韓買良,馬學(xué)武,吳志勇

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

0 引言

電力是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,已和煤炭、石油等基礎(chǔ)能源并列,且為最不可缺少的能源?；鹆Πl(fā)電廠水處理島的設(shè)計(jì)理念符合建設(shè)節(jié)約型企業(yè)的要求。近年來(lái),全國(guó)在燃煤電站的設(shè)計(jì)中,正在進(jìn)行以經(jīng)濟(jì)效益為中心的設(shè)計(jì)革命。中國(guó)華電集團(tuán)公司設(shè)計(jì)了幾個(gè)示范電廠,在系統(tǒng)優(yōu)化基礎(chǔ)上,重點(diǎn)進(jìn)行了布置方案論證,對(duì)主廠房外的水處理系統(tǒng),首次推出了與傳統(tǒng)分散布置模式不同的新模式——以島的形式集中布置?；鹆Πl(fā)電廠水處理通常由原水預(yù)處理、除鹽水處理、凝結(jié)水精處理、工業(yè)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(gòu)筑物通常按照處理單元分開獨(dú)立布置,設(shè)有各自獨(dú)立的廠房、控制室和運(yùn)行維護(hù)人員。本文以某2×330 MW直接空冷供熱機(jī)組為例,分析了將水處理系統(tǒng)各個(gè)單元有機(jī)地整合到一個(gè)水處理島的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)組夏季純凝工況中水補(bǔ)充水量為377m3/h(具體參數(shù)見表1),冬季供熱工況中水補(bǔ)充水量為456.6m3/h。電廠工業(yè)用水(包括循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)充水,化學(xué)補(bǔ)水等)均采用中水,中水處理量按照600m3/h設(shè)計(jì)。根據(jù)該項(xiàng)目水質(zhì)監(jiān)測(cè)承擔(dān)單位提供的水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告,所監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目中NH3-N,SS含量均超過GB8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),NH3-N最高超標(biāo)20.4倍,平均值超標(biāo)7.3倍,SS最高超標(biāo)9.0倍,平均值超標(biāo)4.4倍。由于污水處理廠出水水質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo),尤其氨氮指標(biāo)較高,出水水質(zhì)指標(biāo)波動(dòng)較大,不能滿足電廠工業(yè)水系統(tǒng)直接回用的要求,必須進(jìn)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(qū)新建電廠項(xiàng)目的必然選擇。同時(shí),電廠必須建設(shè)中水深度處理設(shè)施對(duì)其進(jìn)行深度處理后才能使用。目前,國(guó)內(nèi)應(yīng)用成熟的中水深度處理工藝主要有2種。

表1 2×330MW機(jī)組夏季補(bǔ)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(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的情況,這種處理方式對(duì)城市污水處理廠出水有較嚴(yán)格要求,如出水水質(zhì)波動(dòng)大,深度處理后水質(zhì)可能達(dá)不到回用標(biāo)準(zhǔn),影響后續(xù)工業(yè)用水水質(zhì)和化學(xué)水處理設(shè)備的運(yùn)行。

(2)另一種中水深度處理方式是膜生物反應(yīng)器工藝,該工藝采用生化處理和膜過濾結(jié)合的手段,出水水質(zhì)好,可直接用作反滲透進(jìn)水,省去了普通過濾、超濾等工序,且膜生物反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)適應(yīng)范圍大,耐沖擊負(fù)荷。

