惠南庄泵站 水管 保护加氯方案优化

蒋 瑞 戚兰英 王明光

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048）

1 概

惠南庄泵站是南水北调中线干线工程唯一的一座加压泵站，担负着向北京城市供水的重要任务。泵站位于北京市房山区大石窝镇惠南庄村东，与河北省涿州市相邻，距北京市区约 60km。惠南庄泵站属大（I）型泵站，为一等工程，主要建筑物为1级，次要建筑物为3级，设计地震烈度7度。泵站规模按流量60m3/s设计，安装有8台卧式单级双吸离心泵机组，6用2备，单机流量10m3/s，设计扬程58.2m，单机功率7300kW，总装机容量58.4MW。

惠南庄泵站前为长距离明渠输水，易产生水藻、钉螺等微生物，泵站后为两条直径为 4m的 PCCP管输水，每条PCCP管道长约56km，为抑制输水管道内藻类等微生物滋生，确保供水水质符合要求及输水管道安全、正常工作，在泵站前池设置一套加氯系统，对进入前池的水进行加氯处理。氯的投加量随PCCP管道输水流量及季节而变化，即在高藻期及微生物繁生季节（主要为 6~9月）投加量为144~432kg/h，在冬季和低藻期，可减少投加量或不投加。加氯系统设备布置在泵站的全封闭式的加氯间内。加氯间设置有防盗安全门窗、报警系统、通信系统及视频监控系统等安全防范系统设施。

2 原设计的加氯方案

在泵站厂区设置一座全封闭式的加氯间，建筑面积约666.40m2，包括氯库、漏氯吸收间、蒸发器室、加压水泵间及配电控制室、值班室等。

氯投加量按2mg/L设计，惠南庄泵站设计最大输水流量为 60m3/s，因此，泵站最大氯投加量为432kg/h。液氯储存量按照最大输水流量时满足一个星期的氯投加量设计，即泵站最大液氯储存量为72t。12液氯采用72个容积为800L、充填液氯为1000kg的氯瓶储存，氯瓶存放于加氯间的两个氯库内，每个氯库存放 36瓶，均分两组供氯，即每组氯源为18瓶液氯，并可根据电子称计量实现空瓶组和满瓶组之间自动切换。17

氯的投加点设在泵站前池。氯瓶中液氯通过管道输送至蒸发器，通过蒸发器加热后将液氯转变成氯气，然后通过加氯机控制加氯量后经水射器及管道向前池水中投加。氯投加量根据泵站输水流量确定，可由加氯机自动控制。为防止漏氯事故，在两个氯库及蒸发器室内各设一套漏氯报警仪，在漏氯吸收间设置一套漏氯吸收装置，并备有防护用具。

加氯间设置有防盗安全门窗、报警系统、通信系统及视频监控系统等安全防范系统设施，其中入侵报警信号上传至泵站消防安防监控室安防报警主机；视频信号上传至泵站中控室、管理控制楼，并可实现通过网络上传至上级监管部门。

工艺流程如图1所示。

图1 加氧 原设计工艺流程图

3 原加氯方案优化的必要性

3.1 安全形势发展 要

惠南庄泵站最大储氯量为 72吨，日最高使用量10吨，属于严格控制危险源。2008年奥运会以来，生产安全问题已经成为北京市重点关注问题，管理日益严格，2010年北京市安全监督局颁发了《北京市危险化学品重大危险源安全管理办法（试行》，北京市质量技术监督局也发布了“危险化学品仓库建设及储存安全规范”对氯气的生产、管理及运输等都做出了更加严格的规定，且北京市内已无液氯生产厂家，液氯使用需要外省市采购，运输过程有较高的危险性，一旦在运输或使用过程中发生交通事故，造成氯气外泄，事故的影响力很大，特别是在北京，任何大事故都会造成重大的国际影响。

3.2 泵站周 情况复杂

受泵站地理条件限制，加氯间位于泵站厂区东侧中部位置，周边居民较多，如发生漏氯事故，居民疏散困难，容易给周边居民生命及财产安全造成损失。

3.3 外 因素影响大

近年来，北京市已经严格控制剧毒化学品的使用，陆续取消了液氯的使用，目前除水源九厂还在继续使用液氯对水进行消毒处理外，其余水厂、医院等原用氯单位已采取替代工艺进行消毒处理，新的用氯项目审批难度较大。

4 加氯方案优化的目的和意义

惠南庄泵站作为南水北调中线干线工程唯一的一座加压泵站，是整个南水北调中线工程的枢纽，具有流量大、重要程度高等特点，一旦发生事故，对整个工程及社会的影响不可估量。本次优化方案的主要目的就是降低工程运行管理难度和风险，尽快通过项目审批，确保工程安全运行，使工程及早发挥效益。

5 优化方案研究

本次加氯方案优化，以原设计工程加氯方案为基础，提出优化设计。

5.1 方案比

目前，从水体除藻的方式来说，主要有氯气、次氯酸钠、二氧化氯等几种。

5.1.1 氯气

氯气除藻是利用氯气溶解于水生成次氯酸和次氯酸根：

氯除藻主要是通过中性分子次氯酸HOCL扩散到带负电藻类表面，并通过藻类的细胞穿透到细胞内部。当HOCL分子到达藻类细胞内部时，能起氧化作用破坏藻类内部系统而使藻类死亡。

氯气投加作为传统水体消毒除藻方式是最为经济的，但目前北京市内已经没有液氯生产厂家，氯气使用单位需要到外地购买氯气，这就存在氯气运输、管储方面的不安全性，如果一旦出现交通事故，造成氯气外泄，事故的影响力将比淮安液氯泄漏事故还要大，而这种安全风险是政府、社会各界都难以接受的，特别是在北京，任何大事故都会造成重大的国际影响；氯气等气体的极强扩散性对环境存在毒害作用，日益受到人们的关注，管理也日趋严格，被其余消毒剂所取代已经成为必然趋势。

