液化天然气接收站海水泵房取水工艺设计

丁忠焕，洪 璐

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071；2.三峡大学水利与环境学院，宜昌443000）

液化天然气接收站海水泵房取水工艺设计

丁忠焕1，洪 璐2

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉430071；2.三峡大学水利与环境学院，宜昌443000）

为充分满足LNG接收站生产需求，保障接收站取水系统连续稳定、安全高效运行，取水工艺设计应充分考虑当地水文特性、泥沙淤积等自然条件，按近远期结合的原则，合理确定取水口及自流箱涵数量及形式。并根据循环泵的特点及要求布置流道和泵室，确定合理的尺度。结合工程造价、施工条件及方便检修等因素进行统筹设计。设计方案应通过物理模型试验进行验证。文章结合工程实例，对取水口、流道和泵室不同形式组合的平面布置方案进行了对比分析，对海水泵房竖向布置设计要点进行了论述，提出三根自流管取水、独立流道和泵室的方案。

海水泵房；流道；泵室；取水口；自流箱涵

为了节省能源，LNG接收站一般采用开架式气化器（ORV）将LNG气化管道外输。ORV循环水系统为直流供水系统，以海水作为热源，由海水泵房将海水输送到ORV，温度下降不超过5℃的海水从排水口返回到海中。LNG站海水泵房取水量大、水工结构工程量大、水泵长周期运行，要求取水工艺设计应合理布局、考虑多种因素进行平面布置和竖向布置，以保障取水系统安全可靠、经济合理。

1 项目概况

某LNG接收站位于北部湾沿海，占地面积约40 ha，站区四面环海设有防浪堤，通过一座5 km引堤与海岸连接。接收站采用ORV直流供水系统，海水泵房和取水口布置在站区的西北角，排水口布置在站区东侧。LNG接收站分三期建设，一期建设规模为300万t/a，二期和远期共为600万t/a。一、二、远期总取水量分别为21 900 m3/h、51 100 m3/h、73 000 m3/h。取水设施主要包括取水口、自流箱涵、海水泵房。主要取水流程为：海水→取水口（粗格栅）→自流箱涵→前池→细格栅（配移动式除污机）→旋转滤网→海水循环泵→循环水管。

2 取水工艺平面布置

2.1 布局及设备配置

本工程一、二、远期海水取水量不断增大，海水泵房分期建设施工费用太高，取水口、自流箱涵和海水泵房地下水工结构、地面建筑按远期一次建成。取水工艺按远期考虑，近期取水工艺设施按一期配置；二期、远期工程实施时，关闭流道检修闸门进行设备及管线安装即可。

海水循环泵采用湿式立式混流泵，取水工艺布局按近远期相结合的原则，循环泵根据各期取水量要求配置。一、二、远期的ORV分别为4台、3台、3台，其中一期3台运行，远期10台运行。对应配置的循环泵也要求大小搭配，才能满足ORV各种运行工况要求。

图1 总平面布置图Fig.1 General arrangement plan

循环泵方案一组合为：一期安装4台小泵（3小运行；流量7 300 m3/h，下同）；二期安装2台大泵（流量14 600 m3/h，下同）；远期再安装2台大泵，远期4大+2小或3大+4小运行。方案二组合为：一期安装1台小泵+2台大泵（1大+1小运行）；二期安装1台小泵+1台大泵；远期再安装2台大泵，远期4大+2小或5大运行。

海水泵房内还要求布置3台1 080 m3/h立式长轴消防泵，消防泵一般采用独立泵室布置，需要占用3个泵室的宽度。消防泵流量相对循环泵较小，且运行时间很短，也可以考虑与循环泵共用泵室的布置。为施工、检修方便，大小泵流道宜采用相同的尺度，流道尺度按大泵要求设计，安装小泵的流道过水能力有富裕，布置消防泵应影响很小。消防泵运行工况是2用1备，分别将消防泵布置在3个独立流道，不会出现2个流道同时检修的情况，满足消防规范要求。所以，方案一在小泵流道内安装消防泵，消防泵布置在循环泵前端；物模试验验证表明，由于消防泵流量较小，消防泵运行对海水循环泵取水无明显不利影响［1］。方案二一期安装2大1小循环泵，大泵流道前端不宜安装消防泵，故采用独立消防泵室。所以方案一泵房总宽度反而比方案二减少。

