韩买良,马学武,吴志勇

(1.中国华电工程(集团)有限公司,北京 100035;2.华电新疆发电有限公司昌吉热电厂,新疆昌吉 831100)

0 引言

电力是中国经济发展的命脉,已和煤炭、石油等基础能源并列,且为最不可缺少的能源。火力发电厂水处理岛的设计理念符合建设节约型企业的要求。近年来,全国在燃煤电站的设计中,正在进行以经济效益为中心的设计革命。中国华电集团公司设计了几个示范电厂,在系统优化基础上,重点进行了布置方案论证,对主厂房外的水处理系统,首次推出了与传统分散布置模式不同的新模式——以岛的形式集中布置。火力发电厂水处理通常由原水预处理、除盐水处理、凝结水精处理、工业废水处理、含煤废水处理、生活污水处理几部分组成,各处理构筑物通常按照处理单元分开独立布置,设有各自独立的厂房、控制室和运行维护人员。本文以某2×330 MW直接空冷供热机组为例,分析了将水处理系统各个单元有机地整合到一个水处理岛的优化设计方案。

1 基本概况

1.1 电厂用水及水源情况

该期工程2×330MW机组夏季纯凝工况中水补充水量为377m3/h(具体参数见表1),冬季供热工况中水补充水量为456.6m3/h。电厂工业用水(包括循环水系统补充水,化学补水等)均采用中水,中水处理量按照600m3/h设计。根据该项目水质监测承担单位提供的水质检验报告,所监测的项目中NH3-N,SS含量均超过GB8978—1996《污水综合排放标准》的二级标准,NH3-N最高超标20.4倍,平均值超标7.3倍,SS最高超标9.0倍,平均值超标4.4倍。由于污水处理厂出水水质严重超标,尤其氨氮指标较高,出水水质指标波动较大,不能满足电厂工业水系统直接回用的要求,必须进行深度处理才能使用。城市污水处理厂出水回用作为电厂用水,已成为缺水地区新建电厂项目的必然选择。同时,电厂必须建设中水深度处理设施对其进行深度处理后才能使用。目前,国内应用成熟的中水深度处理工艺主要有2种。

表1 2×330MW机组夏季补充水量m3/h

(1)曝气生物滤池+石灰澄清处理,主要适用于城市污水处理厂出水达到国家二级排放标准的情况,这种处理方式对城市污水处理厂出水有较严格要求,如出水水质波动大,深度处理后水质可能达不到回用标准,影响后续工业用水水质和化学水处理设备的运行。

(2)另一种中水深度处理方式是膜生物反应器工艺,该工艺采用生化处理和膜过滤结合的手段,出水水质好,可直接用作反渗透进水,省去了普通过滤、超滤等工序,且膜生物反应器对进水水质波动适应范围大,耐冲击负荷。

1.2 水量平衡及节水措施

在采用中水的基础上,尽量选用节水型设备及节水工艺,该工程水平衡设计做到一水多用、分级供水、重复利用,在各系统用水点上设置必要的计量装置,控制用水。电厂公用水系统用水包括化学水处理系统、辅机循环水系统、生活、消防、灰场、脱硫和干灰加湿、煤场喷洒和厂区绿化、输煤系统冲洗及除尘等。各系统用水在水质、水温上有不同的要求,在满足其用水水质、水温的前提下,做到循环使用、循序使用以使节水落到实处。生活用水采用市政生活用水,灰场用水、脱硫和干灰加湿、煤场喷洒和厂区绿化、输煤系统冲洗及除尘用水采用经过处理的电厂废(污)水。该工程废水采取如下措施回收利用:

(1)辅机循环水系统排污水及RO浓水用于脱硫系统,化学水处理系统过滤器反冲洗排水、主厂房及辅助车间地面冲洗排水等均回收至工业废水处理站,经处理后回用;

(2)输煤系统除尘和冲洗用水排水回收至含煤废水处理车间,处理后重复使用;

(3)经脱硫岛配置的脱硫废水处理装置排水回收用于电厂干灰加湿系统;