1.2 水量平衡及節(jié)水措施

在采用中水的基礎(chǔ)上,盡量選用節(jié)水型設(shè)備及節(jié)水工藝,該工程水平衡設(shè)計(jì)做到一水多用、分級(jí)供水、重復(fù)利用,在各系統(tǒng)用水點(diǎn)上設(shè)置必要的計(jì)量裝置,控制用水。電廠公用水系統(tǒng)用水包括化學(xué)水處理系統(tǒng)、輔機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)、生活、消防、灰場(chǎng)、脫硫和干灰加濕、煤場(chǎng)噴灑和廠區(qū)綠化、輸煤系統(tǒng)沖洗及除塵等。各系統(tǒng)用水在水質(zhì)、水溫上有不同的要求,在滿足其用水水質(zhì)、水溫的前提下,做到循環(huán)使用、循序使用以使節(jié)水落到實(shí)處。生活用水采用市政生活用水,灰場(chǎng)用水、脫硫和干灰加濕、煤場(chǎng)噴灑和廠區(qū)綠化、輸煤系統(tǒng)沖洗及除塵用水采用經(jīng)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(jī)循環(huán)水系統(tǒng)排污水及RO濃水用于脫硫系統(tǒng),化學(xué)水處理系統(tǒng)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(yè)廢水處理站,經(jīng)處理后回用;

(2)輸煤系統(tǒng)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(fù)使用;

(3)經(jīng)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(tǒng);

(4)廠區(qū)生活污水經(jīng)化糞池初步處理后,直接接入中水處理系統(tǒng)進(jìn)一步處理回用;

(5)化學(xué)水處理系統(tǒng)酸堿中和排水回收至清水池回用于灰場(chǎng)噴灑。

2 中水深度處理系統(tǒng)

2.1 MBR工藝方案

膜-生物反應(yīng)器MBR(Membrane-BioreactorReactor)是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)污水生物處理工藝有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用工藝,近年來(lái),在國(guó)際水處理技術(shù)領(lǐng)域日益得到廣泛關(guān)注,在國(guó)內(nèi)的中水處理工程中得到了推廣和應(yīng)用。膜-生物反應(yīng)器運(yùn)行能耗低、占地面積小。MBR系統(tǒng)包含調(diào)節(jié)(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(jié)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(jié)構(gòu),內(nèi)置ABS集水及曝氣系統(tǒng),中水處理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 中水處理系統(tǒng)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(tǒng)工藝流程

二級(jí)處理后的城市污水→調(diào)節(jié)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(huán)水補(bǔ)水泵→循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

2.2.2 污水石灰處理的石灰計(jì)量系統(tǒng)

高純度消石灰粉→密封式散裝罐車→石灰筒倉(cāng)→振動(dòng)料斗→旋轉(zhuǎn)給料機(jī)→螺旋輸送機(jī)→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(tǒng)主要設(shè)備

石灰處理系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 石灰處理系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

續(xù)表

2.3 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝的對(duì)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(yīng)用于開式循環(huán)冷水系統(tǒng)中使用較多,但對(duì)于該工程而言進(jìn)水水質(zhì)及出水標(biāo)準(zhǔn)基本無(wú)法達(dá)到。另外,對(duì)于處理量小于2萬(wàn)t/d的中水系統(tǒng),采用石灰法不但要考慮石灰來(lái)源并且石灰貯存計(jì)量系統(tǒng)復(fù)雜,自動(dòng)化程度低,MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝對(duì)比見表3,MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝出水水質(zhì)對(duì)比表見表4。

表3 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝對(duì)比

表4 MBR工藝與石灰澄清加生物濾池工藝出水水質(zhì)對(duì)比

3 鍋爐及熱網(wǎng)補(bǔ)給水處理系統(tǒng)

經(jīng)過預(yù)處理后的清水一部分直接用于閉式冷卻水補(bǔ)水,一部分經(jīng)過反滲透及離子交換除鹽后供鍋爐補(bǔ)充水。根據(jù)水質(zhì)情況和所裝機(jī)組對(duì)水、汽質(zhì)量的要求,該工程鍋爐及熱網(wǎng)補(bǔ)給水處理系統(tǒng)流程為:中水處理→RO裝置→淡水箱→淡水泵→陽(yáng)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(duì)超濾出水進(jìn)行預(yù)除鹽處理。系統(tǒng)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(tǒng)、反滲透清洗系統(tǒng)和加藥系統(tǒng)。

