燃气—蒸汽联合循环电厂水工系统布置优化探讨

杜虹晔，赵春楠，李春光

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 130021)

0 引言

我国是能源消耗大国，传统的燃煤电站每年要消耗大量的煤炭资源，并对大气造成巨大的污染。天然气资源丰富，具有清洁、安全可靠等优点，可以满足人类对能源较长时期的需求，同时其价格波动也比油价小。基于以上优点，近年来采用天然气作为燃料的燃气—蒸汽联合循环电厂(以下简称“联合循环电厂”)在长三角、珠三角等电力需求较大地区得到大量的建设与应用。本文基于深圳市某电厂联合循环机组扩建工程水工专业设计工作，提出了几种水工系统布置设计优化的可行方案。

1 工程概况

1.1 地理位置

深圳市某电厂地处深圳市福田区和南山区的接壤地段，交通便利。该电厂不仅是深圳市中心区的可靠电源，同时也将是深圳中心区稳定而环保的热源供应中心。

1.2 装机容量

该电厂始建于1991年3月，是当时为解决特区严重缺电局面而建设的基础设施项目，投入运行至今一直是深圳市的主力调峰电厂，也是我国最早引进大型燃气轮机及燃气—蒸汽联合循环发电技术的工程之一，二十年来为深圳市电网供电总计达200多亿kWh。

电厂分前后三期建成：一期工程总容量为104.88 MW，1992年8月并网发电，目前该机组已停运；二期工程为1套GT13E2联合循环机组，全套机组总容量为244 MW，于1995年5月并网发电；三期工程(燃油改燃气工程)为2套E级联合循环机组，总容量为400 MW级，2006年第一套9E机组已并网发电，总功率约为185 MW。第二套E级机组工程为本文所涉及工程。

1.3 建设规模

本工程为电厂三期燃油改燃气工程的续建项目(2号E级机组工程)。建设占地总面积约18 000 m2。电厂本次续建规模为1套GT13E2燃气—蒸汽联合循环单元机组，即以1套GT13E2燃气轮发电机组，1台三压余热锅炉与1套三压、单缸、冲动凝汽式汽轮机组构成的258 MW级“1+1+1”联合循环单元机组。全厂装机为“1×9E+2×GT13E2”构成的3套一拖一的联合循环单元机组，总容量为687 MW。燃料为进口液化天然气。电气出线电压等级为220 kV。机组投产后，对于增强地方电网的调峰能力，提高一次能源的利用率，降低供电成本，逐步实现深圳中心区热、电、冷联供具有现实意义。

2 优化方案

由于该电厂位于深圳市中部地区，厂内可供使用的土地十分紧张，需考虑对各个系统进行优化设计，压缩布置，从而减少占地。

电厂水工专业的优化布置主要体现在冷却水系统、工业水系统、消防系统及雨水回收系统等四个方面。

2.1 冷却水系统

本期新建1台13E2联合循环燃气机组，采用循环冷却水系统，补给水源为城市自来水。该电厂原有2台E级机组，拆除其中1台9E机组的循环水泵、循环水管以及三段机械通风冷却塔。本期机组建成后与老厂另一台9E机组共用冷却设施，两台机组总循环水量为31 650 m3/h，经核算后给出两种冷却水系统布置方案。

方案一：在电厂内平行建设两列共八格机械通风冷却塔，单格尺寸15 m×16.5 m，采用双侧进风方式。在冷却塔周围建设一座循环水泵房，在泵房内布置2台循环水泵(1台工频，1台变频)，从吸水前池取水为两台机组的凝汽器及辅机提供冷却水。单泵流量为16 000 m3/h。水泵入口前设置必要的清污装置。循环水泵采用循环水泵房与冷却塔间通过回水沟进行连接。供水及回水管道采用母管制。主管道管径DN2 000 mm钢管，13E2机组供水支管为DN1 600 mm钢管，9E机组供水支管为DN1 400 mm钢管，管道地下部分平行敷设，埋深考虑700 mm左右覆土保护厚度。

方案二：在拆除的冷却塔位置新建一列六格机械通风冷却塔，单格尺寸19 m×17.2 m，采用双侧进风形式，厂外一侧设置隔音栅。紧邻冷却塔设置一座循环水泵坑，露天布置，泵坑内设置排水泵。内设两台循环水泵(1台工频，1台变频)，单泵流量为16 000 m3/h，为2台机组的凝汽器及辅机提供冷却水。水泵防护等级需提高至IP56级。循环水泵前后阀门紧凑布置，泵出口管道上φ800 mm检修人孔与三通合并设置，如图1所示。考虑到水源水质较好，在吸水口前设置格栅，起到截污作用。供水及回水管道采用母管制[1]，主管道管径DN2 000 mm钢管，13E2机组供水支管为DN1 600 mm钢管，9E机组供水支管为DN1 400 mm钢管。化学水车间南侧为新建13E2机组循环水系统进回水管路通道，但现有宽度不够两根管道平行布置，绕行会大大增加管道长度及沿程阻力，影响机组运行效果。电厂内地下3 m左右即为基岩层，无地下水存留。故采用上下叠层布置，提高管道布置标高。依据管道承重及稳定计算结果要求，在循环水管道上方靠近地面位置配置加强钢筋，混凝土保护面积为管道中心线两侧各2 m，保护厚度300 mm。下方管道外侧采用混凝土封闭，提高承重能力并防止管道漏水情况出现，如图2所示。

图1 上下叠层布置的循环水管

图2 循环水泵布置断面

方案二较方案一的布置进行了多方优化，具体主要体现在以下几方面：

1)循环水泵坑紧邻冷却塔布置，取消循环水泵房、吸水前池和循环水回水沟，减小占地的同时又降低了投资。吸水口前设置格栅，采用人工打捞清理。节约占地，便于维护；

2)选用少段数，大尺寸机械通风冷却塔。采取双侧进风，背靠背方式布置在厂界附近。与常规双侧进风双排塔方案对比，压缩了纵向占地长度，同时也节省了双列塔间必要的净空间距；

