刘锡文

（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津300192）

反渗透海水淡化技术具有投资省、能耗低、建设周期短、占地面积少、操作维护简便的特点，自2000年以来发展迅猛，目前在海水淡化领域已占据主导地位。反渗透海水淡化工程的建设成本主要包括土地资源、设备管材投资、管道安装费用。海水淡化工程的设备和管道布置是决定占地面积、管材用量的重要因素。因此，合理的设备和管道布置是降低成本、保障工程稳定运行的关键。

有关反渗透海水淡化工程的设计规范较少，如GB／T50619—2010《火力发电厂海水淡化工程设计规范》、GB／T 31327—2014《海水淡化预处理膜系统设计规范》等。一般可参照执行的标准规定有HG／T 20519—2009（2017）《化工工艺设计施工图内容和深度统一规定》、HG／T 20546—2009（2017）《化工装置设备布置设计规定》、HG／T 20549—1998（2004）《化工装置管道布置设计规定》、SH 3011—2011《石油化工工艺装置布置设计规范》、SH 3012—2011《石油化工金属管道布置设计规范》、SH／T 3055—2017《石油化工管架设计规范》、GB 51019—2014《化工工程管架、管墩设计规范》、GB 50235—2010《工业金属管道工程施工规范》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准（2018年版）》和GB50016—2014《建筑设计防火规范（2018年版）》等。

1 设备布置

设备布置设计应满足工艺流程、安全生产和环境保护的要求，并应考虑以下各方面的需要：工厂总体布置；操作、维护、检修、施工和消防；节约用地和减少能耗。

设备的间距除应满足防火、防爆规定外，还应满足：为操作、检修、装卸、吊装所需留有的场地和通道；设备和建筑物的梯子、平台的布置；设备基础、地下埋设的管道、管沟、电缆沟和排水井的布置；管道和仪表安装［1］。

1.1 设备布置形式

一个完整的海水淡化工程从取出海水到产出淡水所包含的设备较多，有的工程建设在沿海地区、海岛上，有的工程建设在特定空间内，如舰艇船舶、集装箱内。因此，根据现场地理环境条件、工程规模、客户要求不同，设备布置也有多种形式。总体来说，设备布置可归纳为3种主要形式，包括流程型布置、功能型布置和集中型布置。

1.1.1 流程型设备布置

流程型布置是按工艺流程的顺序进行设备布置，也是优先考虑的布置形式。此种布置形式使用管材较少，布局简单。一般用于中小型工程，以及对设备占地面积不受现有厂房外形尺寸限制的工程或者依据设备布置情况来确定车间外形尺寸的工程。某300 m3／d海水淡化工程设备布置如图1所示。

图1 某300 m3／d海水淡化工程设备布置Fig.1 Equipment layout of a 300 m3／d se awater desalination project

在设备布置时将需要运行操作的设备，如多介质过滤器、超滤膜组、反渗透膜组前预留足够的空间，便于运行操作和监测装置面板上的运行数据。水泵、水箱按流程布置，可以使管线更短，节省投资，并尽量靠墙放置。另外，各设备间的距离要满足管道布置的空间要求。

1.1.2 功能型设备布置

功能型设备布置是在依据工艺流程的基础上，将设备按照不同的功能划分区域布置［2］，一般分为预处理区、脱盐区、加药区、水箱区、水泵区等，适用于大中型海水淡化工程。某10 000 m3／d海水淡化工程的设备布置如图2所示。

在图2中可看到用虚线划分的功能区，在预处理区内放置有超滤膜组；在脱盐区内从右至左按照工艺流程顺序，依次放置一级反渗透膜组、二级反渗透膜组和EDI膜组，均为3台。在水泵区内均放置有与膜组相对应的水泵和过滤器，并且在车间外的水箱也是与各功能区设备相对应放置。整体布置很简单直观，保证了各功能区内设备间管道连接的简洁，同时，水泵、水箱、过滤器和膜组采用同类设备集中布置的原则［3］，便于土建施工和设备安装。

图2 10 000 m3／d海水淡化车间设备布置Fig.2 Equipment layout of a 10 000 m3／d seawater desalination plant

