菲律宾某电厂循环水泵房的工艺设计特点

汪雪姣，闫文周，徐灿兵

(华中电力设计研究院有限公司，河南 郑州 450007)

1 概述

电厂位于菲律宾拉瑙省考斯瓦根市巴拉盖自由区，毗邻高速路和伊利甘海，位于伊利甘市西南约15 km。电厂本期建设4×150 MW级燃煤机组，海水脱硫，冷却水系统采用海水直流供水系统，全厂循环冷却水以及海水淡化原水均取自厂址北面海水。

按技术合同要求，本工程海水直流冷却系统的配置如下：每台机组配1台立式循环水泵，全厂共设1台备用泵，即4×150 MW机组共设5台循环水泵；每台水泵的进水流道上分别设置钢闸门、粗格栅和旋转滤网；另外全厂设2台辅机立式循环水泵，当仅有闭式冷却水系统或海水淡化制水系统运行时，启动辅机循环水泵。全厂每2台机组设1根冷却水供水管道和1根冷却水排水管道(即全厂为两个运行单元)。全厂的海水取水系统共设2座蘑菇头式取水头部和2条DN2600的HDPE引水管道，分别连接至泵房前池。每2台机组设1套脱硫系统，全厂的海水排水系统设1座虹吸井和2条HDPE排水管道。

2 循环水泵房布置特点

根据技术合同的要求，本工程循环水泵房的布置较国内常规设置，有以下几个不同点。

2.1 泵房前池和进水流道的连接

由于本工程4台机组仅设置1台备用循环水泵，而合同要求设置2个进水前池，因此考虑中间流道(备用泵流道)水流流态的稳定，早期设计方案拟将前池隔墙取消，合并设置为1个，减少出现不利流态的可能性。合同中对泵房进水前池的要求为“One (1) Intake Structure and Pumphouse including two (2) sea water forebays．and a total of five (5) pump bays. The intake structure and pumphouse shall be designed such that both forebays can supply seawater to the middle pump bay.”业主审查后，按此条款坚持要求必须保留2个前池的设计，中间备用泵流道进口处设2个闸门，分别隔断2个前池的进水，即使这样的布置将影响到中间流道水流的稳定性(业主认为流道的水流稳定性应在设计满足合同要求的基础上再加以保证，而不能在保证流态稳定的前提下修改合同的要求)。因此，本工程循环水泵房进水流道的闸门设计为6台，中间流道的2台尺寸为：宽×深=2.0 m×5.5 m；其余4个流道的4台尺寸为：宽×深=5.3 m×4.0 m，中间闸门高度的增加是因为确保各流道闸门口处的水流损失基本相同。

2.2 泵房高度的设计

按照国内常规设计，泵房高度满足循环水泵最大件起吊高度即可。本工程技术合同中对于泵房高度也没有明确的条款要求。但是合同对循环水泵的结构特点要求中提到“The sea water cooling pumps shall be of the vertical, wet pit, mixed fl ow type with above fl oor discharge and shall be of non-pullout construction.”因此，业主根据此条(non-pullout construction)要求泵房应满足循环水泵整体起吊的高度要求。尽管我们在设计沟通过程中表示，循环水泵的分体起吊在国内外已非常成熟，整体起吊不仅增加了行车的起吊重量，还需将泵房无意义的抬高，同时在后期运行中也没有任何优势，但是业主坚持按合同要求执行，否则会进行商务索赔。由于直流系统的水位直接受外海潮位影响，水位较低，水泵吸水管较长，因此泵房设计高度调整为23.5 m(若按最大件起吊高度设计，泵房高度仅为17.0 m)，大大增加了泵房上部结构，直接超出了工程量预算。

2.3 泵房内汽车通道的要求

循环水泵房的常规布置中有与水泵出水管道平行的一跨作为检修区域，汽车从此进出，进行设备的搬运。但本工程合同在土建部分的章节中有下列要求“Truck access shall be provided parallel to the sea water cooling pump centerlines. The truck access shall be a clear space 14 feet (4.3 m) high by 12 feet (3.7 m) wide and shall extend from the full length of the sea water intake pumphouse without changing elevation.”(泵房应设置与水泵中心线平行的一条汽车通道，净高4.3 m，净宽3.7 m，且贯穿于整个泵房。)此条款对于单层设计，且水泵出口管道在零米层上方的泵房来说，只能通过加大尺寸才能满足。因此，本工程的泵房宽度又增加至18 m，在水泵的进水流道方向留出4.3 m的宽度，以满足贯穿泵房的汽车通道要求，泵房的平面尺寸也加大了。

