譚忠華，楊會(huì)利，陳漢寶，劉海成

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

大容量電站循環(huán)水泵房進(jìn)水流道水力性能設(shè)計(jì)對(duì)保證循環(huán)水泵的安全和高效運(yùn)行是至關(guān)重要的，良好的流道設(shè)計(jì)不僅對(duì)水泵安全、優(yōu)化運(yùn)行有利，同時(shí)它也是優(yōu)化水泵房布置降低投資的前提條件。由于工程取水量較大，且旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)采用外進(jìn)內(nèi)出的形式，若水泵吸水室深度、長(zhǎng)度等關(guān)鍵尺寸或各種導(dǎo)流設(shè)施設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成循環(huán)水泵淹沒(méi)深度不夠或吸水室渦流等威脅電廠安全運(yùn)行的工況出現(xiàn)。因此，為確保流道取得良好的水力條件，進(jìn)行模型試驗(yàn)研究是十分必要的。劉海成等[1-3]提出了去掉分流墩以及將旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后方的突然擴(kuò)展改變?yōu)闈u變型的措施治理泵房流道內(nèi)的漩渦。王暉等[4]提出了改變前池入流擴(kuò)散角；設(shè)置底坎、橫梁和分流立柱；利用導(dǎo)流板、導(dǎo)流墻、導(dǎo)流柵；采用壓水板等措施對(duì)循環(huán)水泵房進(jìn)水流道前池進(jìn)行整流處理。陳凱等[5]對(duì)取水泵站進(jìn)水流態(tài)進(jìn)行了研究，并提出了各種消渦以及改善前池流態(tài)的措施，包括導(dǎo)流墩、導(dǎo)流墻和底坎。羅縉等[6]通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)散角、設(shè)置底坎和立柱，對(duì)循環(huán)水泵房前池的流態(tài)進(jìn)行了改善。

1 工程概況

印度尼西亞芝拉扎燃煤電站三期1×1 000 MW超臨界燃煤機(jī)組擴(kuò)建項(xiàng)目(Cilacap Expansion 1×1 000 MW CFSPP Project)位于印尼Java島中部南海岸，Cilacap市區(qū)東北部，南面毗鄰印度洋，地理坐標(biāo)是7°41′15.71"S，109°5′18.66"E。電站現(xiàn)有裝機(jī)2×300 MW+1×660 MW燃煤機(jī)組，已先后建成投產(chǎn)。電廠各期機(jī)組冷卻水取自印度洋，采用海水直流供水系統(tǒng)。根據(jù)廠址處潮流流態(tài)及水深條件，并結(jié)合電廠總平面布置，取、排水口工程布置采用分列式的“淺取淺排”方案。三期擴(kuò)建項(xiàng)目取水口擬設(shè)于電廠西側(cè)海域，伸入約-4.50～-5.0 m深海域，冷卻水經(jīng)取水口后采用明渠和箱涵相結(jié)合的方式自流至泵房前池。溫排水利用明渠引至電廠東側(cè)輸煤棧橋引堤外近岸排放。供水流程：印度洋→取水口及引水明渠→進(jìn)水箱涵→進(jìn)水前池→循環(huán)水泵房→壓力供水管→凝汽器→壓力排水管→虹吸井→海水脫硫曝氣池→排水箱涵→排水明渠。工程采用的泵房布置形式為單泵單流道的形式，即每臺(tái)泵對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)；4個(gè)流道對(duì)應(yīng)4臺(tái)循環(huán)水泵，其中三組為循環(huán)水泵流道，另一組為脫硫降溫水泵流道。明渠底高程為-4.5 m，箱涵底高程為-5.00 m，泵房底高程為-10.5 m(文中提到的高程基準(zhǔn)面均為理論最低潮位)。工程位置及取排水口平面布置見(jiàn)圖1。