(4)厂区生活污水经化粪池初步处理后,直接接入中水处理系统进一步处理回用;

(5)化学水处理系统酸碱中和排水回收至清水池回用于灰场喷洒。

2 中水深度处理系统

2.1 MBR工艺方案

膜-生物反应器MBR(Membrane-BioreactorReactor)是一种将膜分离技术与传统污水生物处理工艺有机结合的新型高效污水处理与回用工艺,近年来,在国际水处理技术领域日益得到广泛关注,在国内的中水处理工程中得到了推广和应用。膜-生物反应器运行能耗低、占地面积小。MBR系统包含调节(事故)水池、提升泵、曝气生化池、膜池及附属清洗加药装置等。MBR采用高结晶度的PVDF中空纤维膜,膜孔径为0.1μm,膜通量为20L/(cm2·h),总膜面积约为31200m2。膜支架采用全不锈钢结构,内置ABS集水及曝气系统,中水处理系统流程如图1所示。

图1 中水处理系统流程图

2.2 石灰处理加曝气生物滤池方案

2.2.1 石灰处理系统工艺流程

二级处理后的城市污水→调节水池→原水提升泵→曝气生物滤池→中间水池→中间提升水泵→石灰处理澄清池→澄清和过滤水沟→变孔隙滤池→滤池出水沟→清水池→循环水补水泵→循环冷却水系统。

2.2.2 污水石灰处理的石灰计量系统

高纯度消石灰粉→密封式散装罐车→石灰筒仓→振动料斗→旋转给料机→螺旋输送机→石灰乳搅拌箱→石灰乳泵→石灰处理澄清池。

2.2.3 石灰处理系统主要设备

石灰处理系统主要设备参数见表2。

表2 石灰处理系统主要设备参数

续表

2.3 MBR工艺与石灰澄清加生物滤池工艺的对比

该工程的中水处理主要是解决COD及氨氮问题,石灰处理主要是去除水中的碱度,在中水应用于开式循环冷水系统中使用较多,但对于该工程而言进水水质及出水标准基本无法达到。另外,对于处理量小于2万t/d的中水系统,采用石灰法不但要考虑石灰来源并且石灰贮存计量系统复杂,自动化程度低,MBR工艺与石灰澄清加生物滤池工艺对比见表3,MBR工艺与石灰澄清加生物滤池工艺出水水质对比表见表4。

表3 MBR工艺与石灰澄清加生物滤池工艺对比

表4 MBR工艺与石灰澄清加生物滤池工艺出水水质对比

3 锅炉及热网补给水处理系统

经过预处理后的清水一部分直接用于闭式冷却水补水,一部分经过反渗透及离子交换除盐后供锅炉补充水。根据水质情况和所装机组对水、汽质量的要求,该工程锅炉及热网补给水处理系统流程为:中水处理→RO装置→淡水箱→淡水泵→阳床→除碳器→中间水箱→中间水泵→阴床→混床→除盐水箱→除盐水泵→主厂房。

反渗透装置分4组,每组出力50m3/h,回收率为70%,选用抗污染膜元件对超滤出水进行预除盐处理。系统主要包括反渗透供水泵、管道混合器、保安过滤器、高压泵、反渗透装置、冲洗系统、反渗透清洗系统和加药系统。

反渗透系统设计参数如下:反渗透装置的进水量,4×72m3/h;反渗透装置的运行压力(设计水温为13℃,3年时),1.3MPa;反渗透装置的产水量,4×50m3/h;反渗透装置的除盐率,＞97%;反渗透系统回收率,70%;反渗透装置的浓水流量,4×22 m3/h。

4 工业废水集中处理系统

工业废水采用集中处理(灰水、脱硫、煤水废水处理分散在其各自的系统区域内),工业废水主要包括经常性废水和非经常性废水。根据所收集废水水质和水量的特点,工业废水处理系统如下:工业废水来水→废水贮存池(经常性废水池和非经常性废水池)→pH值调整、反应絮凝槽→斜板澄清器→最终中和池→清净水池→至水工回用系统。

