杭州市九溪水厂设计介绍与建设体会

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简介： 杭州市九溪水厂总设计规模为60万m3/d，分为三期建成，其中第三期(30万m3/d)采用世行贷款按国际通行的性能性招标方式组织建设。水厂自2000年6月投产以来，出厂水质各项指标，均达到建设部2000年科技进步规划中要求一类水司标准，出水浊度平均为0.3 NTU，经常在0.1 NTU以下。介绍了水厂的水源，处理工艺及供电和自控系统等，并总结了设计特点和建设体会。
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 杭州市九溪水厂设计能力60万m3/d，是目前浙江省规模最大的自来水厂。该水厂是利用国外贷款，既引进90年代国际先进技术与设备，又充分使用国内成熟经验，使国内外技术融为一体。设备进行合理组合的一座现代化水厂。水厂自1999年6月试运行，2000年6月正式投产以来一直运行正常，出厂水质各项指标都达到了建设部2000年科技进步规划中要求一类水司标准，出厂水浊度去年平均为0.3 NTU，经常在0.1 NTU以下。全厂职工只有60人，其中生产一线30人，每班只有5人。现将该工程的设计和建设特点介绍如下。
    
    1　设计介绍
    
    　　九溪水厂分为三期建成，一、二期规模各为15万m3/d，三期为30万m3/d。
    
    　　1.1　水源
    
    　　以钱塘江珊瑚沙段为水源，钱塘江干流全长483 km，一般流量在5 000 m3/s，枯水年平均泄水量300 m3/s (95%保证率)。水质良好，按地面水环境质量标准评价属Ⅰ～Ⅱ级。原水浊度3.2～7 000 NTU；温度5～32℃；色度10～30 SCU；氯化物3～4 370 mg/L(咸潮型河段)；铁0.05～0.08 mg/L；锰0.05～0.10 mg/L；总细菌280～7 300个/mL；总大肠菌群740～9600个/L。
    
    　　1.2　工艺流程
    
    　　水厂工艺流程如图1。
    
    　　 1.3　工艺设计
    
    　　1.3.1　取水泵房
    
    　　取水口为淹没式江心取水口，通过长108 m(DN=2600)引水钢管自流进水泵站吸水井。泵站平面尺寸24.6 m×26 m， 地下部分深12.8 m，内设粗格栅、旋转滤网及立式斜流泵 (Q=6875 m3/h，H=16 m)5台。
    
    
    图1　工艺流程 1.3.2　配水井
    
    　　圆型配水井直径18 m，有效容积1470 m3，分设4路，停留时间3.2 min，主要功能为将原水均匀分配至4组净水构筑物，兼作预氯化投加点。
    
    　　1.3.3　混合
    
    　　采用DN=1400×4静态管道混合器，速度梯度为 750～1000 s-1，滞留时间最长为6 s，投药口设于混合器前端，分上、下、左、右4处，保证药液快速、均匀的分配。
    
    　　1.3.4　絮凝沉淀池
    
    　　絮凝采用水力折板絮凝，分为三段，絮凝时间为15～18 min；速度梯度分别为：异波折板 80 s-1，同波折板43 s-1，平板24 s-1；絮凝区设穿孔排泥管，气阀控制。
    
    　　共设4组平流式沉淀池，每座平面尺寸为118.5 m×18 m，有效水深3.2 m，分为两格，每格处理能力7.5万m3/d。出水为锯齿形三角堰指形槽，堰的负荷率一期为440～500 m3/(d·m)，二期为190～225 m3/(d·m)，三期为150～170 m3/(d·m)。排泥采用刮吸结合无轨道式吸泥机。
    
    　　1.3.5　滤池
    
    　　滤池全部采用V型滤池，均粒石英砂滤料，有效粒径0.95 mm(?K=60?分别为≤1. 4，≤1.6)、砂层厚度为1.20 m,4～8 mm砾石垫层厚50 mm，气水反冲洗、恒水头、恒滤速过滤。
    
