我国海水利用工程取水构筑物型式研究

王印忠， 李治洁， 李雪， 张连强， 王维珍

（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所， 天津 300192）

由于受到取水流量、 取水水质、 水文地质、 施工方式以及安全防护等多个因素的影响， 海水取水构筑物的选择和设计是一项重要而复杂的工作。 如何简单快速地确定技术经济合理的海水取水构筑物型式及设计方案， 始终是众多工程技术人员长期探讨的问题。 周金全［1］通过介绍秦山、 大亚湾和田湾等地的滨海核电厂海水取水设计方案， 阐述了滨海核电厂取水工程设计中的基本要点。 王印忠等［2］通过分析不同海岸类型的水文地质特征， 建立了取水构筑物型式与海岸类型的适用关系。 水务协会海水淡化委员会［3］和王生辉等［4］则分别总结了海水淡化工程海水取水构筑物的选择经验。 虽然以上结论为海水取水构筑物的选择和设计提供了宝贵借鉴， 但其指导作用却受到应用对象和影响条件的局限， 尤其是未对取水水量所产生的影响进行深入探讨。

近年来， 以海水冷却和海水淡化为代表的海水利用工程在我国蓬勃发展。 截至2018 年底， 我国海水直流冷却和海水循环冷却年用水总量已经达到1 391.56 亿t。 其中， 已建成海水循环冷却工程21个， 总循环量为1 818 800 t／h。 同时， 我国已建成海水淡化工程142 个， 工程规模为1 201 741 t／d［5］。海水取水构筑物分布广泛、 型式丰富、 取水能力各异， 不仅保证着海水利用工程的正常运行， 也为未来海水利用工程取水构筑物的选型和设计提供了具有统计意义的工程样本。

针对海水取水构筑物设计选型多样化的现状，通过分类统计现有海水冷却工程和海水淡化工程的取水流量及所采用的取水构筑物型式， 分析取水流量、 取水水温、 水面波动以及水文地质对取水构筑物选型的影响， 明晰不同应用对象和多因素影响条件下经济适用的海水取水构筑物型式， 以此简化海水取水构筑物的选型过程， 提升海水利用工程海水取水方案的科学性。

1 滨海核电厂海水直流冷却工程

滨海核电厂海水冷却工程主要用于常规岛汽轮机凝汽器的冷却和少量辅助设备冷却。 目前， 我国滨海核电厂海水冷却工程均采用直流形式， 即海水作为冷却介质一次通过换热设备后就排回大海， 因此在无其他合建取水流量的情况下， 其冷却水量基本等于取水流量。 我国部分滨海核电厂取水流量（冷却水量）和海水取水构筑物型式如表1 所示。

由表1 可以看到， 除我国最早建设的浙江秦山核电厂一期工程外， 滨海核电厂的取水流量（冷却水量）一般较大， 均接近或超过100 m3／s（72.28 ～393.36 m3／s）。 从海水取水构筑物型式看， 滨海核电厂海水直流冷却工程主要采用引水明渠、 引水隧洞或明渠与隧洞组合的型式。

表1 滨海核电厂海水直流冷却工程取水流量和海水取水构筑物型式Tab. 1 Intake flow rate and seawater intake structures of seawater once-through cooling projects of coastal nuclear power plants

