煤制油项目的全厂地下管网具有无设备安装、涉及相关专业和不确定因素较少等特点, 项目在建设时通常会先完成全厂地下设施的施工, 为后续地上安装工作奠定基础。因此, 业主一般会要求设计院先完成全厂地下管网的设计。下面结合某煤制油工程的案例, 阐述全厂地下管网设计的要点, 为同类案例提供参考和借鉴。

某煤制油项目占地310hm², 全厂地势南高北低 (高差37m) , 由南向北分为5个大的台阶, 台阶之间高差6~10m。其中第1~3台阶为装置区, 第4台阶为罐区和污水处理系统, 第5台阶为事故池、消防水池和雨水监控池。此布置有利于厂区各装置的生活污水、雨水等重力流管线自流进入污水处理系统或各水池内。项目所在地最大冻土深度为1.2m。

全厂给排水地下管网设计是在全厂总平面布置图、全厂竖向布置图、全厂水平衡图、气象资料、地勘资料及各装置的界区接管条件和水量条件基础上进行的, 同时在开展详细设计前已与电气、仪表、电信、全厂管廊等专业对地下设施进行了总体规划, 规定了地下设施的走向与占地。

全厂给排水地下管网设计范围为:工艺装置区、辅助生产区、公用工程设施区等界区红线外区域的给排水地下管网设计。

全厂给排水地下管网分为:给水管网和排水管网。给水管网包括:生活给水、生产给水、稳高压消防水、循环冷却水和回用水管道;排水管网包括:清净废水、生活污水和雨水管道^[1]。由于《石油化工防渗设计规范》 (GB/T 50934-2013, 以下简称“防渗规”) ^[2]的颁布实施, 且其表4.0.5中规定地下生产污水管道为重点污染防治区, 同时对管道材质、管道探伤比例、井的防渗都有严格的要求, 在综合施工成本和施工难度等因素后, 决定将生产污水管道定为在管廊上敷设。

根据《石油化工给水排水管道设计规范》 (SH3034-2012, 以下简称“管道规”) ^[3]中第5章的相关规定, 给水管道和排水管道分别敷设在道路两侧;管道的交叉处, 小管径管道避让大管径管道, 压力流管道避让重力流管道, 同时管道间净距≥0.1m;平行敷设的管道, 管道之间净距、管道外壁与相邻管道上井外壁之间的净距等均按“管道规”^[3]的要求设计。

根据《石油化工企业设计防火规范》 (GB 50160-2008, 以下简称“石化规”) ^[4]8.5节要求, 稳高压消防水管道在各装置周围呈环状布置, 距路边2m。公用工程区四周的消火栓间距不超过120 m, 罐区及工艺装置区四周的消火栓间距不超过60 m。为保护罐区及工艺装置区内储罐和甲、乙类可燃气体、可燃液体设备的高大构架、设备群, 在各装置界区外适当位置设置了消防水炮。

循环冷却水、生活给水、生产给水、回用水管线分别自水处理设施 (循环水场、净水场、废水处理及回用) 输送至各装置接管点, 管线呈支状布置。对于管径≥DN800的管道, 在管线上设置了检修人孔, 人孔间距≤500m^[5], 做法参见图1。

雨水管道布置在道路的另一侧 (与稳高压消防水管道对应) , 距路边2 m。雨水管道在连接各装置的接点并考虑收集装置界区外雨水的前提下呈支状布置, 依托全厂南高北低的地势, 分西、中、东共三路由南向北汇入第4台阶处的雨水总管, 最终接入全厂雨水监控池。雨水口布置在道路上汇水点和截水点处, 间距为25~50m, 连接管串联雨水口个数不超过3个, 雨水口连接管长度不超过25m^[3]。