圖2 循環(huán)水泵房模型示意圖Fig.2 Arrangement plan of pump house model

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺及制作

2.2 相似準(zhǔn)則

(1)進(jìn)水流道水流相似條件。

取水口至泵房進(jìn)水流道的水流流動(dòng)主要受重力和慣性力作用。相似條件按佛汝德相似準(zhǔn)則模擬。

佛汝德數(shù)Fr=V/(gL)0.5；流量比尺λQ=λL2.5=498.83；流速比尺λV=λL0.5=3.46

(2)漩渦相似條件。

水流漩渦生成與固體邊界、水粘性、表面張力及流動(dòng)特征等參數(shù)有關(guān)，由于模型幾何尺寸的縮小將對(duì)漩渦生成產(chǎn)生一定的影響，即縮尺效應(yīng)。漩渦的模擬比較復(fù)雜，模型試驗(yàn)須考慮縮尺效應(yīng)，我國(guó)目前還沒(méi)有關(guān)于泵房流道漩渦模擬試驗(yàn)的統(tǒng)一規(guī)定。國(guó)外對(duì)此有不同的作法，日本和西方國(guó)家經(jīng)常采用的方法是在模型試驗(yàn)時(shí)，人為加大模型泵流量來(lái)克服縮尺效應(yīng)。在模型中模擬渦流，按美國(guó)HI標(biāo)準(zhǔn)和日本機(jī)械學(xué)會(huì)(JIS)標(biāo)準(zhǔn)：流量比尺λQ=λL2.2=236.70；流速比尺λV=λL0.2=1.64

(3)糙率。

原體中引水箱涵及泵房?jī)?nèi)流道側(cè)壁的糙率n=0.011～0.014，模型的糙率比尺為λn=λL1/6=1.51，所以按照正態(tài)模型比尺換算，模型中的糙率約為0.007 3～0.008 6。模型中取水口、引水箱涵、泵房前池及吸水室采用塑料板或者有機(jī)玻璃加工，其糙率為n=0.007～0.009，模型糙率滿(mǎn)足相似率要求。

(4)濾網(wǎng)及攔污柵。

濾網(wǎng)柵格模擬時(shí)，首先應(yīng)保持幾何相似，同時(shí)對(duì)濾網(wǎng)及柵格進(jìn)行了簡(jiǎn)化。濾網(wǎng)柵格在外形幾何相似的基礎(chǔ)上，按阻力相似模擬。原型攔污柵為傾斜式，柵條為10 mm厚的扁鋼，凈寬50 mm，中心距為60 mm；模型中將相鄰的3個(gè)柵條合并成一個(gè)，按照出流面積與原型相似的原則進(jìn)行制作。原型中旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)網(wǎng)孔凈尺寸為10 mm×10 mm，網(wǎng)絲直徑約2 mm；模型中濾網(wǎng)選用常見(jiàn)的鐵紗網(wǎng)。

3 原設(shè)計(jì)方案進(jìn)水流道水力特性試驗(yàn)及分析

取海水系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，海水需經(jīng)由取水明渠、箱涵、前池、閘門(mén)孔、攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、喇叭口后才能進(jìn)入循環(huán)水泵。當(dāng)水流經(jīng)過(guò)箱涵進(jìn)入前池，再流經(jīng)各個(gè)建筑物時(shí)斷面分別出現(xiàn)不同程度的縮窄或擴(kuò)散，造成水流的收縮或擴(kuò)散，不僅會(huì)引起局部水頭損失，也會(huì)造成水流流態(tài)紊動(dòng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)有害漩渦。

本次模型試驗(yàn)首先對(duì)原方案進(jìn)水流道的水力特性進(jìn)行了研究，包括進(jìn)水喇叭口附近的漩渦、進(jìn)水流道內(nèi)的水流流態(tài)、典型斷面流速、沿程水頭損失和突然開(kāi)關(guān)泵進(jìn)水流道內(nèi)水位變動(dòng)情況。從原方案試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，進(jìn)水流道內(nèi)出現(xiàn)了不良流態(tài)和有害漩渦。

3.1 進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)

