蔣 瑞 戚蘭英 王明光

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048）

1 概

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線干線工程唯一的一座加壓泵站，擔(dān)負(fù)著向北京城市供水的重要任務(wù)。泵站位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)惠南莊村東，與河北省涿州市相鄰，距北京市區(qū)約 60km?；菽锨f泵站屬大（I）型泵站，為一等工程，主要建筑物為1級(jí)，次要建筑物為3級(jí)，設(shè)計(jì)地震烈度7度。泵站規(guī)模按流量60m3/s設(shè)計(jì)，安裝有8臺(tái)臥式單級(jí)雙吸離心泵機(jī)組，6用2備，單機(jī)流量10m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程58.2m，單機(jī)功率7300kW，總裝機(jī)容量58.4MW。

惠南莊泵站前為長距離明渠輸水，易產(chǎn)生水藻、釘螺等微生物，泵站后為兩條直徑為 4m的 PCCP管輸水，每條PCCP管道長約56km，為抑制輸水管道內(nèi)藻類等微生物滋生，確保供水水質(zhì)符合要求及輸水管道安全、正常工作，在泵站前池設(shè)置一套加氯系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入前池的水進(jìn)行加氯處理。氯的投加量隨PCCP管道輸水流量及季節(jié)而變化，即在高藻期及微生物繁生季節(jié)（主要為 6~9月）投加量為144~432kg/h，在冬季和低藻期，可減少投加量或不投加。加氯系統(tǒng)設(shè)備布置在泵站的全封閉式的加氯間內(nèi)。加氯間設(shè)置有防盜安全門窗、報(bào)警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等安全防范系統(tǒng)設(shè)施。

2 原設(shè)計(jì)的加氯方案

在泵站廠區(qū)設(shè)置一座全封閉式的加氯間，建筑面積約666.40m2，包括氯庫、漏氯吸收間、蒸發(fā)器室、加壓水泵間及配電控制室、值班室等。

氯投加量按2mg/L設(shè)計(jì)，惠南莊泵站設(shè)計(jì)最大輸水流量為 60m3/s，因此，泵站最大氯投加量為432kg/h。液氯儲(chǔ)存量按照最大輸水流量時(shí)滿足一個(gè)星期的氯投加量設(shè)計(jì)，即泵站最大液氯儲(chǔ)存量為72t。12液氯采用72個(gè)容積為800L、充填液氯為1000kg的氯瓶?jī)?chǔ)存，氯瓶存放于加氯間的兩個(gè)氯庫內(nèi)，每個(gè)氯庫存放 36瓶，均分兩組供氯，即每組氯源為18瓶液氯，并可根據(jù)電子稱計(jì)量實(shí)現(xiàn)空瓶組和滿瓶組之間自動(dòng)切換。17

氯的投加點(diǎn)設(shè)在泵站前池。氯瓶中液氯通過管道輸送至蒸發(fā)器，通過蒸發(fā)器加熱后將液氯轉(zhuǎn)變成氯氣，然后通過加氯機(jī)控制加氯量后經(jīng)水射器及管道向前池水中投加。氯投加量根據(jù)泵站輸水流量確定，可由加氯機(jī)自動(dòng)控制。為防止漏氯事故，在兩個(gè)氯庫及蒸發(fā)器室內(nèi)各設(shè)一套漏氯報(bào)警儀，在漏氯吸收間設(shè)置一套漏氯吸收裝置，并備有防護(hù)用具。

加氯間設(shè)置有防盜安全門窗、報(bào)警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等安全防范系統(tǒng)設(shè)施，其中入侵報(bào)警信號(hào)上傳至泵站消防安防監(jiān)控室安防報(bào)警主機(jī)；視頻信號(hào)上傳至泵站中控室、管理控制樓，并可實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至上級(jí)監(jiān)管部門。