生活污水和清净废水从各装置分别重力流接至污水处理和废水处理及回用单元, 管线呈支状布置。

本项目占地310hm², 依据“石化规”8.4.2条的规定, 全厂同一时间内的火灾按2处考虑, 一处为厂区消防水量最大处, 一处为厂区辅助生产设施。经计算确定, 罐区内液化烃罐组 (辅助生产设施) 的消防水量最大, 为490L/s, 工艺装置区内A装置的消防水量最大, 为450L/s, 所以全厂的消防水主管应按940L/s核算管径。同时全厂五大台阶周围的消防水管道应按所在区域最大消防水量 (装置或罐区) 核算管径, 在核算管径时, 还需结合各装置的接管点压力、全厂地势及管道经济流速等因素综合计算。

循环水、生产给水、生活给水、回用水管道管径按全厂水平衡中最高时设计给水量在满足各装置接管点压力, 保证经济流速的前提下, 计算管道管径。管道的经济流速可参考规范《中国石化炼化工程建设标准给排水、消防管道配管设计规定》 (Q/SH0700-2008) 中表10.1^[6]。

全厂雨水管道收集各装置的雨水和消防水及界区红线外的雨水。各装置的雨水流量和消防水量已由各装置提供, 界区红线外雨水流量根据暴雨强度公式和汇水面积计算得出, 然后结合管道设计坡度、设计充满度 (100%) 来计算管道管径。

排水管道依据水平衡图上确定的最大排水量, 结合设计充满度、管道坡度等参数来计算管径。管道设计充满度和管道坡度的选择可参考“管道规”表7.5和表7.7。

根据“管道规”5.1节的要求, 在压力流管道 (生活给水、生产给水、循环水、稳高压消防水) 的隆起点和平直段的必要位置上设置了排气阀, 排气阀的阀径选择参照《室外给水管道附属构筑》 (05S502) ^[7]执行;在压力流管道的低点处设置了泄水阀, 利用每个台阶的高差将给水管道里的水排到雨水检查井内, 泄水阀阀径的计算需结合给水管道直径和长度、检修时间 (2~4h) ^[3]确定的。排气阀和泄水阀的安装参见图2~图3。

为满足稳高压消防水管道上消火栓的检修要求, 在管道上设置了切断阀以将环状管道分成若干独立管段, 保证每段管道上消火栓的数量不超过5个;此外, 与各装置管道接点处设置的切断阀设置在各装置界区内。

为方便生产给水、生活给水循环水等管道的检修, 需在各供水设施的出口和各装置的进口处设切断阀, 阀门均设在各装置界区内。

生产给水、生活给水和回用水管道应敷设在冰冻线以下, 同时还需考虑管道上排气阀和检修人孔 (如有) 对管道埋深的影响, 应以这两种设施计算出来的最大埋深作为设计埋深。循环水管道的埋深虽不受冰冻线的影响, 但是排气阀和检修人孔的设置, 会加大循环水管道的埋深。稳高压消防水管道需敷设在冰冻线以下, 同时还需考虑管道上排气阀、检修人孔 (如有) 、切断阀和室外消火栓 (消火栓的的安装与消防水炮类似) 对管道埋深的影响, 应以这4种设施计算出来的最大埋深作为设计埋深, 室外消火栓的安装参见图4。

雨水管道埋深可不受冰冻线的影响, 但是由于全厂地下管网施工较早, 考虑到施工后期大型车辆或重型机械可能会对地下管道产生破坏时, 雨水管道管顶敷土不应小于0.7 m;清净废水和生活污水管道的管底可在冰冻线以上0.15m, 但也需满足管顶敷土不小于0.7m的要求, 此外, 施工过程中还应在大型车辆或重型机械的运行沿线铺设钢板以避免或减缓对埋地管道的破坏。

给排水系统上的各类井等均采用钢筋混凝土结构。其中给水系统上的阀门井、泄水井等做法参考图集《室外给水管道附属构筑物》 (05S502) ^[7];排水系统上的阀门井、水封井、检查井等做法参考《湿陷性黄土地区给水阀门井》 (04S531-4) 、《湿陷性黄土地区排水检查井》 (04S531-5) ^[8,9];此外, 为满足“防渗规”中对井防渗的要求, 井的结构厚度不小于200mm, 混凝土的抗渗等级不低于P8, 强度等级不低于C30, 同时以上井的所有缝均设止水带。