引水明渠和引水隧洞的广泛采用是与滨海核电厂海水直流冷却工程的工艺要求密切相关的。 首先， 滨海核电厂冷却水量和取水流量大， 取水构筑物必须具有较大的取水能力。 隧洞式、 箱涵式、 明渠式、 港池式、 岸边式、 码头前沿式取水构筑物的过流断面基本不受限制， 因此， 在取水能力方面均较为适用。 相反， 过流断面受到限制的制式管道则难于适用。 例如， 按照NB／T 25002—2011《核电厂海工构筑物设计规范》［16］规定的2.5 m／s 流速计算，当取水流量达到100 m3／s 时， 2 根取水管道的单根过流面积需20 m2， 即管道直径约为5 m。 而电厂水工工程中经常使用的焊接钢管、 预应力钢筒混凝土管和玻璃钢管， 其最大管径也仅为2 540 mm（外径）和4 000 mm（公称直径）［17-19］。 同时， 文献［16］规定“与取水明渠相连的取水泵房外前池， 应具有良好的水流状态， 在设计高水位与100 年一遇波浪组合工况下， 水面波浪波动幅度（HS）不宜超过0.5 m”。 在此规定之下， 港池式、 岸边式、 码头前沿式取水构筑物因较难控制水面波动也基本不予采用。

其次， 从水文地质方面考虑， 对海滩平缓、 潮差大、 近岸有沿岸泥沙运动的海域， 采用明渠取水会使取水构筑物深入海中较长， 占地过大， 泥沙淤泥严重， 因此明渠式取水构筑物适合深水近岸， 水中泥沙较少， 地质条件稳固的基岩海岸， 而隧洞式取水构筑物则适合淤泥质及地质条件复杂的海岸。

此外， 直流冷却工程中发电机组受冷却水温影响较大， 夏季取水温度每增加1 ℃， 机组出力大致要降低0.3%， 因此要求取水构筑物应尽可能取到较低温度的海水。 为满足这一要求， 隧洞式取水构筑物一般将取水头部设于深水处， 明渠式取水构筑物采用下部透空、 上部拦截的取水口构型。

2 滨海火电厂海水直流冷却工程

滨海火电厂海水直流冷却工程主要用于燃煤（或燃气）发电机组凝汽器的冷却和少量辅助设备冷却， 其冷却水量也基本等于取水流量。 直流冷却是我国滨海火力发电厂海水冷却工程的主要工艺形式。 我国部分滨海火电厂海水直流冷却工程取水流量和海水取水构筑物型式如表2 所示。

由表2 可以看到， 滨海火电厂取水流量较滨海核电厂小， 多数明显小于100 m3／s。 海水取水构筑物主要以取水头+ 引水箱涵为主， 引水明渠和引水隧洞也有少数采用。

表2 滨海火力发电厂海水直流冷却工程取水流量和海水取水构筑物型式Tab. 2 Intake flow rates and seawater intake structures of seawater once-through cooling projects of coastal thermal power plant

与滨海核电厂相似， 滨海火电厂海水直流冷却系统也需要取集低温海水并控制进水前池的水面波动。 DL／T 5339—2018《火力发电厂水工设计规范》［38］中8.1.3 条第5 款规定： “在100 年一遇高潮位， 50 年一遇的波浪H13%作用下， 泵房吸水池的有效波高H13%不宜超过0.3 m”， 因此箱涵、 明渠或隧洞式取水构筑物均较为适宜。 由于取水量变小， 且钢筋混凝土箱涵可在陆地上预制， 海上装配施工也较容易， 建设成本较低， 取水安全性较高， 因此箱涵在滨海火电厂海水直流冷却工程中应用最为广泛。

3 滨海火电厂海水循环冷却工程

海水循环冷却与海水直流冷却的不同之处在于， 冷却海水不再只经一次换热后就排回大海， 而是由冷却塔冷却后重新回到换热设备， 因此由取水构筑物取集的海水只需补充循环冷却过程中因蒸发、 排污、 风吹和系统泄漏而损失的水量， 其值通常仅为冷却水量的3% 左右（以浓缩倍数为2 及以上计）。 目前， 海水循环冷却工程在我国主要应用于火力发电行业。 我国部分滨海火电厂海水循环冷却工程取水流量和海水取水构筑物型式如表3所示。

由表3 可以看出， 滨海火电厂海水循环冷却工程 取 水 流 量 较 小， 其 值 均 在5 m3／s 以 下（0.39 ～4.64 m3／s）。 同时， 取水构筑物型式多样， 有引水箱涵、 引水隧洞、 潮汐式取水构筑物、 岸边式取水泵房、 与直流冷却合用取水构筑物等。