5.1.2 二氧化氯

二氧化氯（ClO2）在常温常压下是黄绿色气体，沸点 11℃，凝固点-59℃，极不稳定，在空气中浓度超过 10%或在水中浓度超过 30%时具有爆炸性。因此使用时必须以水溶液的形式现场制取，立即使用。同时二氧化氯也是一种对人体有害的气体，其毒性与氯气相似。

二氧化氯的制备是把氯酸盐水溶液和盐酸经供料系统定量输送至反应系统吸收后，形成一定浓度的二氧化氯复合溶液，然后投入待处理水中：

由于制取二氧化氯需要使用氯酸钠，所以运行成本很高。此外国内生产二氧化氯发生器的厂家很少有掌握生产二氧化氯水溶液这种较高安全性技术，多数都是采用氯酸钠同盐酸定量滴定，控制反应生成量的办法来实现，这样的设备成本很低，但安全性较差，稍不谨慎就会酿成事故，管理上需要特别细心。国家正在通过技术部门对于此类设备的安全性提出质询和鉴定，有关方面的专家要求对其进行技术规范或者取缔和淘汰。

根据本工程投加量较大的特点，需要现场储存大量的盐酸溶液，其运输及储存也存在危险性。

5.1.3 次氯酸钠

次氯酸钠的分子式是NaOCl，属于强碱弱酸盐，是一种能完全溶于水的液体。次氯酸钠的除藻原理主要是通过它的水解形成次氯酸，通过次氯酸的强氧化性进行除藻。

次氯酸钠液是一种非天然存在的强氧化剂，它清澈透明，互溶于水，能够解决象氯气、二氧化氯、臭氧等气体消毒剂所存在的难溶于水而不易做到准确投加的技术困难，消除了液氯、二氧化氯等药剂时常具有的跑、泄、漏、毒等安全隐患，消毒中不产生有害健康和损害环境的副反应物，能够有效地消除水中藻类。但是，由于次氯酸钠液不易久存（有效时间大约为一年），溶液浓度高也更容易挥发，本工程供水流量较大，现场制备难度较高，需要大量外购低浓度次氯酸钠成品溶液，运行成本较高。

根据以上分析，考虑运行安全，管理方便等因素，并结合本工程供水流量大，流量变化范围大，投加分季节不均匀的情况，本次改造拟采用投加次氯酸钠的方式进行除藻处理，采用外购浓度约10%的成品次氯酸钠，现场投加。

5.2 优化方案工艺流程

结合工程实际情况和以往除藻剂使用情况，本次改造最大有效氯投加量仍按2.0mg/L设计，根据水质情况，投加量可在0.5~2.0mg/L范围内调整，10%浓度次氯酸钠溶液投加量约为 1080~4320L/h。次氯酸钠投加工艺流程如图2所示。

图2 次氯 投加系统流程图

外购次氯酸钠溶液通过罐车运输至惠南庄泵站厂区，通过加料泵打入次氯酸钠储存罐储存。PCCP管道需要除藻处理时，打开次氯酸钠储存罐出口阀门，根据来水流量及投加浓度，通过计量泵，将溶液投加入惠南庄泵站前池。计量泵后设置背压阀、安全阀、缓冲器、止回阀等，保证次氯酸钠溶液安全准确投加。

5.3 优化方案设计

次氯酸钠选用外购成品溶液，有效氯含量不小于10%。投加系统包含储存和投加两部分，由于次氯酸钠溶液所含的有效氯易受阳光、温度的影响而分解，不宜久存，因此现场设 30m3储罐 8个，储罐总容积为240m3，可满足最小投加量0.5mg/L时9.2天、最大投加量2mg/L时2.3天的投加需求。储罐采用满足饮用水卫生要求的材质，要求使用寿命不低于15年。投加系统设4台投加计量泵，2用2备，单泵投加能力为2500L/h，分2路投加管道投加，投加管道与原系统水射器出口管路相连，分两路投加至惠南庄泵站前池。

投加系统配置相应的安全阀、逆止阀、背压阀等相关设备。系统可按流量实现自动投加，并可根据需要调整投加量。

根据现有加氯间布置，本次优化方案新增加储存及投加设备可全部放置于原氯库内，同时拆除原氯库内原有加氯设备，每个氯库内新安装 30m3储罐4个，投加泵2台，对现氯库地面基础做相应处理。每个氯库内设置集水坑一处，内设耐酸排污泵，如发生次氯酸钠溶液泄露，可将废液排至原增压泵吸水池临时储存，待专业厂家回收或处理。工程配置控制系统一套对次氯酸钠投加系统进行自动控制，工作方式采用现场集中控制、中控监视现场工作状态的方式。

氯酸钠投加系统现场集中控制分为投加泵现场手动控制以及自动控制两种方式，互为备用。PLC与站控级通讯口为 RS485，通讯规约为PROFIBUS-DP。控制柜PLC具有足够的模拟输入口，用于接受由中控室或泵站总管流量计发出的4~20mA信号，以根据进水水流量控制投加计量泵的投加量，并同时将实际投加量反馈至中控室。

6 结语

（1）通过对惠南庄泵站加氯系统设计优化，在满足原设计目的的前提下，降低了原设计方案使用中的风险性，有利于原工程的日常运行及维护。

（2）消除了原设计中剧毒化学品的危险源，能够加快工程审批进度，保证工程提早投入使用，发挥其工程效益。

（3）降低了可能引发的工程事故给周边居民带来的危险性。

（4）实际使用过程中应加强对输水管道内水藻和贝类等水生物的生长情况调查，以便优化次氯酸钠投加量。