根据项目所在地初勘报告, 土壤会对混凝土结构具有微、弱腐蚀性, 为保证井的混凝土结构的使用寿命及安全, 依据《工业建筑防腐蚀设计规范》 (GB50046) ^[10]4.8.5节的要求, 井外壁采取刷环氧沥青300μm的防腐做法。

为防止事故状态下火灾沿装置雨水系统蔓延至全厂雨水系统, 在各装置界区外的管道接点处设置了水封井。

排水管道通过全厂台阶与台阶之间的斜坡处时, 由于斜坡处管道会有较大的高差, 所以设置了跌水井, 跌水井的形式选用《排水检查井》 (02S515) ^[11]中阶梯式跌水井, 并将跌水井的尺寸及内部结构提给结构专业进行结构设计。

生活给水系统采用内衬塑钢管, 法兰连接, 其余系统管道均采用钢管, 焊接连接。

(1) 所有钢管防腐前, 其外表面应采用喷 (抛) 射除锈方式进行除锈, 除锈等级应达到《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》 (GB/T 8923.1-2011) ^[12]中规定的Sa2.5级。

(2) 所有埋地敷设的钢管外表面采用PE胶粘带防腐, 防腐等级为特加强级, 防腐层总厚度不小于1.6mm, 执行标准为《钢质管道聚乙烯胶粘带防腐层技术标准》 (SY/T 0414-2007) ^[13]。

管道敷设在原土上时, 基础不做处理;敷设在被扰动的土壤上时, 应对回填土进行夯实, 土壤压实系数≥0.95;敷设在卵石等坚硬地基上时, 管道下方敷设中、粗砂垫层, 垫层厚度为150 mm, 垫层宽度为管径加600mm。

在地下管网设计过程中经常会遇到2根重力流管线交叉碰撞的情况, 由于重力流管道标高调整困难, 此时可以在管线交叉处设置1座过渡井^[14]。一根管线排水经过过渡井继续前进 (图5中b) ;一根不做任何改变, 穿过过渡井即可 (图5中a) , 同时为防止穿过过渡井的管线被腐蚀, 需在此管线上做套管进行保护。实际设计时在哪根管线上设井, 应根据2根管线的管径、输送介质情况综合考虑;此外, 为减少对沉积物的清掏频率, 经过过渡井的管道 (图5中b) 的出水管标高要比井内底标高高500mm以上。过渡井的做法参见图5。

对于建设地在寒冷地区 (采暖计算温度低于-20℃) 的项目, 设置在给水系统上的阀门井、仪表井、排气井、泄水井等各类井和设置在排水系统上的阀门井、水封井应采用保温井盖, 具体做法执行图集05S502/81^[7], 同时为方便人员冬季进行检修, 需选用800型井盖及支座。

对于个别井和管道布置紧凑的情况, 可采用双联井。双联井是2个井共用井壁, 同时2个井分别执行各自的功能, 如图6。图6为阀门井与水封井共用井壁组成的双联井, 此外, 根据实际设计时遇到的情况还可以衍生出阀门井与检查井、阀门井与过渡井等各类双联井。

在2.6节中提供了全厂地势有坡的泄水阀设置方法, 对于厂区地势平缓的项目, 泄水阀的设置可参照图7执行。即:在给水管道低点处的空地上设置一个双联井, 双联井由放置阀门的阀门井和存水的泄水井组成, 泄水井的井内底标高低于泄水管道管底, 在进行检修时, 打开泄水阀, 水流到泄水井后用移动泵将水输送到附近的雨水检查井内。

全厂地下管网作为煤制油项目中最早设计和施工的主项, 要想做到施工问题少、节省投资和后期检修方便, 应在进行设计时与业主、各装置设计院和其它相关专业紧密沟通, 做好前期规划和方案论证, 对管网各系统的管道布置、管道管径、管道埋深、管道材质和防腐等参数进行优化设计, 从而减少施工中的碰撞, 实现方便施工、节省投资的目的。