表3 滨海火电厂海水循环冷却工程取水流量和海水取水构筑物型式Tab. 3 Intake flow rate and seawater intake structures of the seawater recirculating cooling projects of coastal thermal power plants

相比于直流冷却， 循环冷却方式的变化引起了取水水源和取水方式的显著变化。 首先， 较小的取水流量增加了长距离输水在经济上的可行性，从而使工程选址可以摆脱输水距离不超过1 km，供水总扬程在25 m 以内的经济性限制［42］， 同时也使取用流量有限的感潮河水作为冷却补水成为可能。 其次， 由于取水水泵单机流量较小， 水泵运行对泵房吸水池水面波动不再敏感， 因此岸边式、潮汐式取水构筑物也可以成为技术经济合理的选择。 最后， 由于在循环冷却系统中补充海水不再是最终冷源， 而循环海水主要是作为冷却介质，因此机组发电效率对海水取水水温不再依赖， 取水构筑物无需再取集深层低温海水， 从而使采用隧洞、 箱涵和明渠等取水构筑物失去了技术经济上的必要性。

4 海水淡化工程

海水淡化工程取水主要为海水淡化设备提供原料海水和冷却海水。 根据采用反渗透法或蒸馏法海水淡化方式的不同， 海水取水流量一般约为淡化产水量的2 ～4 倍。 我国部分海水淡化工程取水流量和海水取水构筑物型式如表4 所示。

由表4 可以看出， 海水淡化工程的取水流量一般较小， 多数不超过0.5 m3／s。 海水取水构筑物型式具有以下特点： 首先， 规模较小的独立海水淡化工程多采用取水能力较小但建设成本较低的沙滩井、 大口井或潜水泵直接取水； 其次， 在具有海水冷却工程的发电厂中， 海水淡化往往与海水冷却合用取水构筑物， 其型式由取水流量较大的海水利用工程决定， 如引水箱涵、 引水明渠或岸边式取水构筑物等。

表4 海水淡化工程取水流量和海水取水构筑物型式Tab. 4 Intake flow rates and seawater intake structures of seawater desalination projects

5 结论

通过全面分析取水流量在0.001 ～393.36 m3／s范围内的海水利用工程可以看出， 取水流量是海水取水构筑物型式选择的最重要因素。 不同的取水流量可采用的海水取水构筑物型式显著不同。 当在一定的取水流量范围内有多种取水构筑物型式可供选择， 或者取水流量不在以上工程案例涵盖的范围内时， 应结合水文地质、 取水水温、 水面波动控制等要求通过技术经济比较确定。

（1） 对于取水流量在72.28 ～393.36 m3／s 范围内的滨海核电厂海水直流冷却工程， 海水取水构筑物主要以引水明渠、 引水隧洞或明渠与隧洞组合型式为主， 具体采用哪种型式应根据海岸类型或水文地质情况确定。

（2） 对于取水流量在9.43 ～202.78 m3／s 范围内的滨海火电厂海水直流冷却工程， 海水取水构筑物主要以引水箱涵为主， 明渠和隧洞也有少数采用。

（3） 对于取水流量在0.39 ～4.64 m3／s 范围内的滨海火电厂海水循环冷却工程， 可以采用的海水取水构筑物型式多样， 如引水箱涵、 引水隧洞、 潮汐式取水构筑物、 岸边式取水泵房、 与直流冷却合用取水构筑物等。

（4） 对于取水流量一般在0.5 m3／s 以下的独立海水淡化工程， 宜采用取水能力较小但建设成本较低的沙滩井、 大口井或潜水泵直接取水。 如果海水淡化工程设在具有海水冷却工程的发电厂中， 那么海水淡化与海水冷却合用取水构筑物则更为经济。