工藝流程如圖1所示。

圖1 加氧 原設(shè)計(jì)工藝流程圖

3 原加氯方案優(yōu)化的必要性

3.1 安全形勢(shì)發(fā)展 要

惠南莊泵站最大儲(chǔ)氯量為 72噸，日最高使用量10噸，屬于嚴(yán)格控制危險(xiǎn)源。2008年奧運(yùn)會(huì)以來，生產(chǎn)安全問題已經(jīng)成為北京市重點(diǎn)關(guān)注問題，管理日益嚴(yán)格，2010年北京市安全監(jiān)督局頒發(fā)了《北京市危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源安全管理辦法（試行》，北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局也發(fā)布了“危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫建設(shè)及儲(chǔ)存安全規(guī)范”對(duì)氯氣的生產(chǎn)、管理及運(yùn)輸?shù)榷甲龀隽烁訃?yán)格的規(guī)定，且北京市內(nèi)已無液氯生產(chǎn)廠家，液氯使用需要外省市采購，運(yùn)輸過程有較高的危險(xiǎn)性，一旦在運(yùn)輸或使用過程中發(fā)生交通事故，造成氯氣外泄，事故的影響力很大，特別是在北京，任何大事故都會(huì)造成重大的國際影響。

3.2 泵站周 情況復(fù)雜

受泵站地理?xiàng)l件限制，加氯間位于泵站廠區(qū)東側(cè)中部位置，周邊居民較多，如發(fā)生漏氯事故，居民疏散困難，容易給周邊居民生命及財(cái)產(chǎn)安全造成損失。

3.3 外 因素影響大

近年來，北京市已經(jīng)嚴(yán)格控制劇毒化學(xué)品的使用，陸續(xù)取消了液氯的使用，目前除水源九廠還在繼續(xù)使用液氯對(duì)水進(jìn)行消毒處理外，其余水廠、醫(yī)院等原用氯單位已采取替代工藝進(jìn)行消毒處理，新的用氯項(xiàng)目審批難度較大。

4 加氯方案優(yōu)化的目的和意義

惠南莊泵站作為南水北調(diào)中線干線工程唯一的一座加壓泵站，是整個(gè)南水北調(diào)中線工程的樞紐，具有流量大、重要程度高等特點(diǎn)，一旦發(fā)生事故，對(duì)整個(gè)工程及社會(huì)的影響不可估量。本次優(yōu)化方案的主要目的就是降低工程運(yùn)行管理難度和風(fēng)險(xiǎn)，盡快通過項(xiàng)目審批，確保工程安全運(yùn)行，使工程及早發(fā)揮效益。

5 優(yōu)化方案研究

本次加氯方案優(yōu)化，以原設(shè)計(jì)工程加氯方案為基礎(chǔ)，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.1 方案比

目前，從水體除藻的方式來說，主要有氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯等幾種。

5.1.1 氯氣

氯氣除藻是利用氯氣溶解于水生成次氯酸和次氯酸根：

氯除藻主要是通過中性分子次氯酸HOCL擴(kuò)散到帶負(fù)電藻類表面，并通過藻類的細(xì)胞穿透到細(xì)胞內(nèi)部。當(dāng)HOCL分子到達(dá)藻類細(xì)胞內(nèi)部時(shí)，能起氧化作用破壞藻類內(nèi)部系統(tǒng)而使藻類死亡。

氯氣投加作為傳統(tǒng)水體消毒除藻方式是最為經(jīng)濟(jì)的，但目前北京市內(nèi)已經(jīng)沒有液氯生產(chǎn)廠家，氯氣使用單位需要到外地購買氯氣，這就存在氯氣運(yùn)輸、管儲(chǔ)方面的不安全性，如果一旦出現(xiàn)交通事故，造成氯氣外泄，事故的影響力將比淮安液氯泄漏事故還要大，而這種安全風(fēng)險(xiǎn)是政府、社會(huì)各界都難以接受的，特別是在北京，任何大事故都會(huì)造成重大的國際影響；氯氣等氣體的極強(qiáng)擴(kuò)散性對(duì)環(huán)境存在毒害作用，日益受到人們的關(guān)注，管理也日趨嚴(yán)格，被其余消毒劑所取代已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。