一般循环泵机组台数越少，投资及管理费用就越小，所以方案二在循环泵配置数量上更优。由于方案一水泵台数对近期取水量更适合，更适合3台消防泵与小泵共流道的布置。所以方案一更适应ORV运行工况，虽然设备投入多一些，比方案二少两个泵室，水工结构费用更节省。

2.2 海水泵房平面布置方案比较

2.2.1 独立流道和泵室方案（简称方案一）

方案一采用独立流道和泵室布置，可充分保证循环泵间不产生干扰，吸水槽相互独立；同时保证进水水流尽量布置顺直，避免转弯或偏流。公共配水前池将海水分配至8个独立流道，经闸门、格栅、旋转滤网进入泵室。布置详见图2。

设3根钢筋砼自流箱涵均匀进水到前池，每根自流箱涵前端为取水头，自流箱涵长度为68 m，断面尺度2.0×2.0 m。自流箱涵远期流速为1.68 m/s，满足流速宜采用1.0～2.0 m/s，但不应小于0.7 m/s要求［2］。在一期工程运行时，管道内流速较小（0.56 m/s），低于规范最小流速。当地水体平均含沙量很低（0.001～0.01 kg/m3），悬沙颗粒细（0.013～0.008 4 mm）；粗颗粒泥沙不易通过取水口进入泵房，且进入泵房的沙量较少，主要是粒径较细的悬移质部分［1，3］。0.01 mm沙粒是有无絮凝沉降的界限，0.01～0.03 mm沙粒絮凝现象不明显［4］。所以，流速略小影响不大。

配水前池长度为6 m，锥角38°，纵向坡度为0°；满足前池的锥度不宜大于40°，前池的纵向坡度不宜大于15°的要求［2］。配水前池长度较短，由于是三管均匀布置进水，物模试验也验证前池长度为6.0 m可行［1］。8条独立流道宽度统一按最大泵进水流道净宽要求确定为3.5 m，中间用隔墙分开，流道入口设统一尺寸的潜孔闸门方便检修。泵房水工结构总面积1 425 m2。

2.2.2 公共流道+独立泵室方案（简称方案二）

参考该地区成功的海水泵房的经验［5］。布置4个公共滤水流道和10个独立泵室，其中3个为消防泵室，详见图3。进水口设置1个箱式钢筋砼取水头，2根钢筋砼自流箱涵进水到前池，自流箱涵长度为68 m，断面尺度2.8×2.0 m。配水前池长度为23.3 m，锥角为23°，纵向坡度为0°。4条公共滤水流道，净宽度4 m，滤水室长度为18 m，前后设潜孔闸门，以满足检修要求。10个独立泵室宽度统一按最大泵进水流道净宽要求确定为3.5 m，中间用隔墙分开；泵室入口设潜孔闸门。泵房水工结构总面积1 923 m2。

图2 独立流道和泵室方案平面示意图Fig.2 Sketch of independent inflow runner and pump house

图3 公共流道+独立泵室方案平面示意图Fig.3 Sketch of public inflow runner and independent pump house

2.2.3 平面方案比选

两方案布置对比见表1。

一般海水泵房设2根自流管，当自流管长度不长时，可考虑增加自流管根数均匀进水，减小前池长度。本工程自流箱涵长度68 m，方案一采用3根自流箱涵均匀进水，使前池内水流较均匀，前池长度仅为6 m。方案二设1个取水头，2根自流管集中布置，前池长度为23.3 m；在前池设置整流柱、整流坎和消能整流横梁，保证各期取水和不同水泵组合工况水流稳定，对水泵及滤网安全运行有利［6-8］。方案二虽自流管少1根，前池面积却增加了257 m2，综合比较方案一费用较低。

方案一消防泵与一期海水循环泵布置在一个流道内，方案二消防泵采用独立泵室，泵房总宽度加宽了8 m。方案一8条独立流道前端设统一尺度潜孔钢闸门一道，闸门配置数量较少；方案二滤水间设8个闸门槽，配4座闸门；泵室设7个闸门槽，配1～2座闸门；方案二闸门数量较多，尺寸不统一，管理较复杂。方案二采用共用滤水流道，滤水装置台数较少，设备费用较节省；但滤水设备较大，滤水设备前后导流需要较长尺度，结构占用面积要求较大，增加了水工结构投资。经综合比较方案一更优。