3)循环水管上下叠层布置，在有限的空间内实现了管道的顺利敷设，避免了管道的绕道，减少了管材的使用量和平面占地面积。提高管道标高，减小了基岩开挖及土方回填量。

具体对比指标如表1所示。

表1 冷却水系统方案对比指标

2.2 工业水系统

电厂三期第一台机组冷却水系统采用循环冷却系统，水源取自城市自来水系统。本期循环水补水水源仍为城市自来水，水质较好，循环水浓缩倍率取4[2]，利于节约用水。新建机组具备纯凝及抽气等多种运行工况，经全厂水务管理和水量平衡计算后，本期工程1套联合循环机组的补给水量如表2和表3所示。

表2 13E2机组纯凝工况补给水量(冷却倍率60)(m3/h)

表3 13E2机组抽气工况补给水量(冷却倍率76.3)(m3/h)

本期工程新增补给水最大量为356 m3/h。

工业水设计考虑新建和利用老厂现有系统两种方案。

方案一：独立敷设一根DN300 mm补给水管道，由厂外市政管网引接，直埋敷设，至各用户附近设置阀门井。

方案二：二期现有供水管道为DN500 mm，经核算原补给水系统具备向本期工程供水能力，考虑在原有管路上接引管道送至各用水点。深圳地处亚热带地区，不存在冰冻情况，故冷却塔补水阀门取消阀门井，采用地上布置。由于深圳临海，空气盐度大，腐蚀性强，地上阀门及管道采用加强级防腐措施。

两方案对比，方案二具有如下优点：

1)不再单独敷设补给水管，节省占地及投资；

2)阀门地上布置，便于检修维护。

具体对比指标如表4所示。

表4 工业水系统方案对比指标

2.3 消防系统

电厂原消防系统能力有限，无法兼顾新建机组，本期需新建独立的消防系统。提出两种可供选择的布置方案。

方案一：单独设置1套消防水池及消防水泵房。在厂内新建1座消防水泵房，泵房内设置3台消防水泵(2用1备)、2台稳压泵(1用1备)及1套稳压水罐[3]。在泵房附近新建1座300 m3消防水池。

方案二：取消消防水泵房，将5台消防系统水泵及1套稳压罐布置在循环水泵坑内。在冷却塔水池内部封闭隔离出1座300 m3水池作为消防贮水池。水泵从冷却塔水池及消防水池内公共取水。在冷却塔池排空清扫期间，消防水泵可从消防供池内取水，在消防水池清扫期间，消防水泵可从冷却塔池内取水。具体布置如图3所示。消防水池及冷却塔水池需要设置溢流和放空管道，二者整合布置节省占用的水池空间，如图4所示。

图3 消防水泵布置

图4 溢流和放空管道

两方案对比，方案二具有如下优点：

1)取消了消防水泵房和消防水池，节省占地及投资；

2)溢流和放空管道整合，节约占地，便于检修和运行。

具体对比指标见表5。

表5 消防系统方案对比指标

2.4 雨水回收系统

深圳市位于北回归线以南，属于南亚热带季风气候，易受到台风、强台风等热带气旋影响，从而形成强降雨。根据深圳市气候公报，造成风雨影响的年均台风数量为3.5个，而近6年(2015～2020年)年均台风数量上升为4 个，呈增加趋势。

在平均气温上升，城市“雨岛效应”和台风增加等因素的共同影响下，深圳市经常出现暴雨天气。

根据《深圳统计年鉴2020》和《深圳市气候公报(2020年)》，1990～2020年深圳市多年平均降水量达到了1 916.4 mm，年降水量较大。根据深圳市气候公报，2010～2020年近10 年局地暴雨及以上天数在波动中增加，2019年局部暴雨及以上天数达到了58 d。2019年5月23日，深圳市过程最大1 h滑动雨量达到136.5 mm，最大2 h滑动雨量达到189.9 mm，均刷新深圳有区域自动气象站以来最大1 h和最大2 h雨量历史记录。由此看出，深圳市有着丰富的降水资源可供利用。但与此同时，深圳市也是国内严重缺水城市之一，市政府近年来出台多项节水政策和措施，努力打造海绵型城市。

电力行业耗水量巨大，节水刻不容缓。回收利用雨水既能响应政府号召，节约水资源，又可以节约大量运行成本，提高电厂效益。

厂房屋面雨水的污染相对较小，汇水面积较大且集中，通过管道收集到蓄水池后可进行回收利用。为节约占地，本期工程在毗邻冷却塔南侧空地新建一座雨水回收池，水池有效容积125 m3。二者共用隔墙，如图5所示。厂区内敷设一根回收水管接收从厂区内建筑物屋顶上部汇集的雨水，输送至回收水池内进行贮存、沉淀。水池上部的澄清水可作为电厂循环水补水及绿化用水。雨水回收池需定期进行排空和清扫。全厂可利用屋面汇水面积约为5 400 m2，经近年实测数据统计，年可回用雨水约3 100 m3。

图5 雨水回收池

3 结语

随着我国城市化进程的加剧，电力需求量的增加，环境污染问题日益严重，联合循环电厂与燃煤电站相比下的优势日益凸显出来，必将在未来的电力能源领域得到越来越广泛的建设。经过多方努力，目前该电厂已经建设完成，机组达到设计出力，各系统运行状态良好，雨水回收系统每年为电厂节约大量水资源。文中列举的几种水工系统的布置方案，可为后续电站的优化设计提供借鉴和参考。