海水脱硫直流供水系统虹吸井设置原则

张国罡

(中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

1 概述

为了防止SO2对大气的污染，燃煤电厂必须进行烟气脱硫。其中，海水烟气脱硫技术成熟、工艺简单、投资及运行费用低，广泛应用于沿海地区采用海水直流供水系统的燃煤电厂。

采用直流供水系统的电厂一般都设置虹吸井，虹吸井在系统中的主要作用有：第一是在正常运行工况下(稳态时)使凝汽器内水压力始终保为负值，形成虹吸现象，以减少循环水泵的出力，降低厂用电量；第二是在事故工况下(系统发生水力瞬态过程时)，保证凝汽器循环水的虹吸作用不被破坏，利用大气压力和虹吸井中水位及水量，使凝汽器排水管产生倒流虹吸作用，减缓凝汽器出口压力的下降幅度，防止凝汽器出水管因水锤作用产生过大的负压而发生水柱分离的情况。

采用海水脱硫的直流供水系统中，脱硫往往利用机组循环冷却水系统的排水。在经过凝汽器之后，机组冷却水排水中一部分用泵抽至吸收塔与烟气发生反应，反应后的酸性海水排至曝气池与剩下的未发生反应的冷却水排水混合并曝气，水质恢复后排入大海。为了获得稳定的曝气池水位，避免外海潮位的影响，海水脱硫曝气池需设置排水堰，而且排水堰一般按较高潮位设计，以减少曝气池深度、降低曝气风机出力以及运行能耗。这样，在循环水排水管路上就有虹吸井堰以及曝气池出口堰两道堰，作用上有重复。因此，有文章提出大多带海水脱硫直流供水冷却系统中的虹吸井均可取消，但在实际设计过程中，大部分采用海水脱硫的直流供水系统仍按常规直流供水系统设置了虹吸井。

本文结合某电厂实例，从稳态及瞬态两方面进行分析，研究采用海水脱硫的直流供水系统的虹吸井设置原则。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本电厂位于越南南部沿海，建设规模为2×622.5 MW机组，循环水系统采用单元制海水直流供水方式，一机两泵，每台机组设计循环水量28 m3/s。

机组冷却水系统主要流程为：

方案1(设置虹吸井方案)：外海→循环水进水箱涵及明渠→前池→循环水泵房→循环水供水管→凝汽器→循环水排水管→虹吸井→排水箱涵→海水脱硫前池及曝气池→排水箱涵→排水闸门井→排水钢管→外海。

方案2(取消虹吸井方案)：外海→循环水进水箱涵及明渠→前池→循环水泵房→循环水供水管→凝汽器→循环水排水管→海水脱硫前池及曝气池→排水箱涵→排水闸门井→排水钢管→外海。

两方案的主要区别在于方案2取消了虹吸井以及之后的排水箱涵，循环水排水直接由凝汽器通过压力钢管排至曝气池，其他与方案1相同。

取排水特征潮位为：1%高潮位2.20 m；多年平均高潮位1.04 m；多年平均潮位0.03 m；多年平均低潮位－0.98 m；97%低潮：－2.85 m。(高程系统均采用绝对高程)。

2.2 稳态水力计算

以平均低潮位为取水设计水位，分别对方案1与方案2进行循环水水力计算，结果见表1。

表1 循环水水力计算表

由表1可知，方案1与方案2循环水泵扬程基本相同，因为为了满足曝气池稳定运行，曝气池排水堰顶标高较高，雍高了虹吸井水位，使虹吸井内水位远高于虹吸井堰顶标高，虹吸井堰实际上已失去作用，虹吸井成为一个普通连接井，对系统高程影响很小。

另外两个方案供水系统最大虹吸利用高度均小于8 m，满足凝汽器出口最高点的绝对压力不宜低于20～30 kPa的要求，可保证系统安全运行。

因此，在正常运行工况下，虹吸井已经失去了保证虹吸的作用，虹吸井内堰可以取消。

2.3 瞬态计算

本工程循环水系统瞬态过程主要发生在启泵和停泵阶段，主要可以分为以下五个工况：第一台泵启动工况；1台泵运行，第2台泵启动工况；1台泵运行，事故停泵工况；2台泵运行，同时事故停泵工况以及2台泵运行，其中一台泵事故停泵工况。