反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:反滲透裝置的進(jìn)水量,4×72m3/h;反滲透裝置的運(yùn)行壓力(設(shè)計(jì)水溫為13℃,3年時(shí)),1.3MPa;反滲透裝置的產(chǎn)水量,4×50m3/h;反滲透裝置的除鹽率,＞97%;反滲透系統(tǒng)回收率,70%;反滲透裝置的濃水流量,4×22 m3/h。

4 工業(yè)廢水集中處理系統(tǒng)

工業(yè)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(tǒng)區(qū)域內(nèi)),工業(yè)廢水主要包括經(jīng)常性廢水和非經(jīng)常性廢水。根據(jù)所收集廢水水質(zhì)和水量的特點(diǎn),工業(yè)廢水處理系統(tǒng)如下:工業(yè)廢水來(lái)水→廢水貯存池(經(jīng)常性廢水池和非經(jīng)常性廢水池)→pH值調(diào)整、反應(yīng)絮凝槽→斜板澄清器→最終中和池→清凈水池→至水工回用系統(tǒng)。

廢水處理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)考慮和中水及鍋爐補(bǔ)給水處理設(shè)施聯(lián)合布置。其中,經(jīng)常性廢水貯存池(兼補(bǔ)給水中和水池)、非經(jīng)常性廢水貯存池、最終中和池,清凈水池連續(xù)布置在一起,為地下建筑。卸酸堿、凝聚劑、助凝劑及其儲(chǔ)存等和補(bǔ)給水系統(tǒng)盡量共用及合并布置,pH值調(diào)整絮凝槽、斜板澄清器及各種加藥裝置、廢水輸送泵、羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備布置采用地上建筑集中布置。

5 生活污水處理系統(tǒng)

電廠生活污水包括廠區(qū)各建筑的廁所污水、洗滌污水等。常規(guī)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(shè)施。但由于埋地式檢修,維護(hù)不便,一般1～2年后出水水質(zhì)惡劣,不能滿足出水水質(zhì)要求。該工程生活污水處理采用簡(jiǎn)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

6.1 工藝系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

作者對(duì)方案進(jìn)行了比較及綜合分析,由于原水水質(zhì)較差,中水系統(tǒng)制水用于全廠工業(yè)水系統(tǒng),直接影響電廠的安全運(yùn)行,優(yōu)化設(shè)計(jì)推薦采用MBR工藝?？紤]到中水處理系統(tǒng)、鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)及廢水處理系統(tǒng)在工藝流程、公用系統(tǒng)、控制方面緊密相關(guān),管理同屬于化學(xué)水處理范圍,在該工程中提出了“水處理島”的概念,實(shí)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(yùn)行管理,節(jié)約占地面積,通過合并布置有效地節(jié)省了很多公用設(shè)施,大大降低了總體工程造價(jià)。通過優(yōu)化系統(tǒng)及聯(lián)合4個(gè)分系統(tǒng),省去了很多重復(fù)設(shè)置的中間設(shè)備。由于布置緊湊,系統(tǒng)間聯(lián)絡(luò)管道縮短,尤其對(duì)于寒冷地區(qū)還要考慮管道保溫,這些問題都得到了較好的解決。工藝優(yōu)化結(jié)果主要包括以下7個(gè)方面:

(1)水處理島的集中布置,使水處理系統(tǒng)連續(xù)。所以,在常規(guī)設(shè)計(jì)中,保證運(yùn)行安全的反滲透處理用的生水箱(1臺(tái)鋼制設(shè)備,500m3)可以節(jié)省,預(yù)處理用的清水池可以承擔(dān)反滲透生水箱的任務(wù),配套的生水泵可以節(jié)省,這樣,在運(yùn)行中節(jié)省了一級(jí)提升,減少了配電負(fù)荷。