2.4 水泵出口电动蝶阀、水泵设计流量及入口流速的要求

按合同要求，水泵出口按顺序设置了液控止回蝶阀和电动蝶阀。一般情况循环水泵出口仅设置液控止回蝶阀，同时满足防止系统发生水锤和检修隔断的作用，也节约了设备预算和安装空间。但是在本工程和业主的沟通过程中，他们认为液控止回蝶阀设备的隔断作用不可靠，为保证系统的正常检修，电动蝶阀必须按合同要求以及他们的设计习惯来设置。

除了这些非常规且未在国内外标准中提及的，业主在审查中还强调了循环水泵设计流量和喇叭口设计流速的要求，合同中水泵的设计规范提到“Capacity: 100 percent of the requirements plus a margin of 20 percent”。本工程循环水系统计算流量为7.45 m3/s，因此水泵设计流量选取8.94 m3/s。根据水泵的实际性能曲线和系统管道特性，拟合出设计工况(两机两泵)中的实际运行流量为8.404 m3/s。

此外，按美标ANSI/HI 9.8，喇叭口处最佳流速1.7 m/s，本工程水泵设计流量8.94 m3/s，水泵厂家设计喇叭口直径为2.6 m，因此喇叭口流速为1.68 m/s，与美标要求完全一致。

本工程的循环水泵房布置见图1。

图1 循环水泵房平面布置图

3 泵房物理模型及结论

根据本工程合同，泵房应按HI(Hydraulic Institute)标准设计，目前所设计的泵房流道尺寸满足HI标准的要求，但HI标准9.8.4节中明确：当单泵大于2.52 m3/s或泵站总流量大于6.31 m3/s时，泵房流道应进行物理模型试验。本工程的主循环水泵设计流量为8.94 m3/s，因此补充进行了物模试验。

本工程采用了几何比尺为1∶10的较大模型，针对业主要求的多个工况(表1)进行了试验。试验结果表明，进水管流速较高，两个前池中间设有隔墙，水流在前池内无法充分扩散，导致进水管前方的2#及4#水泵流道进口直接承受水流冲击，又由于流道进口低于引水管进口，惯性导致水流在旋转滤网断面上集中于流道底部，吸水室内水面振荡，水流在吸水管外环绕，流态较差。当某一单元突停且备用水泵(3#泵)运行时，备用泵流道从突停单元的前池进流，3#流道进口偏流直接导致流道内偏流，且较明显。

从表1结论可知，水流在前池扩散不充分及备用水泵本身进流不均匀是流道内水流流态较差的主要原因。因此，为使水泵能够安全高效的运行，试验在流道内加设整流措施来调整水流。经过试验比较，推荐并验证了以下方案：在进水前池设两排立柱，高度与进水管管顶齐平；备用泵流道的拦污栅后方设置一道横梁，以及旋转滤网后方设置两道横梁，具体布置见图2。

表1 泵房物理模型试验工况

图2 泵房流道断面示意图

4 循环水泵的汽蚀余量计算

一般工程中，循环水泵吸水口处最低运行液位高于水泵所要求的淹没深度即可，而立式斜流泵的淹没深度由设备厂家提供，因为不同水泵由于其设计性能差异而要求的淹没深度略有所不同。本工程的业主及监理工程师在审查过程中提出，在满足水泵所需淹没深度基础上，按照HI标准，水泵各运行工况下的NPSHa/NPSHr≥ 1.10。

首先计算表3中各工况下的水泵运行流量(工况由业主及监理工程师提出)，根据水泵性能曲线得出NPSHr；然后分别计算叶轮在各工况下的淹没深度得出NPSHa(最低运行水位是按业主要求的按照最低天文潮时海水取水管道有污垢产生的情况fouling condition)。计算结果见表2。

表2 水泵汽蚀余量计算

上表中的工况1和2是实际运行中都存在的工况，但是工况3则是不允许出现且不在设计范围内的，因为本工程已经设置有备用泵，当一台运行水泵跳闸时，备用水泵可立即启动，及时投入运行。但业主以万一备用泵未能正常投入运行为由坚持要算这个工况，而此工况由于水泵流量过大，水泵所需NPSHr太高，水泵淹没深度无法满足要求。经过验算，当水泵流量为10.532 m3/s时，NPSHa=14.47 m，NPSHr=12.00 m，NPSHa/NPSHr=1.20。

为保证水泵的安全运行，在凝汽器水室出口设电动调节蝶阀，并由DCS控制，当发生工况3时，立即连锁此阀门调节至水泵流量低于10.5m3/s，防止水泵发生气蚀，当确认备用泵短时无法投入运行后，机组降负荷或采取相应的保护措施。