废水处理系统优化设计考虑和中水及锅炉补给水处理设施联合布置。其中,经常性废水贮存池(兼补给水中和水池)、非经常性废水贮存池、最终中和池,清净水池连续布置在一起,为地下建筑。卸酸碱、凝聚剂、助凝剂及其储存等和补给水系统尽量共用及合并布置,pH值调整絮凝槽、斜板澄清器及各种加药装置、废水输送泵、罗茨风机等设备布置采用地上建筑集中布置。

5 生活污水处理系统

电厂生活污水包括厂区各建筑的厕所污水、洗涤污水等。常规生活污水处理通常采用接触氧化处理工艺,选用地埋式一体化处理设施。但由于埋地式检修,维护不便,一般1～2年后出水水质恶劣,不能满足出水水质要求。该工程生活污水处理采用简单的化粪池初步处理后,直接排入MBR生化池中,通过MBR处理后直接供电厂回用。

6 水处理岛系统优化设计

6.1 工艺系统优化设计

作者对方案进行了比较及综合分析,由于原水水质较差,中水系统制水用于全厂工业水系统,直接影响电厂的安全运行,优化设计推荐采用MBR工艺。考虑到中水处理系统、锅炉补给水处理系统及废水处理系统在工艺流程、公用系统、控制方面紧密相关,管理同属于化学水处理范围,在该工程中提出了“水处理岛”的概念,实际上也是2000年示范电厂推荐采用的模式。采用水处理岛不但便于今后的运行管理,节约占地面积,通过合并布置有效地节省了很多公用设施,大大降低了总体工程造价。通过优化系统及联合4个分系统,省去了很多重复设置的中间设备。由于布置紧凑,系统间联络管道缩短,尤其对于寒冷地区还要考虑管道保温,这些问题都得到了较好的解决。工艺优化结果主要包括以下7个方面:

(1)水处理岛的集中布置,使水处理系统连续。所以,在常规设计中,保证运行安全的反渗透处理用的生水箱(1台钢制设备,500m3)可以节省,预处理用的清水池可以承担反渗透生水箱的任务,配套的生水泵可以节省,这样,在运行中节省了一级提升,减少了配电负荷。

(2)MBR出水水质已经可以直接供给反渗透进水,超滤部分可以不用设置,所以,系统可以节省自清洗过滤器、超滤装置、超滤水箱、超滤水泵、超滤反洗过滤器及辅助系统。

(3)分系统合并,酸碱贮存、加药计量设施及设备可充分公用。水处理岛方案有机地整合了多个分系统的设备,把设备集中布置,使加药设备的公用变成了现实,既减少了设备,又为电厂的安全运行提供了有力的保证。减少了药剂的汽车运输距离,减少了药剂转输的环节,减少了运行维护的设备,减少了药剂泄漏的威胁。

(4)RO浓水池、锅炉补给水系统再生废水池、经常性废水池合并公用。水处理岛合并了多个分系统,原分系统必须设置的废水池也可以采用一个统一的综合废水池,RO浓水池、锅炉补给水系统再生废水池、经常性废水池合并为浓水池(经常性废水池),减少了占地面积和投资费用。

(5)工业废水的水泵型式由自吸泵改为离心泵。由于处理系统的合并,所有的水池统一布置,工业废水用的经常性废水池和非经常性废水池均布置在水泵间的一侧,给设置离心水泵带来了可能,常规工业废水处理均设置自吸泵,以便于节省水泵间的土建费用和占地面积。采用可靠性能高的离心泵能有效地保证水泵的随时运转,提高系统运行安全性。

(6)取消了地埋式生活污水装置,生活污水经简单处理后进入中水深度处理系统。水处理岛的预处理采用MBR处理。由于来水的生化需氧量BOD(BiochemicalQxygenDemand)比较低,氨氮比较高,硝化反应的碳源不足,生活污水直接补充到MBR的生化池中,可以提高原水来水的碳氮比,对于硝化和反硝化反应有一定的益处。