    　　一、二期15万m3/d规模为一组，每组分为10格，单格面积107.27 m2(有效过滤面积9 3.28 m2)，滤速7.37 m/h。三期30万m3/d规模为一组，每组分为10格，单格面积186 .6 m2(有效过滤面积163.0 m2)，滤速7.82 m/h。冲洗强度：表冲1.8 L/(s·m2) ，气冲15.28 L/(s·m2)，水冲一、二期2.08～3.85 L/(s·m2)，三期为 1.94～3.6 L/(s·m2)。
    
    　　操作室设：3台反冲洗水泵，每台水泵水量1100 m3/h，扬程8.6 m，电机功率 45 kW；2台鼓风机，每台风量8918 m3/h，风压1.35 bar，电机功率132 kW；1台空气压缩机，风量56.5 m3/h，风压7 bar，电机功率7.5 kW。
    
    　　滤池的控制阀门均采用气动。在滤池水头损失和流速变化情况下，每格滤池在±100 mm范围内的定水位由出水控制阀门自动维持。
    
    　　1.3.6　清水池
    
    　　一期二期滤池下部各设有3000 m3接触池，三期另设容积为12000 m3清水池。厂外增压泵房另设清水池30000 m3。
    
    　　1.3.7　送水泵房
    
    　　两座30万m3/d规模的半地下式送水泵房分设在高压配电间及控制室的左右。
    
    　　一期内设两台奥地利ELIN公司600-LNN-950水泵(Q=4700 m3/h，H=22 m，配套10 kV电机，315 kW)。两台上海KSB32SA-19A-1100水泵(Q=5500 m3/h，H=22m，配套10 kV电机，450 kW)。三期内设4台法国660-LNN-950水泵 (Q=5000 m3/h，H=24 m，配套10 kV电机，450 kW)。
    
    　　1.3.8　加药间
    
    　　加药间设有Cl2、NH3、Al2(SO4)3、PAM、NaOH等5种药剂的储存、调制及投加设施。
    
    　　1.3.8.1　消毒剂
    
    　　消毒剂采用氯和氨。前加氯设计投加量3 mg/L，为流量比例控制，每台最大加注量57 kg/ h(2用1备)，投加点为原水流量计出口10 m处加氯井内。
    
    　　后加氯设计投加量1.5 mg/L，共设置5台余氯控制加氯机，其中一、二期为3台10 kg/h(2 用1备)，投加点为滤池下部接触池进水端；三期为2台20 kg/h(1月1备)，投加点为滤池出水渠堰口处。
    
    　　后加氨设计投加量1 mg/h，采用压力式流量比例加氨机，每台最大加注量20 mg/h(2用1备 )，投加点为送水泵房吸水井。
    
    　　加氯间由气源室(15.2×10.5 m)、氯库(10.4 m×8.5 m)、蒸发器与加氯机室(10.5 m ×5.6 m)、泄氯中和装置(10.5 m×7.6 m)等组成。
    
    　　加氨间由气源室、氨库(15.2 m×10.5 m)及加氨机室(11.1 m×3.8 m)组成。
    
    　　1.3.8.2　混凝剂
    
    　　混凝剂为液体聚氯化铝，备用混凝剂为固体聚氯化铝。
    
    　　混凝剂投剂间平面尺寸38 m×10.5 m，溶解池与溶液池合建于室内地坪下，共分3格(每格尺寸12.8 m×3.05 m×3.8 m)，交替运行，每格配2台5.5 kW搅拌机，投加液浓度依据液位计信号自动调配，并用浓度计的信号进行修正。
    
    　　设计平均投加量30 mg/L(商品原液)，共设8台(4用4备)美国M.R公司计量泵，每台投加量 4 550～6 060 L/h，采用SCD信号调节频率流量信号调节冲程方式进行控制。
    
    　　1.3.8.3　助凝剂
    
    　　助凝剂为粉状袋装聚合电介质。
    
    　　药库平面尺寸10.5 m×3.8 m，投加间平面尺寸15.2 m×10.5 m。投加液由TMI提供的3台配制罐进行配制，每罐容积4 m3(配1.5 kW搅拌机)。设计平均投加量0.08 mg/L，投加泵出液管上配有稀释设施。共设12台双缸投加泵(8用4备)，每台投加量33 L/h，投加泵的运行可在10%～100%范围内进行手动调节。投加点为絮凝池进水端。
    