表1 平面布置方案对比表Tab.1 Comparison of plane layout

图4 断面图Fig.4 Section plan

3 取水工艺竖向布置

3.1 设计潮位特征值

海水泵房的高程确定应根据潮位特征值经计算确定。海水泵房防洪水位采用百年一遇的年极值高水位［2］，取为7.09 m。海水取水设施取水最低潮位保证率不应低于97%［2］，本工程取水最低运行水位按保证率98%的低水位确定，为-0.67 m。

3.2 泵房入口地面设计标高确定

参考电力行业规范要求，岸边式泵房±0.000层设计标高（入口地面设计标高）应为频率1%潮位＋频率2%浪高＋超高0.5 m［2］。按上式计算得泵房入口地面设计标高为12.88 m。此要求与《室外给水设计规范》GB50013-2006第5.3.9条原则基本一致，但是该条文解释中明确，以上公式“仅适用于修建在堤外的岸边式取水泵房”。由于本工程海水泵房位于防浪堤内，堤外波浪不会对海水泵房造成很大影响，故不宜完全参照上式计算。

由于波浪可以通过自流箱涵传导到前池，规范要求进水前池波浪波动幅度不宜超过0.3 m［2］。物模试验中波浪影响试验表明，引水水流经取水头和自流箱涵进入泵房前池已基本完全衰减，吸水室内波高小于0.20 m，能够满足水泵安全运行要求［1］。故海水泵房入口地面设计标高=频率1%潮位+前池波动幅度（0.3 m）+超高0.5 m，计算得7.89 m。考虑泵房地坪宜略高于站区地面，取为8.50 m。物模试验高潮位事故停泵试验结果为泵房最大壅高水位小于7.76 m［1］，低于泵房地坪高程0.74 m，泵房预留超高可满足要求。

3.3 取水口及自流箱涵高程确定

自流箱涵头部设取水口，为避免较大漂浮物进入自流箱涵内，进水口前端设置粗拦污栅，栅条间距为200 mm，拦污栅采用耐海水腐蚀的不锈钢材质。进水窗口尺寸7.0 m×2.0 m，取水口过栅流速为0.48 m/s，满足过栅流速宜采用0.4～1.0 m/s要求［2］。

在设计最低水位时，取水建筑物的侧面进水孔淹没深度应不得小于0.3 m［2］，还应考虑波浪的影响。进水窗顶高程=设计最低水位－波谷高度－最小淹没深度，计算得-2.3 m。进水窗口顶高程取为-2.5 m，进水窗口底高程为-4.5 m。由于堤外海底高程仅为-1.8 m左右，水深不满足取水要求，结合工作船码头港池采取港池取水方式，备淤高度取1.0 m，取水港池设计底高程为-5.5 m。港池平均淤强约为0.41 m/a，可每年进行一次清淤，满足侧面进水孔底高于河床值不应小于0.5 m要求［2］。

3.4 泵池底板标高确定

3.4.1 泵池底板高程计算

泵池底板高程应在设计最低水位条件下，考虑进口格栅、自流箱涵、闸门、清污格栅及旋转滤网等设施的水力阻力损失，并根据最大水泵淹没深度要求，保证水泵在最低运行水位能安全、平稳运行。

泵池底板高程=设计最低水位－自流管水头损失－闸门水头损失－格栅水头损失－旋转滤网水头损失－水泵厂家要求的最小淹没深度－喇叭口高度；其中自流管水头损失应按当其中1根自流箱涵故障时，其余管道应能通过70%的设计流量的要求进行计算。

为便于施工，大、小泵池底板宜采用一致的高程。经计算确定泵室底板高程为-5.50 m。

3.4.2 格栅过水能力验算

每个流道需设置条形细格栅，90°垂直安装，栅条宽度3.50 m，高度14 m，间距50 mm，均采用耐海水腐蚀的不锈钢材质。在格栅处还配置有移动式自动清污机，格栅前后配水位检测仪，当水位差超过150 mm时，清污机自动对格栅进行清理。