(2)MBR出水水質(zhì)已經(jīng)可以直接供給反滲透進(jìn)水,超濾部分可以不用設(shè)置,所以,系統(tǒng)可以節(jié)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(tǒng)。

(3)分系統(tǒng)合并,酸堿貯存、加藥計(jì)量設(shè)施及設(shè)備可充分公用。水處理島方案有機(jī)地整合了多個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)備,把設(shè)備集中布置,使加藥設(shè)備的公用變成了現(xiàn)實(shí),既減少了設(shè)備,又為電廠的安全運(yùn)行提供了有力的保證。減少了藥劑的汽車運(yùn)輸距離,減少了藥劑轉(zhuǎn)輸?shù)沫h(huán)節(jié),減少了運(yùn)行維護(hù)的設(shè)備,減少了藥劑泄漏的威脅。

(4)RO濃水池、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)再生廢水池、經(jīng)常性廢水池合并公用。水處理島合并了多個(gè)分系統(tǒng),原分系統(tǒng)必須設(shè)置的廢水池也可以采用一個(gè)統(tǒng)一的綜合廢水池,RO濃水池、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)再生廢水池、經(jīng)常性廢水池合并為濃水池(經(jīng)常性廢水池),減少了占地面積和投資費(fèi)用。

(5)工業(yè)廢水的水泵型式由自吸泵改為離心泵。由于處理系統(tǒng)的合并,所有的水池統(tǒng)一布置,工業(yè)廢水用的經(jīng)常性廢水池和非經(jīng)常性廢水池均布置在水泵間的一側(cè),給設(shè)置離心水泵帶來(lái)了可能,常規(guī)工業(yè)廢水處理均設(shè)置自吸泵,以便于節(jié)省水泵間的土建費(fèi)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(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

(6)取消了地埋式生活污水裝置,生活污水經(jīng)簡(jiǎn)單處理后進(jìn)入中水深度處理系統(tǒng)。水處理島的預(yù)處理采用MBR處理。由于來(lái)水的生化需氧量BOD(BiochemicalQxygenDemand)比較低,氨氮比較高,硝化反應(yīng)的碳源不足,生活污水直接補(bǔ)充到MBR的生化池中,可以提高原水來(lái)水的碳氮比,對(duì)于硝化和反硝化反應(yīng)有一定的益處。

(7)工業(yè)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(shè)計(jì)采用統(tǒng)一布置的水池,這樣,預(yù)處理的清水池可作為工業(yè)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(yù)除鹽水池也可以作為消防水池備用。消防水泵、穩(wěn)壓泵等都可以設(shè)置在水泵房?jī)?nèi),節(jié)省了綜合水泵房和工業(yè)、消防水池。

6.2 布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

水處理島鍋爐補(bǔ)給水處理、廢水處理、污水處理、中水處理等設(shè)施作為水區(qū)集中布置在一起,使得整體工藝流程更加合理,廠區(qū)管道更短,減少占地面積并合并采用1個(gè)控制室進(jìn)行集中控制,便于運(yùn)行管理,可以節(jié)省建筑費(fèi)用。另外,考慮給排水專業(yè)的綜合水泵房與水處理島水泵房合并,內(nèi)設(shè)工業(yè)雜用水泵、化學(xué)泵、生活泵、空氣預(yù)熱器沖洗泵、消防水泵以及消防穩(wěn)壓裝置。廠區(qū)內(nèi)1000m3工業(yè)消防水池、1000m3化學(xué)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(zhǎng)138m、寬90m的一塊區(qū)域,總平面面積為12420m2。常規(guī)分散布置占地分別為78m×90m,102m×90m,75m×90m(長(zhǎng)×寬)的3個(gè)區(qū)域,總平面面積為22950m2。常規(guī)分散布置各處理單元的建筑物功能多有重復(fù),合并處理單元后,相同性質(zhì)的建筑面積會(huì)因?yàn)榻ㄖ?nèi)容納的設(shè)備數(shù)目變多而擴(kuò)大,但總的建筑數(shù)量是減少的,所以,總建筑面積也是減少的。常規(guī)分散布置和水處理島的各處理構(gòu)筑物的平面面積比較見表5。