1.1.3 集中型设备布置

集中型设备布置适于中小型工程或者占地面积受限制的工程，如一体化装置或设备车间占地面积已确定并且空间较小的工程等。一体化装置的产水规模一般为0.5～20 m3／d，各单元紧凑布置在一个框架内，便于移动，可用于船舶、野外等特定环境。在设备布置时一般将水泵放置在架子下部，过滤器挂在架子一侧或者前部，便于操作的地方，反渗透膜元件放置在架子中间或后部。某5 m3／d海水淡化装置的三维布置如图3所示。

图3 某5 m3／d海水淡化装置的三维布置Fig.3 3D diagram of a 5 m3／d seawater desalination device

1.2 主要单元的设备布置

确定了整个工程或海水淡化车间的设备布置形式之后，依据各单元设备的特性、外形尺寸和现场环境条件等，进一步确定各单元设备的管口、操作台、支架的空间位置，同时要确定设备的安装方案、设备基础、管道及电气仪表管线的走向等。

1.2.1 过滤器的布置

海水淡化用过滤器的种类较多，按过滤形式主要有机械过滤器、网式过滤器、叠片式过滤器等，其中普遍应用的是机械过滤器。机械过滤器上安装的阀门较多，过滤器前面要预留出操作和维修的空间，一般不小于800 mm；过滤器之间或者过滤器与其他设备之间的净距离不小于500 mm；过滤器的高度要满足管道安装的需要。当多排过滤器布置时，每相邻两排可背靠背布置，使占地面积更小。另外，除了满足相关规定要求外，还需要满足厂家技术说明书中提出的空间要求。

1.2.2 超滤膜组和反渗透膜组的布置

超滤膜组和反渗透膜组应布置于室内，防冰冻和日照，环境温度宜为5～40℃。超滤膜组和反渗透膜组都是由多个膜元件组合在一起，固定安装在钢结构膜架上。一般情况下，超滤膜元件垂直放置，反渗透膜元件水平放置。为了节省膜组的占地面积，膜元件间的距离要尽量紧凑，但要满足与膜元件接口相连接的管路的安装尺寸要求。膜组的仪表面板安装有压力表、流量计、温度显示、取样阀等，在仪表面板前需要预留不小于600 mm的监测和操作空间。当由多台膜组组成装置时宜采用对称形式排布，膜组之间宜留有0.8～1.5 m间距的检修通道［4］。另外，垂直放置的超滤膜壳上端要预留2 000～2 500 mm不小于膜壳高度的空间，以便膜壳拔出更换膜元件；反渗透膜组的左、右两侧要分别留出与膜壳两端相距1 500 mm的空间用于更换膜元件。

1.2.3 水箱的布置

由于水箱不需要频繁开关进出水阀门，一般靠近墙放置，水箱与墙的净距离不小于500 mm，并且设置水箱基础。水箱与水箱间的净距离一般不小于400 mm，水箱与其他设备的净距离不小于600 mm。同时，根据现场情况，还需要考虑水箱底部排水口的位置和水箱顶部排气口的位置。

1.2.4 水泵的布置

海水淡化工程中的水泵较多，包括原水泵、增压泵、高压泵、反洗泵、清洗泵等，可根据设备总体布置形式确定位置。大中型工程一般设置有泵房，高压泵和增压泵可放置在反渗透膜组附近，也可放置在泵房内，其余水泵放置在泵房内。小型工程的水泵一般放置在海水淡化车间内，高压泵尽量靠近反渗透膜组［5］，其余水泵在过滤器、超滤和反渗透膜组、水箱等设备初步布置完成后再确定。水泵的外轮廓面与墙面的最小距离（水泵侧面有管道时，外轮廓面计至管道外壁面）、泵与泵之间外轮廓面的最小距离应依据电机额定功率范围进行确定，一般不小于1 m。泵的安装高度一般取泵的基础面比地面高200～600 mm，泵的基础四周比泵座大100 mm。如图2中所示的水泵双排布置时，两排泵的电机端相对，在中间留检修通道，两排泵净距不宜小于2 m。另外，水泵出口第一个阀门与水泵出口的距离要求不小于6倍阀门通径，在实际工程中一般取2～3倍的阀门通径［6］。