    　　1.3.8.4　pH调节剂
    
    　　调节剂用荷性钠(NaOH)45%浓度的液态产品，比重为1.3。投剂间平面尺寸15.2 m×10.5 m，设有2个40 m3封闭储存池，储存池上配有干燥设备。主要作用为调整出厂水pH，使出水具有良好的口感；或根据原水水质的情况，可对原水pH调整，以保证良好的絮凝效果。pH 调节的设计投加量12 L/h，投加浓度450 g/L。设12台(8用4备)双缸投加泵，每台投加量66 L/h，手动操作投加，投加点为管式静态混合器入口端。
    
    　　出厂水pH调节的设计投加量8 mg/L，投加浓度450 g/L。设3台(2用1备)单缸投加泵，每台投加量650 L/h，投加泵依据滤后水流量信号调节其频率，自动投加，投加点为送水泵房吸水井内。
    
    　　1.3.9　回收水池及综合泵房
    
    　　设有容积分别为600 m3与500 m3回收(污泥)水池2座，分别接纳滤池反冲洗废水及沉淀池排泥水。回用水泵将上清液抽至配水井重复使用，污泥泵将泥水排入钱塘江。
    
    　　1.3.10　净水厂生活污(废)水处理
    
    　　将生活污(废水)收集至污水调节池，经A/O(地埋)式活性污泥处理设备二级生物处理，达标后排入钱塘江。处理规模100 m3/d。
    
    　　1.3.11　清水输送管线
    
    　　原水经净化处理后，由2根长170 m、?DN=1600送水泵房输水钢管汇入一根长1560 m 、?DN=2400输水钢管，并与长8700 m、直径2900 mm输水隧道接通；隧道出口由长度31 m、?DN=2900钢管，与厂外苗圃增压泵站内清水池接通；经加压后再送入城市管网。
    
    　　1.4　供电及自控系统
    
    　　供电采用2路10 kV高压线路，厂内设有总高压配电装置及2台630 kV，10 kV/380 V的低压变电器。
    
    　　自控采用集散性控制系统(DCS系统)，该系统由中心调度室及进水、加药、滤池1、滤池2 、滤池3、出水、综合泵房等7个PLC站组成。网络结构分为单元控制、通讯和监控三级既可实行调度室集中控制，也可在各控制子站通过PLC子站间采用高效可靠的FLPWAY网络连接，实现各PLC间的数据交换，各控制站的计算机利用高流量通讯网络ETHWAY和NETDDE互相联接，实现计算机间的快速信息交换。中控室还设有一台主模拟屏和全厂摄像监控系统。
    
    2　设计特点
    
    　　2.1　稳妥可靠的工艺技术
    
    　　(1)针对水源水质变化较大的情况选用适应性强、稳妥可靠的常规净水处理工艺，特别强调了原水的均匀分配、快速混合、充分絮凝以及选用能够确保水质处理效果的沉淀池与滤池的设计参数。
    
    　　(2)加强了沉淀池的排泥，针对钱塘江原水浊度变化频繁含泥沙量大的特点在沉淀池常规设计的基础上选用法国提供的带12组橡皮驱动(定向)滚轮的桁架式虹吸式刮(吸)泥机，与一般虹吸式排泥机相比有所创新。还在沉淀池区长度1/3一端部积泥较多部分加设两道固定排泥斗，利用吸泥机刮板将池底污泥刮至泥斗储存，靠重力强制排泥。
    
    　　(3)降低沉淀池出水堰负荷，确保矾花不易上浮。
    
    　　(4)扩大了滤池单池面积，三期30万m3/d，滤池只有10座，每座面积有163 m2，为国内之最，从而节省了建设投资。
    
    　　2.2　加药设计有所创新
    
    　　(1)加药品种多样化，保证良好的净水效果。使出厂水具有良好的口感。
    
    　　(2)药剂原料不落地、不搬运。加药间通常是最脏、最乱的地方，这主要是由于人工搬运的缘故。本设计将原料进口设在加药间外面，可与运输车辆直接连接自流进入溶药池，并将溶解池与溶液池连在一起设置在地下，为药库宽敞、明亮、清洁环境提供了保证。
    
