虹吸引水在已建電廠為LNG接收站供水應用研究

郭晶晶，王 樓，蔡超英

（1.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063；2.廣匯能源綜合物流發展有限責任公司，江蘇 南通 226200；3.上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海 200080）

0 引言

某電廠與某液化天然氣（lique fied natural gas，LNG）接收站毗鄰建設，間距約2 km。電廠采用海水直流供水系統，每臺機組溫排水的流量約12.6 m3/s（冬季）～21 m3/s（夏季），共4臺機組。LNG接收站分期增建4個LNG儲罐、配套海水氣化工程以及LNG碼頭泊位，其中海水氣化工程需要海水量約2.22 m3/s（夏季 ）～ 4.45 m3/s（冬季 ）。

根據LNG接收站氣化器海水降溫和電廠凝汽器海水升溫特點，本工程創新采用海水耦合利用方案，LNG接收站氣化器所需海水采用電廠溫排水，減少電廠的溫排放影響；熱交換后充分降溫的冷海水排回電廠，可降低電廠循環水進凝汽器的水溫，既能降低電廠機組背壓，又能消除LNG接收站的冷排放影響。

1 海水耦合利用方案

根據電廠已建條件，考慮選擇電廠排水工作井作為取水點。但由于電廠排水工作井已建，為盡量減少對電廠影響，結合原有結構形式將開孔位置設置在平均潮位附近，而此位置在排水工作井低水位時，海水無法自流至LNG接收站的海水泵房，需要增設抽真空設施，通過虹吸引水，將電廠溫排水引至海水泵房前池，海水升壓后輸送至LNG接收站作為LNG氣化熱源，LNG接收站冷排水排回電廠循泵房。耦合取排水工藝流程如圖1所示。

圖1 耦合取排水工藝流程示意圖

2 虹吸引水設計

電廠排水工作井連接電廠循環水排水溝和電廠排水隧道，井內水位隨潮位變化，重現期P=0.1%（千年一遇潮位）時電廠運行水位為6.80 m，平均高潮位時電廠運行水位為3.54 m，平均高潮位時電廠停運水位為1.94 m，平均低潮位時電廠運行水位為-0.59 m，重現期P=97%低潮位（保證率為97%）時電廠運行水位為-1.00 m，室外場地標高為3.50 m。

由于電廠排水工作井已經建成，綜合比較排水工作井水位、結構以及虹吸引水的標高設計，在電廠排水工作井下游側井壁標高約1.38 m處開2只φ2 040 mm的孔洞，以安裝2根DN1600的虹吸引水支管，通過真空系統形成虹吸作用。排水工作井外側增設工作井，以方便開孔時防止外漏，并安裝閥門。

自電廠排水工作井引水至LNG接收站海水泵房，設置DN1600玻璃鋼管道作為虹吸引水管，該引水管道全長約800 m，分為沿大堤堤腳直埋敷設、頂小套管穿越大堤和頂管穿越排洪渠三部分。沿大堤堤腳直埋敷設標高為1.44—0.30 m，管道設坡度i=0.006坡向海水泵房，該段管道因虹吸作用，將管道標高抬高了約2.5 m；穿越大堤前的排水工作井內，管道降低到-3.30 m后，以坡度i=0.005坡向海水泵房，管道標高從-3.30 m降低到-7.30 m。

海水泵房設置在電廠大堤外開發區排水溝東側，距電廠大堤約550 m，泵房內設置6臺離心泵，母管制供水。泵房從使用功能上分為進水間和泵房間兩部分，泵房間設上部結構，進水間全露天布置，泵房間與進水間分設固定起吊設施。水泵出口閥門設在泵房主體結構內。海水泵房室外地坪標高約為2.50m，前池和泵房運轉層設計標高為7.50 m。按電廠排水工作井97%設計低潮位加上進水流阻和水泵最小淹沒深度，泵房底標高為-10.00 m，深17.50 m。因采用了虹吸引水設計，抬高了海水泵房的前池水位，從而降低海水取水升壓水泵揚程、抬高海水泵房底板高度，降低了工程造價。

3 真空系統

真空系統是由真空泵、儲氣罐、真空管道、真空閥門等組成的成套系統，通過真空罐中液位的變化控制真空泵的啟停，以維持穩定的真空源。在虹吸引水方案中，保證海水穩定自流至海水泵房。

3.1 真空系統布置

真空系統的作用是使虹吸進水管經常處于真空狀態，因此需要在虹吸進水管與真空泵間設真空罐，并保持一定的真空度，以使水泵可隨時直接啟動。真空系統的真空泵根據真空管內液位，自動啟停。考慮到真空罐內漏入和水中逸出氣體的量，真空泵容量較小，但初次抽氣時間較長，需要提前開泵[1]。故該項目考慮設置2臺大型真空泵和2臺小型真空泵，大型真空泵用于系統初次抽氣，以減少系統投運時間，小型真空泵用于維持系統長期運行時的真空狀態。