2 管道布置

管道布置是管道设计中最重要的一部分，在完成管材、阀门、管件的选择和管路计算后，开始进行管道布置设计。管道布置设计的主要依据包括：①设计、安全、环保等标准规范及当地的法律、法规；②项目工程规定、设计规定；③带控制点的工艺流程图；④设备布置图；⑤设备装配图、管口方位图、设备安装详图；⑥厂房建筑平立面图；⑦自动控制等其他专业的相关条件和资料。另外，管道布置过程中还要考虑经济性和美观性，使整个工程的管道布置最优化。

2.1 管道布置特点

2.1.1 大型工程的管道布置

大型工程的管道布置时，由于各工艺阶段均由多台相同设备组成，而且大部分管路的公称直径大于150 mm。因此，为了保证整个车间的整齐美观和检修维护空间，并且为了满足设备进出口管道位置的需要，管道布置通常采用管沟或者架空敷设管路［7］。

图2所示工程的管道布置情况如图4所示。此工程的管道敷设在地下或高处，地下管道采用管沟的形式，高处的管道采用独立式支架或管廊布置。各水箱与水泵进口管道的连接敷设在地下，水泵出口与各保安过滤器进口连接的管道、保安过滤器出口连接到高压泵、高压泵到各膜组的连接均采用架空敷设管路。二级反渗透产水去二级反渗透产水箱、一级反渗透产水去一级反渗透产水箱、一级反渗透和二级反渗透冲洗管道、化学清洗进出水管道与各膜组连接管段集中布置在管廊上，如图4中虚线部分设置有管廊。

图4 某10 000 m3／d海水淡化车间管道布置Fig.4 Pip eline layout of a 10 000 m3／d seawater desalination plant

2.1.2 中小型工程的管道布置

对于中小型工程，管道的最大公称直径不超过150 mm，一般多采用沿地和沿墙敷设管路，可降低工程建设成本。在管道布置时要将地面或墙面上的多根管道平行排列，管路间距要满足安装要求，并且注意缩短管路的长度［8］，减少管路的拐弯和交叉［9］。同时，在地面上的多根平行管路尽量集中排列，预留出工作人员在设备间行走的空间。图1所示工程的管道布置如图5所示。此工程中各设备间的管道连接多采用沿地和沿墙敷设。

图5 某300 m3／d海水淡化工程管道布置Fig.5 Pipeline layout of a 300 m3/d seawater desalination project

2.2 主要单元的管道布置

2.2.1 过滤器的管道布置

立式过滤器的进水、出水、反洗管路都引出到过滤器前部，阀门放置在前部易操作的位置，一般阀门的安装高度可取1.2 m左右。卧式过滤器的进水、出水管口处直接放置阀门。过滤器的各管道支架通常设置在筒体上。

2.2.2 超滤膜组的管道布置

超滤装置是海水淡化工程中管路最多的部分，包括进水、产水、浓水、反洗（气洗）、化学清洗管路。膜元件下部接口连接进水管，上部接口连接产水管和浓水管。对称形式排布的多台超滤膜组的进水总管、产水总管、浓水总管等宜布置在两排膜组中间，膜组中各管道上的阀门也尽量放置在靠近总管的一端。

（1）进水（进气）管路。为了放置进水管路的流量计，超滤膜组的进水管口放置在低处，垂直向上后转向垂直向下（形成n形），再与各膜元件相连接，流量计放置在垂直向上的管路段，阀门放置在垂直向下的管路段。在膜组进水管路上设置分管路，作为化学清洗进水管路。另外，在各膜元件与膜组进水管连接的另一侧设置反洗排放口。膜组的进气管路与各膜元件下部的进气口采用软管相连接，在进气管路上配有减压阀、空气止回阀、气动阀和手动阀。

（2）产水管路。超滤膜组的产水管与各膜元件产水接口相连接后水平放置在膜架顶部，在水平管段设置有阀门和流量计，并在产水管路设置分管路作为化学清洗回流管路。另外，产水管的另一侧与反洗进水管相连接。