表5 常規(guī)分散布置和水處理島的各處理構(gòu)筑物的平面面積比較

比較以上建筑物的統(tǒng)計(jì)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(guī)布置方案的建筑面積節(jié)省約1220m2(相當(dāng)于常規(guī)處理島總建筑面積的14%),水處理島總占地面積節(jié)省約10530 m2(相當(dāng)于常規(guī)處理總占地面積的45.9%)。

6.3 電控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)方面,對(duì)水處理島內(nèi)中水處理、鍋爐及熱網(wǎng)補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)和其他電廠水處理系統(tǒng)的75kW以下小負(fù)荷電機(jī)按DL/T 5153—2002《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》列入MCC段,考慮到節(jié)省電纜設(shè)施等材料,這部分MCC將設(shè)置在各單元就地,對(duì)大于75kW及以上的設(shè)備將考慮由主廠房電氣配電間的PC段統(tǒng)一配電,減少各單元變壓器設(shè)備和就地電氣配電間?？刂圃O(shè)計(jì)方面,整個(gè)水處理島系統(tǒng)可以整合為水網(wǎng)集中控制系統(tǒng),便于對(duì)水系統(tǒng)的控制。部分就地控制室可以合建。這樣,有利于減少運(yùn)行維護(hù)人員,減少控制人員,減少設(shè)備投資,減少基建成本。

7 結(jié)論

該工程通過采用水處理島理念的優(yōu)化設(shè)計(jì),工藝系統(tǒng)節(jié)約直接設(shè)備投資約630萬(wàn)元,電氣系統(tǒng)節(jié)約投資約60萬(wàn)元,控制系統(tǒng)節(jié)約投資60萬(wàn)元,土建投資節(jié)省約840萬(wàn)元,安裝費(fèi)用節(jié)省約800萬(wàn)元。由于水質(zhì)惡劣,系統(tǒng)優(yōu)化中工藝設(shè)備采用新工藝MBR,工藝設(shè)備費(fèi)對(duì)比常規(guī)處理方案增加投資約1370萬(wàn)元,最終水處理島處理方案節(jié)省投資約1020萬(wàn)元。比較水處理島方案和常規(guī)處理方案可知,水處理島方案節(jié)省占地面積約10530m2(相當(dāng)于常規(guī)處理島總占地面積的45.9%),建筑面積節(jié)省約1220m2(相當(dāng)于常規(guī)處理島總建筑面積的14%)。

由于設(shè)備集中布置、建筑集中設(shè)置,系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,水處理島布置方案集成了4個(gè)水處理分系統(tǒng),理論上可以節(jié)省3套系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)人員。由于設(shè)計(jì)充分考慮了建設(shè)節(jié)約型企業(yè)的理念,系統(tǒng)在保證節(jié)能降耗、節(jié)水和環(huán)保措施基礎(chǔ)上重點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)和布置方案的論證和比選,推出了與傳統(tǒng)的分散布置模式不同的新模式——水處理島布置。整個(gè)水處理系統(tǒng)布局合理、自動(dòng)化水平高,降低了工程造價(jià),為電廠今后實(shí)施現(xiàn)代化運(yùn)行管理創(chuàng)造了良好條件。

[1]中國(guó)華電集團(tuán)公司.火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)體系[M].北京:水利水電出版社,2007.

[2]EelcovanBeek.火力發(fā)電廠節(jié)能評(píng)價(jià)體系[M].宋心同,張勇,等譯.鄭州:黃河水利出版社,2008.

[3]梁英.2000年燃煤示范電廠總平面布置——寧夏石嘴山電廠4×330MW工程[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2007(S1):23-27.