除考慮真空罐的設置外，該項目為防止真空泵停運時，空氣從氣水分離罐倒進真空泵而竄入真空罐，破壞整個真空系統[1]，在真空罐外還設置了水封罐。

3.2 真空系統計算

為合理確定抽真空系統的規模，將虹吸引水管道予以簡化，計算在抽真空過程中海水從設計低水位逐漸升高時各階段的抽真空容積。

計算結果如表1所示[2]。

表1 分階段計算表

3.3 真空泵選型計算結果

根據表1結果，進行真空泵選型計算，配4臺水環式真空泵（2大2?。Ｆ渲写蟊梦鼩饨^壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為7.5～18.8 m3/min；小泵吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為1.75～5.8 m3/min。

3.4 真空泵校核計算結果

查真空泵曲線，對應大泵Q大1=18 m3/min，Q大2=18.2 m3/min，Q大3=18.3 m3/min； 小 泵Q小1=5.55 m3/min，Q小2=5.58 m3/min，Q小3=5.60 m3/min； 故Q1=47.1 m3/min，Q2=47.56 m3/min，Q3=47.8 m3/min。

計算結果如表2所示。

表2 真空泵校核計算表

由表可得∑Ti= 16.73＜20，滿足要求。

3.5 真空系統設置

在海水虹吸引水管上設置抽真空系統，形成虹吸，以降低海水取水泵揚程和海水取水泵泵房深度。抽真空系統布置在電廠排水工作井附近，包括4臺水環式真空泵（2大2?。?。其中大泵電壓為380 V，功率為37 kW，吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為7.5～18.8 m3/min；小泵電壓為380 V，功率為11 kW，吸氣絕壓為3.3～101.3 kPa，排氣量為1.75～5.8 m3/min。電動機與真空泵采用直聯方式，此外設置4臺氣液分離器、4臺空氣式冷卻器、1臺真空罐、1臺水封罐。系統啟動時，4臺真空泵同時投運，經過30 min可以在引水管道中形成虹吸；系統正常運行時，根據需要投運2臺小型真空泵。

抽真空系統能力要求：①啟動工況：4臺真空泵同時投運，可以在30 min內使得長度為250 m的DN1600管道（容積按660 m3）內在抽真空點形成約-0.07 MPa負壓；②正常運行工況：根據需要投運1臺小型真空泵，足以補償由于管道泄漏產生的0.01 MPa/h的真空壓力降。③電廠低潮位時：根據真空罐液位情況，投運2臺小型真空泵，以保證海水取水升壓泵房的水位。

使用廠區工業水作為水環式真空泵工作液的補給水，工作壓力為0.6 MPa，每臺真空泵設置一套空氣式冷卻器，用于真空泵循環水的冷卻。

4 保證虹吸引水的措施

自電廠排水工作井引水至LNG接收站海水泵房，設置DN1600玻璃鋼管道作為虹吸引水管，該引水管道全長約800 m，分為沿大堤堤腳直埋敷設、頂小套管穿越大堤和頂管穿越排洪渠三部分。本工程虹吸引水的難點在于：①采用非常規的玻璃鋼管作為虹吸引水管道；②需要制作玻璃鋼頂管。

根據布置方案及水力計算，有約250 m玻璃鋼管道處于負壓狀態，剩余引水管在真空系統作用下處于正壓狀態。為了保證虹吸引水管道的效果，主要采取以下措施。

4.1 管道措施

1）本項目排水工作井至1號施工工作井之間的DN1600管道總長度約250 m，需能承受約85 kPa的負壓。

2）連續纖維纏繞玻璃鋼夾砂管管道采用套筒（其結構為內層整體橡膠密封圈、外層玻璃鋼增強）接口連接，密封圈采用耐腐蝕、壽命長的三元乙丙橡膠。內襯密封圈的外環周面設有內凸起限制內襯滑動的壓力槽，密封圈內環周面上設有若干唇形倒刺，具備自鎖功能。

3）頂管部分采用玻璃纖維增強塑料頂管（強力型），全寬套筒（full width coupling，FWC）全寬套筒連接，玻璃鋼纖維增強結構層采用連續纏繞工藝制作，并通過連續纖維環向增強，樹脂砂漿層石英砂最大顆粒直徑不小于5 mm。管身與管端為一體材料，且初始軸向抗壓強度不低于90 MPa，剛度不小于30 000 N/m2，初始環向拉伸強度應不低于200 MPa，初始軸向拉伸強度應不低于60 MPa。

4）全寬套筒連接處，在外部負壓力-0.08 MPa作用下，持續1 h，接頭不得出現任何可見的失效，且壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。在整個虹吸引水管段，要求整段約800 m的DN1600管道在外部負壓力-0.08 MPa作用下，持續1 h，壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。