    　　(3)加氯、加氨均采用自动控制投加设备，并有双保险措施即既可以利用分控站PLC，也可以利用投加设备内控制器实现闭环控制。
    
    　　(4)计量泵采用SCD与进水流量双信号控制，更加有效地保证处理效果。
    
    　　(5)建筑设计上考虑布局合理，通风良好，有效的防腐措施及必要的建筑面积。药库与加药间分设，加药间每个房间都可割断，确保生产安全。
    
    　　2.3　先进的自动控制
    
    　　九溪水厂的DCS系统具有以下特色：
    
    　　2.3.1　双机热备结构的调变主机
    
    　　主机配备双机并处于热备状态，在切换时做到不会丢失数据，又使它的无故障工作时日(M TBF)从4×10?4 h提高到6×10?4 h，从而使整个DCS系统的MTBF提高了近1.5倍。
    
    　　2.3.2　高可靠的网络结构
    
    　　DCS系统的通讯网络是三级控制的神经，为了提高其运行速度和可靠性，不采用单一型式的通讯网，而是在各PLC站之间采用FIPWAY网络连接以进行站际间的数据通讯，PLC与RTU之间通过MODBUS通讯协议，实现与总公司的数据通讯，各控制站计算机FTHWAY高流量通讯网络和NETDDE互相连接，实现计算机之间的快速信息交换。这种结构可以充分保证内部三级控制方式的高速通讯，各级网络之间是隔离的，当其中某一网络发生故障时，可以自动改变通讯传送链路进行信号传输，使系统控制的影响减到最小。
    
    　　2.3.3　完善的辅助系统
    
    　　辅助系统是自控系统正常运行的保证。考虑到水厂处于雷电多发区，配置了完善的避雷设施，包括防直接雷系统、防感应雷的电源避雷、网络避雷、信号避雷、一次仪表避雷等。为了适应全自动化的管理需要配置了7台室外摄像机、5台室内摄像机，4台显示屏，对生产关键部位进行全天候监测。
    
    　　2.3.4　崭新的工业组套软件
    
    　　设计使用INTOUCH7.0版本新的软件，具有面向对象的图形功能、动画连接功能、标准用户界面、精灵图库功能、动态参数功能等，具有画面立体感强，操作误码率小的特点。为提高自控系统的整体可靠性、主机和PLC都设置了必要的冗余系统。
    
    　　2.4　少而精的一次仪表
    
    　　一次仪表的优劣往往对自控系统的可靠程度影响极大。九溪水厂一次仪表的设计遵循两条原则：一是尽可能的少，除原水、沉淀水、滤后水的流量、浊度，SCD值，余氯，压力，药液液位、浓度等必要的参数参与控制外，一般不设在线式仪表；二是尽可能的精，不仅是选用名牌的仪表，而且要在国内已被使用，实践证明性能可靠的产品，这些产品的零配件又能在国内市场上购买到。
    
    　　2.5　优美的建筑与环境设计
    
    　　净水厂占地338亩，水厂场地地形平坦、地势开阔，位于杭州国家之江旅游度假区。为与周围环境协调，水厂的布局及建筑造型格调新颖、环境优美和富有时代感。绿化面积占厂区面积45%，使厂内建筑尽可能地淹没于绿色环抱之中，再借以清水池顶上的西湖微缩水池、小品、雕塑等，与周围环境组成一个完整而又叠落有序的建筑空间群体，使整个厂区既富有生机，又亲切宜人。
    
    3　建设体会
    
    　　九溪水厂第三期工程(30万m3/d)是利用世界银行贷款按国际流行的性能性招标方式进行组织建设，工程总投资只有2.1亿人民币，平均每m3水造价为700元(不计土地征用费)，自投产以来，设备运转正常，效益显著，我们认为主要抓住几个主要环节：
    