(7)工业水池、消防水池与清水池合并。水处理岛的综合布置可以使设计采用统一布置的水池,这样,预处理的清水池可作为工业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。预除盐水池也可以作为消防水池备用。消防水泵、稳压泵等都可以设置在水泵房内,节省了综合水泵房和工业、消防水池。

6.2 布置优化设计

水处理岛锅炉补给水处理、废水处理、污水处理、中水处理等设施作为水区集中布置在一起,使得整体工艺流程更加合理,厂区管道更短,减少占地面积并合并采用1个控制室进行集中控制,便于运行管理,可以节省建筑费用。另外,考虑给排水专业的综合水泵房与水处理岛水泵房合并,内设工业杂用水泵、化学泵、生活泵、空气预热器冲洗泵、消防水泵以及消防稳压装置。厂区内1000m3工业消防水池、1000m3化学消防水池与水处理岛的2座1000 m3清水池合并为2座2000m3公用清水池,消防水池要有保证消防水不被挪用的措施。

水处理岛的占地为长138m、宽90m的一块区域,总平面面积为12420m2。常规分散布置占地分别为78m×90m,102m×90m,75m×90m(长×宽)的3个区域,总平面面积为22950m2。常规分散布置各处理单元的建筑物功能多有重复,合并处理单元后,相同性质的建筑面积会因为建筑内容纳的设备数目变多而扩大,但总的建筑数量是减少的,所以,总建筑面积也是减少的。常规分散布置和水处理岛的各处理构筑物的平面面积比较见表5。

表5 常规分散布置和水处理岛的各处理构筑物的平面面积比较

比较以上建筑物的统计面积可知,水处理岛布置方案在建筑物的建筑面积上比常规布置方案的建筑面积节省约1220m2(相当于常规处理岛总建筑面积的14%),水处理岛总占地面积节省约10530 m2(相当于常规处理总占地面积的45.9%)。

6.3 电控系统优化设计

电气设计方面,对水处理岛内中水处理、锅炉及热网补给水处理系统、工业废水处理系统和其他电厂水处理系统的75kW以下小负荷电机按DL/T 5153—2002《火力发电厂厂用电设计技术规定》列入MCC段,考虑到节省电缆设施等材料,这部分MCC将设置在各单元就地,对大于75kW及以上的设备将考虑由主厂房电气配电间的PC段统一配电,减少各单元变压器设备和就地电气配电间。控制设计方面,整个水处理岛系统可以整合为水网集中控制系统,便于对水系统的控制。部分就地控制室可以合建。这样,有利于减少运行维护人员,减少控制人员,减少设备投资,减少基建成本。

7 结论

该工程通过采用水处理岛理念的优化设计,工艺系统节约直接设备投资约630万元,电气系统节约投资约60万元,控制系统节约投资60万元,土建投资节省约840万元,安装费用节省约800万元。由于水质恶劣,系统优化中工艺设备采用新工艺MBR,工艺设备费对比常规处理方案增加投资约1370万元,最终水处理岛处理方案节省投资约1020万元。比较水处理岛方案和常规处理方案可知,水处理岛方案节省占地面积约10530m2(相当于常规处理岛总占地面积的45.9%),建筑面积节省约1220m2(相当于常规处理岛总建筑面积的14%)。

由于设备集中布置、建筑集中设置,系统自动化程度高,水处理岛布置方案集成了4个水处理分系统,理论上可以节省3套系统的运行维护人员。由于设计充分考虑了建设节约型企业的理念,系统在保证节能降耗、节水和环保措施基础上重点进行了系统和布置方案的论证和比选,推出了与传统的分散布置模式不同的新模式——水处理岛布置。整个水处理系统布局合理、自动化水平高,降低了工程造价,为电厂今后实施现代化运行管理创造了良好条件。

[1]中国华电集团公司.火力发电厂节能评价体系[M].北京:水利水电出版社,2007.

[2]EelcovanBeek.火力发电厂节能评价体系[M].宋心同,张勇,等译.郑州:黄河水利出版社,2008.

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