5 循环水泵的运行工况计算

为保证直流冷却水系统的安全运行，防范由于断电停泵诱发系统出现严重负压，本工程在凝汽器水室最高处设置了真空破坏阀，并且要求真空破坏阀的延迟开启时间不超过0.5 s。应业主要求，对两机两泵运行，一泵跳闸，备用泵未能及时投运的特殊工况进行了瞬态流分析，分析结果表明，流量的大幅变化导致了凝汽器出口出现严重负压，最低已达到汽化压力，真空破坏阀需及时打开，同时此运行单元的两台机组都需降负荷运行或停机，影响较大。

由此，业主提出考虑n台机组n+1台水泵运行的方案，从而保护机组降负荷或跳闸的风险，这样就需要将备用水泵出口与两单元供水母管之间的连通阀门打开，全厂四台机组两个单元成为扩大单元制系统。首先针对上述要求进行了循环水系统的稳态计算，得出水泵各工况运行点，结果见表3。

表3 不同运行工况的循环水泵工作点

从上述计算结果可以看出，前两个工况水泵已经脱离了高效区范围，在此区间运行时很难保证其稳定性，有发生振动的可能；第三个工况，水泵在此工作点可以运行，但是由于总运行水量增大，泵房进水管道损失增加，前池设计水位明显降低，水泵的汽蚀余量要求无法得到保证。另外，三机四泵工况存在水量在两个单元平衡分配的情况，无法通过稳态计算进行定量，但从上表中的规律可以看到，水泵运行点可能在高效区的边缘。此外，n+1的模式也大大增加了厂用电量即电厂运行成本，而且全厂采用扩大单元制系统后，由于水泵跳闸，备用泵未及时投运所带来的风险影响范围可能将更广。因此，本工程不推荐n台机组n+1台水泵的运行模式。

6 设计心得

总结本工程循环水泵房在设计过程中与业主及监理的配合，主要有以下几点心得：

6.1 技术合同的解读和设计应用

本工程的一大特点为技术合同(即项目技术规范书)详细，针对全厂各个系统、工艺单元、结构、管道、阀门、支架、油漆、焊接等都有详细的描述和要求。除了合同中规定的国外标准或规范之外，几千页的技术规范书都是业主和监理工程师的审查依据。合同中的每一技术条款，哪怕一个单词，都有可能成为工程的技术风险点，因为有时从一般字面上可能无法领会牵涉到的更深更广的技术要求。

所有不满足合同要求的设计，业主都会要求修改，无论影响大小。甚至合同中还表示，若发现与合同要求不符的部分已施工完毕，无法修正时，业主仍有权进行相关的商务索赔。因此，阅读、理解技术合同并将其完整的应用到具体设计当中，是涉外工程的重要工作之一，实施过程中切忌单向按自己的惯性思维去设计，务必要忠于技术合同要求。

6.2 与业主及监理的沟通

沟通不畅，思维方式的不同也是本工程设计过程中的一大障碍，其中也不乏业主及监理对中国承包方的不完全信任和对中国设计规范的不了解。但作为一个EPC总包项目，业主及监理执意按合同条款来执行也无可厚非，在此过程中没有商量的余地，哪怕合同要求不尽合理，譬如泵房前池布置型式的不正确在后续的物理模型试验中就得到了验证。

涉外工程都设有一个设计审查的网络平台，从该平台进行图纸和文件的审查，但如果仅从这一个渠道实现图纸问题快速闭合将非常困难，因为经常会发生对问题理解错误答非所问的情况，这样一轮轮来回的提问、回答、修改严重滞后了设计进度。从本工程的实践过程来看，与设计监理使用邮件、电话等辅助沟通手段，将会更有利于设计审查的推进，因为这些方式可以将问题、想法和意见表达得更加清楚，减少了网络平台的沟通周期，推进图纸快速闭合用于现场施工。良好的沟通不仅能让我们更加正确的理解业主和监理工程师的意见，而且也让他们更好的了解我们的想法和设计习惯，并得到他们的认可。

6.3 商务谈判手段的加强

紧扣合同进行审查贯穿于整个工程的实施过程，这是业主索赔承包商的主要手段，他们以不满足技术合同为由，增加各种要求，产生不可预估的工程量变化，同时现场未得到批准也无法施工，耽误了工期。其实这也是我们应该学习并应用的手段，在业主和监理方提出的众多要求中，应及时梳理是否在合同要求范围内，若不在，可立即提交项目管理者，记录下完整的设计过程，让技术沟通和商务谈判同时进行，从而有效地改善承包商的被动地位。

细化国外标准学习，精读设计合同条款，提高沟通协调能力，加强商务谈判手段，才能在这条涉外工程道路上越走越远。

参考文献：

[1] DL/T 5339—2006，火力发电厂水工设计规范[S].

[2] DL/T 5489—2014，火力发电厂循环水泵房进水流道设计规范[S].

[3] ANSI/HI 9.8—2012，Pump Intakes Design[S].