（3）浓水管路。超滤浓水管与各膜元件浓水接口连接后垂直向下后转向垂直向上（形成U形），在垂直向上的管路段放置流量计和阀门。同时，在膜组的浓水管路上设置分管路作为反洗排放管路，与膜组进水管路的排放口相连接，并且在排放管路上设置排气口。另外，在浓水管路上还需设置一个分管路作为化学清洗回流管路，与产水管路上的化学清洗管路相连。

2.2.3 反渗透膜组的管道布置

反渗透膜组的管路包括进水、产水、浓水、化学清洗（冲洗）管路，其中进水管路、浓水管路为高压管路，产水管路、化学清洗管路为低压管路。与膜元件接口连接汇总后的进水管、产水管和浓水管都引到整个膜组的前部并垂直放置，在垂直管路段上设置阀门、压力表、流量计等，同时尽量将阀门设置在同一高度，便于膜组的操作和维护［10］。在管道布置中要注意高压的进水管路、浓水管路分别与低压化学清洗管路的连接处要安装尺寸相匹配的法兰。

另外，保安过滤器、高压泵、增压泵、能量回收装置与反渗透膜组构成了反渗透系统，大中型工程中这些设备布置在反渗透膜组周围，小型工程的整个反渗透系统都安装在膜架上。因此，在反渗透膜组的管道布置时要考虑整个系统的管道布置的合理性和经济性［11］。

2.2.4 加药装置的管道布置

海水淡化工程从预处理到后处理的整个工艺过程中，为了保证各工艺阶段更优的出水水质，需要添加适量的药剂。另外，超滤膜组和反渗透膜组的化学清洗也需要使用药剂。所用药剂有絮凝剂、助凝剂、杀菌剂、酸、碱、阻垢剂、还原剂、氧化剂等。

小型工程的加药装置一般在加药点附近放置，大中型工程会配置加药间。由于加药管道内各种药剂介质一般均具有腐蚀性，加药管道可沿建筑物、构筑物顶板、侧壁、地面明设，以便于检修，也可设置在专门的加药管沟内，但应避免架空敷设，以免因加药管道渗漏造成生产安全事故。当采用加药管沟时，要注意避免加药管道与基础及其他管道相撞，且加药管道尽量同沟敷设［12］。当加药管路与其他管路沿墙布置时，应尽量布置在比其他管路相对低处。另外，加药管道在穿越厂区内道路时，一般不设置沟道，可先在道路下预埋钢套管，加药管道设于套管中穿越道路，套管两端应设置检查井。

2.2.5 管道支架布置

在一个完整的管道布置设计中，支架是重要的组成部分，支架的正确设置是管道安全稳定的重要保障。设计人员在管道布置过程中，根据管道的操作条件，应同时考虑支架位置、型式及合理性等。

管道支架的位置尽可能利用已有的建构筑的梁柱、平台、设备本体、地面等作为生根点［13］，同时管架的型式要尽量简单。如过滤器单体的管道支架通常设置在过滤器筒体上或者过滤器操作平台上，超滤膜组和反渗透膜组的单机内管道尽量由膜架支撑。在大中型海水淡化工程的装置区内的管架，宜采用钢结构管廊式管架［14］，如图4中虚线部分设置有管廊，对称形式排布的多台超滤膜组的进水总管、产水总管、浓水总管等多条总管宜集中放置在管廊上。

3 结语

设备布置和管道布置设计是海水淡化工程施工的重要依据，设备布置是管道布置的基础，管道布置是设备布置的保证。设备和管道的布置设计是一项长期的工作，不同规模、不同工艺以及不同单元之间有较大的差异。不同的设计人员也有不同的设计思路，每一项设计任务都是思考、比较和总结的过程。在进行设备和管道布置的设计时，建议首先要参考相关专业的标准规范，更多地了解专业知识；其次要不断积累工程经验，提升设计水平。优秀的设计方案经济、美观、实用，不仅保证整个工程的良好运行，而且降低投资和运营成本。