    　　3.1　交钥匙工程的招标投标
    
    　　性能性招标是国际上通用的承包方式。但在国内尚属首次，这种招标分为三个阶段：首先是由业主按工程要求达到的性能指标和边界条件编制标书；标书分为商务标书和技术规格标书，技术规格标书的主要内容有总体要求、设计标准、设备、管道、电气仪表与土建安装等性能要求。然后组织投标，投标分二步进行，第一步为不带报价的技术方案投标；第二步为修改的技术方案与商务投标。只有通过了第一步投标的承包者才能参加第二步投标。最后进行评标和确定总承包商与签订合同。中标者根据双方签订的夫议编制设计导图经业主同意后完成施工图，负责组织土建施工，设备供货、安装、调试以及建成后一年的性能保证和维护。这种招标是实质上的交钥匙工程，其优点在于可以给投标者充分展示技术能力的机会，能把一些国际先进的技术运用到工程中去，业主有充分选择的余地，在激烈的竞争中可以节省投资。但这种方式招标对业主来说要求更高。一对项目的前期论证必须充分，在没有设计的条件下要对工程建设达到的目的和必须配置的所有设备十分清晰，技术内容必须完整，要求必须具体，特别不能漏项。二在技术谈判前要掌握大量技术信息；要对所有工艺设计、参数选择、尺寸大小、设备型号、数量、制造厂家、内外连接、土建标准、调试要求、人员培训直到备品备件展开充分讨论细致周到，争取滴水不漏。三选择投标商的条件应是对招标文件作了实质的响应并全部达到了业主希望；评标价格和预计的运行和维修成本是最低的；承包商本身有良好的信誉和可靠的合作伙伴，有较完整的实施方案和完成时间保证；对各项安排都有周到的考虑。九溪水厂最后由法车德利满公司中标，双方都取得了满意的结果。
    
    　　3.2　建设过程中的质量控制
    
    　　交角匙工程虽然总承包者对工程性能、质量承担全部责任，但业主还是需要对建设过程进行全方位的质量控制。特别对国外设计导图要进行全面审查以便确实落实了合同规定并符合了中国规范。施工图完成否还要经业主、质检和监理单位联合审查后才能投入施工，并在整个施工过程中进行质量监督。
    
    　　3.3　自控建设应注意的问题
    
    　　现代化水厂的自控要求很高，引进设备较多，选择余地较大，但弄得不好容易开始自动，不久手动因此要特别引起注意。一是定位要正确。对那些要求自动，自动到什么水平要根据需要并量力而行，不能目地追求全自动。二对设备的选择要以我为主，首先要求高可靠、高质量；既引进国外先进设备也不排斥国内先进设备。引进国外设备要尽可能采用在中国已经被实践证明性能良好，并且能在国内买到备件的名牌产品。三对一次仪表要特别关切。对水厂自控来说，PLC和计算机的可靠度已经相当高，因此一次仪表选择是自控系统能否正常运转的关键所在，对一次仪表特别是在线仪表一定要少而精，不要盲目的配置。对参与控制选用的仪表一定要将可靠性作为首选指标，不宜盲目地选择价格低的产品。
    
    　　3.4　调试、验收及人员培训
    
    　　调试要分阶段进行，一般顺序是单机空转、带负荷运转、联动试车。先手动、后自动。
    
    　　竣工验收要按国家有关规定进行。目前对水厂自控系统的考核一般采用模糊处理方法没有统一的标准。在九溪水厂试运转中我们提出了一套量化考核方法即操作指令执行平均时间≤ 3 s；当主设备发生故障，后备设备自动取代的间隔时间≤30 s；计算机显示数据刷新时间 ≤500 ms；在72 h内容许的通信故障发生的累计时间不超过30 s，一次最长的时间不大于10 s；从故障发生到显示在计算机上的时间≤3 s；用硬件网络测试器测得的通讯负载容量平均负荷≤2%，峰值负荷≤10%；PLC对一次仪表的采集周期≤20 s，PLC扫描周期为1～2 s，计算机之间的请求时间常规值为1 s，等待时间常规值为5 s。对九溪水厂DCS系统的性能测试全部达到了以上标准。
    
    　　人员培训是建设和管理好现代工厂的基础。我们体会对国外先进设备和技术的消化、吸收、创新、提高不是一朝一夕之功，必须注意人员培训。要安排水厂管理技术人员从项目引进谈判、水厂设计设备安装调试一以贯之，没有合格熟练的管理人员就没有自动化。
    
    　　　　
    
    　?⊙作者通讯处：310009 杭州市建国南路168号?
    　?　?　　杭州市自来水总公司
    　?　　　　　* 戈关生 610081 中国市政工程西南设计院