格栅可按下列公式计算，并验算池底板高程

式中：Q为设计流量，m3/s；v为过栅流速（取0.75 m/s）；K1为格栅堵塞系数（取0.75）；K2为格栅引起的面积减小系数，K2=b/（b+s），计算得0.83。

式中：B为格栅宽度；按大泵流量计算得F=6.5 m2，最小水深计算得H=1.85 m，满足格栅过水深度要求。

3.4.3 滤网过水能力验算

旋转滤网采用侧面安装，网内进水网外出水；一期工程旋转滤网名义宽度为1.65 m，网板上升速度3.6 m/min；大泵预留滤网宽度为2.60 m。材质为316 L，高度14.0 m，网孔尺寸按照ORV的要求定为3.0 mm×3.0 mm，满足规范ORV使用的海水悬浮物颗粒不应大于5 mm的要求。旋转滤网设水位测量及自动控制装置。旋转滤网可按下列公式计算，并验算池底板高程。

式中：Q为设计流量，m3/s；ε为收缩系数，取0.75；v为过网流速（取0.75 m/s）；K1为格网堵塞系数（取0.75）；K2为网丝引起的面积减小系数，，计算得0.56；K3为框架引起的面积减小系数（0.75）。

式中：B为格网宽度；按一期小泵流量+消防泵流量计算得F=13.1 m2，计算最小水深得H=3.96 m。泵池最小水深为4.33 m，满足格网过水深度要求。

4 结论

综上，取水泵房应按照近远期相结合的原则进行总体布置和设备选型。平面布置采用独立流道和泵室的布置具有水流平稳、互相干扰小、检修方便等优点；消防泵布置在循环泵前端，巧妙地减少了泵室宽度，综合费用更低；自流管不长时，采用多管均匀进水形式可减少前池的长度，降低水工结构工程量；故平面布置方案应进行技术经济比较后确定。取水工艺的设计要点为流道宽度、深度、长度应根据水泵要求确定；堤外的岸边泵房的地面高程应按防洪水位，考虑波浪和超高确定，但堤内的岸边泵房可不按波浪计算；池底板高程应根据设计最低水位，考虑水头损失和水泵最小淹没深度经计算确定，并需对滤水设施进行最小深度验算。

LNG接收站海水泵房地下水工结构工程量大，取水工艺设计是保障取水系统安全可靠、经济适用的关键。设计时应结合工程特点及实际经验，在满足规范要求的前提下，综合考虑各相关因素，正确进行取水工艺平面及竖向布置；并通过精细的水力计算和物理模型试验验证，经技术经济比较，最终完成泵房取水工艺设计。

［1］赵建钧，程璐.某液化天然气（LNG）项目接收站工程海水泵房流道物理模型试验研究报告［R］.南京:南京水利科学研究院，2012.

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Process technology design for seawater pump house of LNG receiving station

DING Zhong⁃huan1,HONG Lu2
（1.CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Wuhan 430071,China;2.College of hydraulic&environmental engineering,China Three Gorges University,Yichang 443000,China）

In order to meet the production requirement of LNG receiving stations and ensure the continuous, safe and efficient operation of water intake system,the natural conditions such as local hydrological characteristics and sedimentation should be fully considered in the water intake process.The amount and form of intake and gravi⁃ty flow box culvert should be confirmed reasonably on the basis of combining the short term and long term situations of project generally.The reasonable scale and distribution of the inflow runner and pump room should be combined with the characteristics and requirements of the circulating pump.The project cost,construction conditions and the convenience of maintenance should also be designed totally.The design scheme should be verified by physical mod⁃el test.With the engineering examples,the layout scheme of different forms of water intake,inflow runner and pump chamber were compared and analyzed in this paper,and the main points of vertical layout design of seawater pump house were also discussed.The program of three flow tubes,independent flow and pump room has also been present⁃ed in this paper.

seawater pump house;inflow runner;pump house;intake;gravity flow box culvert

TU 991.35

A

1005-8443（2017）02-0212-05

2017-01-24；

2017-03-27

丁忠焕（1965-），男，湖北省武汉人，高级工程师，主要从事港口给排水消防设计。

Biography：DING Zhong⁃huan（1965-），male，senior engineer.