5）全寬套筒連接處，在外部負壓力-0.08 MPa作用下，持續1 h，接頭不得出現任何可見的失效，且壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。在整個虹吸引水管段，要求整段約800 m的DN1600管道在外部負壓力-0.08 MPa作用下，持續1h，壓力的變化值不得大于0.008 MPa/h。

6）虹吸引水管設i為0.005～0.006坡度坡向海水取水升壓泵房，以保證虹吸的效果。

7）穿大堤采用DN2200的鋼頂管共2根，分別內設1根DN1600玻璃鋼管，安裝后用混凝土填實。

4.2 吸水管的布置

在電廠排水工作井下游側井壁需開2只φ1 840 mm的孔洞（孔中心標高1.38 m），以安裝2根DN1600的引水管道。為盡量減少本工程對原電廠循環水系統的安全運行，在開孔處設一座10 m×4 m×7.7 m（深）的施工工作井，以防排水工作井開孔處發生外漏。DN1600的吸水管道在排水工作井內下彎至電廠運行97%低潮位以下，保證虹吸安全及取水的可靠性，同時在排水工作井內對管道設置支架，對管道進行固定，防止水流對管道的沖擊。

水平管道標高1.38 m考慮到排水工作井的結構布置，以及電廠停運時平均高潮位水位1.94 m，介于電廠運行時平均高潮位水位3.54 m和電廠運行時平均低潮位-0.59 m之間，使得管道在排水工作井高水位時保證自流引水，僅在低水位時啟動真空系統引水。

5 虹吸引水的運行情況

5.1 LNG接收站現場運行情況

自2020年12月試運行至今，2臺大型真空泵僅系統初次投用時建立真空系統啟用過，啟動時間約17 min，啟動前前池水位為-1.00 m。

聯鎖報警值：H（高液位報警）為2 000 mm；L（低液位報警）為500 mm；LL（低低液位報警）為150 mm。聯鎖關系：真空罐液位低于500 mm，啟動1臺小型真空泵；真空罐液位低于150 mm，啟動2臺小真空泵。啟動頻次：平均約3次/d。一般啟動1臺小型真空泵，每次啟動時間1～2 h不等。

根據海水取水升壓泵房前池水位監測，運行數據穩定，水位維持在前池水位的50%～70%之間，基本上在60%左右，約0.50 m標高，水深約10.50 m。

目前LNG站中間介質式氣化器（intermediate fluid vaporator，IFV）投 運 數 量為1臺（裝備共2臺），IFV入口海水流量1 354.44 m3/h，進口海水溫度21.17 ℃，出口海水溫度12.24 ℃，溫差約8.93 ℃，進口海水壓力0.4 MPa。原設計1臺IFV投運時的冬季流量約為4 000 m3/h，實際目前的LNG站IFV處于約30%負荷運行。

5.2 電廠現場運行情況和LNG接收站運行情況對比

海水耦合利用后，電廠運行主要為冬季和春季，根據現場真空系統投運時間中2021年3月30日0:00～17:00進行現場運行數據進行對比，此時數據如表3、表4所示。

表3 循環水泵房前池水位和真空泵運行情況

表4 凝汽器循環水和LNG站IFV海水入口、出口溫度

電廠平時真空泵運行基本為1臺（當潮位高時，有時不用啟動真空泵），每次啟動的時間約1～2 h，具體與潮位和電廠對應運行情況相關。電廠4臺機組負荷為358～603 MW。

5.3 運行情況分析

根據原設計，系統投運前，需要啟動2臺大型真空泵和2臺小型真空泵，需要約16.73 min，實際投運時，2臺大型真空泵投運約17 min，海水取水升壓泵啟動，與設計計算結果接近。

原設計投運1臺小型真空泵，足以補償由于管道泄漏產生的0.01 MPa/h的真空壓力降，結合實際運行時的真空泵啟動情況，可以推測，管道泄漏產生的真空壓力降較少，說明原設計采用的防止管道泄漏措施有效。

電廠運行在3月份時的溫差為8 ℃，而LNG站的溫差約5.5 ℃，導致LNG接收站回水至電廠循環水泵房前池的水溫比海水水溫高約4.4～6.197 ℃，與電廠的循環水（如電廠2臺機組運行）取水摻混后，導致電廠水溫升高約0.05～0.08 ℃，因機組阻塞背壓對應約15 ℃，故對電廠機組春秋冬季工況影響可以忽略，隨著IFV的運行規模逐漸增加，夏季調高溫差后，可以保證電廠機組的背壓。

6 結語

在海水自流取水管上設置抽真空系統，形成虹吸，以抬高取水管高度、降低海水取水升壓水泵揚程和抬高海水泵房的底板標高，減少運行時的安全隱患，降低工程造價。

通過虹吸引水設計，解決了LNG接收站從電廠取水的可能性，實現電廠溫排水和LNG接收站冷排水的耦合利用，降低LNG接收站的工程投資，對海洋環境無冷排放的影響，同時降低對海洋的溫排水影響，為LNG接收站和電廠帶來顯著的經濟和社會效益。