5.1.2 二氧化氯

二氧化氯（ClO2）在常溫常壓下是黃綠色氣體，沸點(diǎn) 11℃，凝固點(diǎn)-59℃，極不穩(wěn)定，在空氣中濃度超過 10%或在水中濃度超過 30%時(shí)具有爆炸性。因此使用時(shí)必須以水溶液的形式現(xiàn)場(chǎng)制取，立即使用。同時(shí)二氧化氯也是一種對(duì)人體有害的氣體，其毒性與氯氣相似。

二氧化氯的制備是把氯酸鹽水溶液和鹽酸經(jīng)供料系統(tǒng)定量輸送至反應(yīng)系統(tǒng)吸收后，形成一定濃度的二氧化氯復(fù)合溶液，然后投入待處理水中：

由于制取二氧化氯需要使用氯酸鈉，所以運(yùn)行成本很高。此外國內(nèi)生產(chǎn)二氧化氯發(fā)生器的廠家很少有掌握生產(chǎn)二氧化氯水溶液這種較高安全性技術(shù)，多數(shù)都是采用氯酸鈉同鹽酸定量滴定，控制反應(yīng)生成量的辦法來實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)備成本很低，但安全性較差，稍不謹(jǐn)慎就會(huì)釀成事故，管理上需要特別細(xì)心。國家正在通過技術(shù)部門對(duì)于此類設(shè)備的安全性提出質(zhì)詢和鑒定，有關(guān)方面的專家要求對(duì)其進(jìn)行技術(shù)規(guī)范或者取締和淘汰。

根據(jù)本工程投加量較大的特點(diǎn)，需要現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存大量的鹽酸溶液，其運(yùn)輸及儲(chǔ)存也存在危險(xiǎn)性。

5.1.3 次氯酸鈉

次氯酸鈉的分子式是NaOCl，屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，是一種能完全溶于水的液體。次氯酸鈉的除藻原理主要是通過它的水解形成次氯酸，通過次氯酸的強(qiáng)氧化性進(jìn)行除藻。

次氯酸鈉液是一種非天然存在的強(qiáng)氧化劑，它清澈透明，互溶于水，能夠解決象氯氣、二氧化氯、臭氧等氣體消毒劑所存在的難溶于水而不易做到準(zhǔn)確投加的技術(shù)困難，消除了液氯、二氧化氯等藥劑時(shí)常具有的跑、泄、漏、毒等安全隱患，消毒中不產(chǎn)生有害健康和損害環(huán)境的副反應(yīng)物，能夠有效地消除水中藻類。但是，由于次氯酸鈉液不易久存（有效時(shí)間大約為一年），溶液濃度高也更容易揮發(fā)，本工程供水流量較大，現(xiàn)場(chǎng)制備難度較高，需要大量外購低濃度次氯酸鈉成品溶液，運(yùn)行成本較高。

根據(jù)以上分析，考慮運(yùn)行安全，管理方便等因素，并結(jié)合本工程供水流量大，流量變化范圍大，投加分季節(jié)不均勻的情況，本次改造擬采用投加次氯酸鈉的方式進(jìn)行除藻處理，采用外購濃度約10%的成品次氯酸鈉，現(xiàn)場(chǎng)投加。

5.2 優(yōu)化方案工藝流程

結(jié)合工程實(shí)際情況和以往除藻劑使用情況，本次改造最大有效氯投加量仍按2.0mg/L設(shè)計(jì)，根據(jù)水質(zhì)情況，投加量可在0.5~2.0mg/L范圍內(nèi)調(diào)整，10%濃度次氯酸鈉溶液投加量約為 1080~4320L/h。次氯酸鈉投加工藝流程如圖2所示。