瞬态分析过程中主要关注的参数包括最大水锤压力、最小水锤压力、循环水泵最大反转速及历程以及虹吸井水位波动等。通过数值计算，系统最大水锤压力发生在第一台泵启动工况；最小水锤压力发生在两台泵同时事故停泵工况；循环水泵最大反转速出现在2台泵运行，其中一台泵事故停泵工况；而虹吸井最高涌波水位出现在两台泵同时事故停泵工况。具体计算结果见表2及图1～图4。

表2 循环水系统瞬态各主要参数极值及发生工况

图1 第一台泵启动工况循泵出口压力过程曲线

图2 两泵同时事故停泵工况凝汽器出口压力波动曲线

图3 2台泵运行，其中一台泵事故停泵工况循泵转速变化过程曲线

图4 方案1两泵同时事故停泵工况虹吸井水位波动过程曲线

根据以上计算结果可知，瞬态过程中，方案2取消虹吸井方案最大最小水锤压力均比方案1严重，尤其是两泵同时事故停泵工况，在第5秒左右凝汽器出水管已经形成真空，发生了水柱分离现象，产生了水锤事故。这主要是因为本工程曝气池离主厂房很远，凝汽器出口至曝气池压力钢管长度有约600 m，压力管道中水量较多，惯性较大，发生瞬态过程时水流无法在短时间内(凝汽器出口压力下降到绝对真空之前)停止运动并倒流至凝汽器中，使得凝汽器中发生水柱分离的现象。

而方案1中，在凝汽器与曝气池之间设置了虹吸井，虹吸井离凝汽器较近，虹吸井实际上已经变成一个调压井，在瞬态过程中可以有效调节系统水锤特性，降低以及避免系统发生水锤事故风险。但同时也需要注意，由于此时虹吸井已经成为一个调压井，如图4所示，虹吸井内水位波动会很大，比常规不带海水脱硫的直流供水系统虹吸井水位波动大很多，在虹吸井的高程设计中必须考虑这一点，防止冷却水从虹吸井中溢出对电厂造成事故。

3 分析及优化

(1)曝气池至凝汽器临界距离分析：根据上述瞬态分析结果，方案2凝汽器出水管发生水柱分离的主要原因是曝气池离凝汽器太远，压力钢管太长造成的。因此，缩短凝汽器出口至曝气池压力钢管长度进行分析计算，计算结果表明当该段压力钢管小于80 m时，可以保证凝汽器出口管道不发生水柱分离现象，也就是说，此时，不需要设置虹吸井也可以保证循环水系统安全运行。

(2)虹吸井优化设计分析：根据上述分析，本工程虹吸井已经实际上变成调压井，设计中已经不需要按常规虹吸井进行设计。原设计虹吸井面积为135 m2，最高涌波水位7.65 m，虹吸井顶板标高8.00 m。通过计算，将虹吸井面积减为16 m2之后，仍可以保证事故工况下凝汽器出口管不发生水柱分离现象，而此时虹吸井内最高涌波水位仅提高了0.4 m，为8.05 m，虹吸井顶板标高可按8.50 m设计。虹吸井总面积大大减小，但高度增加不多，总的工程量大大减小。

4 结论

(1)采用海水脱硫的直流供水系统，在曝气池出口堰可以保证机组虹吸利用高度的情况下，可以取消虹吸井堰。

(2)当根据机组布置，曝气池与凝汽器距离很近，经过瞬态计算保证机组安全运行情况下，可以取消虹吸井。

(3)当曝气池与凝汽器距离较远时，虹吸井仍需要设置，但此时虹吸井的功能已经变成调压井，不需按常规虹吸井设计，直接按调压井设计，可大大减少虹吸井工程量。

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[3]高坤华．海水脱硫对直流循环冷却水系统的影响[J]．电力勘测设计，2010，(1)．

[4]陈付山．火电厂冷却水系统水力过渡过程计算研究[D]．南京：河海大学，2005．