì)過程，讓技術(shù)溝通和商務(wù)談判同時(shí)進(jìn)行，從而有效地改善承包商的被動地位。

細(xì)化國外標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)，精讀設(shè)計(jì)合同條款，提高溝通協(xié)調(diào)能力，加強(qiáng)商務(wù)談判手段，才能在這條涉外工程道路上越走越遠(yuǎn)。

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