圖2 次氯 投加系統(tǒng)流程圖

外購次氯酸鈉溶液通過罐車運(yùn)輸至惠南莊泵站廠區(qū)，通過加料泵打入次氯酸鈉儲(chǔ)存罐儲(chǔ)存。PCCP管道需要除藻處理時(shí)，打開次氯酸鈉儲(chǔ)存罐出口閥門，根據(jù)來水流量及投加濃度，通過計(jì)量泵，將溶液投加入惠南莊泵站前池。計(jì)量泵后設(shè)置背壓閥、安全閥、緩沖器、止回閥等，保證次氯酸鈉溶液安全準(zhǔn)確投加。

5.3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

次氯酸鈉選用外購成品溶液，有效氯含量不小于10%。投加系統(tǒng)包含儲(chǔ)存和投加兩部分，由于次氯酸鈉溶液所含的有效氯易受陽光、溫度的影響而分解，不宜久存，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè) 30m3儲(chǔ)罐 8個(gè)，儲(chǔ)罐總?cè)莘e為240m3，可滿足最小投加量0.5mg/L時(shí)9.2天、最大投加量2mg/L時(shí)2.3天的投加需求。儲(chǔ)罐采用滿足飲用水衛(wèi)生要求的材質(zhì)，要求使用壽命不低于15年。投加系統(tǒng)設(shè)4臺(tái)投加計(jì)量泵，2用2備，單泵投加能力為2500L/h，分2路投加管道投加，投加管道與原系統(tǒng)水射器出口管路相連，分兩路投加至惠南莊泵站前池。

投加系統(tǒng)配置相應(yīng)的安全閥、逆止閥、背壓閥等相關(guān)設(shè)備。系統(tǒng)可按流量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投加，并可根據(jù)需要調(diào)整投加量。

根據(jù)現(xiàn)有加氯間布置，本次優(yōu)化方案新增加儲(chǔ)存及投加設(shè)備可全部放置于原氯庫內(nèi)，同時(shí)拆除原氯庫內(nèi)原有加氯設(shè)備，每個(gè)氯庫內(nèi)新安裝 30m3儲(chǔ)罐4個(gè)，投加泵2臺(tái)，對(duì)現(xiàn)氯庫地面基礎(chǔ)做相應(yīng)處理。每個(gè)氯庫內(nèi)設(shè)置集水坑一處，內(nèi)設(shè)耐酸排污泵，如發(fā)生次氯酸鈉溶液泄露，可將廢液排至原增壓泵吸水池臨時(shí)儲(chǔ)存，待專業(yè)廠家回收或處理。工程配置控制系統(tǒng)一套對(duì)次氯酸鈉投加系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，工作方式采用現(xiàn)場(chǎng)集中控制、中控監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的方式。

氯酸鈉投加系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集中控制分為投加泵現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制以及自動(dòng)控制兩種方式，互為備用。PLC與站控級(jí)通訊口為 RS485，通訊規(guī)約為PROFIBUS-DP?？刂乒馪LC具有足夠的模擬輸入口，用于接受由中控室或泵站總管流量計(jì)發(fā)出的4~20mA信號(hào)，以根據(jù)進(jìn)水水流量控制投加計(jì)量泵的投加量，并同時(shí)將實(shí)際投加量反饋至中控室。

6 結(jié)語

（1）通過對(duì)惠南莊泵站加氯系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在滿足原設(shè)計(jì)目的的前提下，降低了原設(shè)計(jì)方案使用中的風(fēng)險(xiǎn)性，有利于原工程的日常運(yùn)行及維護(hù)。

（2）消除了原設(shè)計(jì)中劇毒化學(xué)品的危險(xiǎn)源，能夠加快工程審批進(jìn)度，保證工程提早投入使用，發(fā)揮其工程效益。

（3）降低了可能引發(fā)的工程事故給周邊居民帶來的危險(xiǎn)性。

（4）實(shí)際使用過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輸水管道內(nèi)水藻和貝類等水生物的生長情況調(diào)查，以便優(yōu)化次氯酸鈉投加量。