本次試驗(yàn)研究了不同工況和水位條件下泵房前池和流道內(nèi)不同位置處的水流流態(tài)。試驗(yàn)水位包括平均水位(MSL+1.21 m)和97%設(shè)計(jì)低潮位(-0.08 m)。試驗(yàn)循環(huán)水泵運(yùn)行工況包括1臺(tái)循泵單獨(dú)運(yùn)行(18.8 m3/s)、2臺(tái)循泵共同運(yùn)行(2×16.75 m3/s)和3臺(tái)循泵共同運(yùn)行(3×14.25 m3/s)；不同循環(huán)水泵運(yùn)行時(shí)脫硫泵都工作，其流量為6.11 m3/s。試驗(yàn)流量比尺為λQ=λL2.5=498.83。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低潮位時(shí)，前池內(nèi)水體紊動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)；流道內(nèi)存在偏流現(xiàn)象，出現(xiàn)了不良流態(tài)。高潮位時(shí)，前池和流道內(nèi)水流流態(tài)較低水位時(shí)穩(wěn)定和平順。不同工況組合時(shí)，前池內(nèi)水流受到閘門(mén)和流道隔墻的阻擋，水體翻滾、紊動(dòng)有所不同；循環(huán)水泵取水量越大，前池內(nèi)水體紊動(dòng)相對(duì)越強(qiáng)；循環(huán)水泵取水量越小，前池內(nèi)水體紊動(dòng)相對(duì)越弱。不同工況時(shí)，流道內(nèi)水流的流態(tài)相似。圖3為低潮位(-0.08 m)條件下，三臺(tái)大泵+脫硫泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)流道內(nèi)的水流流態(tài)情況。從試驗(yàn)結(jié)果看出，各個(gè)進(jìn)水流道在胸墻前的水面和水下出現(xiàn)了偏流，這是由于流道隔墻端部正對(duì)取水暗溝的出口，在流道隔墻端部的分流作用下，從前池進(jìn)入鋼閘門(mén)的水存在偏流，當(dāng)水流流經(jīng)閘門(mén)孔、攔污柵及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后進(jìn)入進(jìn)水流道。

圖3 進(jìn)水流道流態(tài)(LLWL，三臺(tái)大泵+脫硫泵運(yùn)行)Fig.3 The intake flow pattern in the forebay ( LLWL, 3sets of circulating pump)

分析出現(xiàn)回流的原因，海水從取水暗溝進(jìn)入前池，由于出口為突然擴(kuò)散，在出口兩側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)；然后在前池內(nèi)紊動(dòng)摻混，在不同工況下進(jìn)入不同的流道內(nèi)；水流在前池內(nèi)紊動(dòng)較強(qiáng)，水流遇鋼閘門(mén)受阻，在前池表面出現(xiàn)反向流，并在前池壁附近出現(xiàn)回流區(qū)域。該回流強(qiáng)度及位置與海水泵流量大小、水位高低以及流道隔墻端部的形狀有關(guān)；由于海水泵的流量和水位是屬于客觀條件，所以可以通過(guò)修改流道隔墻端部的形狀改善閘門(mén)前的流態(tài)。設(shè)計(jì)方案流道隔墻端部為半圓形(弧形)，可助于減弱閘門(mén)前的回流強(qiáng)度，前池水體表面僅在前池壁和兩側(cè)形成回流區(qū)。經(jīng)歷一次擴(kuò)張和收縮，擴(kuò)張的時(shí)候，在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)外側(cè)出現(xiàn)兩個(gè)小的回流區(qū)；收縮的時(shí)候，在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)、導(dǎo)流墩后側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)稍大一點(diǎn)的回流。水流在經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)匯流后進(jìn)入進(jìn)水流道，最后流向海水泵進(jìn)水管。水流經(jīng)過(guò)閘門(mén)孔后，突然擴(kuò)散。在閘門(mén)后側(cè)，閘門(mén)孔上方出現(xiàn)了一個(gè)橫軸旋滾，旋滾的區(qū)域處于閘門(mén)孔后上方，閘門(mén)與攔污柵之間的區(qū)域。水流經(jīng)過(guò)閘門(mén)孔和攔污柵后，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)(外進(jìn)內(nèi)出型)，水流首先經(jīng)過(guò)導(dǎo)流墩向兩邊擴(kuò)張，然后經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)匯流。

3.2 進(jìn)水流道內(nèi)漩渦

圖4 試驗(yàn)過(guò)程中胸墻前出現(xiàn)的5級(jí)表面漩渦(低潮位，3臺(tái)大泵+1臺(tái)脫硫泵)Fig.4 Surface vortex appears before the breast wall (97%LWL, Three circulating pumps + desulphurization pump working)

本次試驗(yàn)研究了不同工況和水位條件下進(jìn)水流道循環(huán)水泵進(jìn)水口附近的水面漩渦和水下渦的情況。試驗(yàn)水位與試驗(yàn)工況與上節(jié)試驗(yàn)研究相同。試驗(yàn)流量比尺為λQ=λL2.2=236.70。

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在97%低潮位(-0.08 m)條件下，不同循環(huán)水泵運(yùn)行工況時(shí)循環(huán)水泵喇叭口淹沒(méi)深度較小，進(jìn)水流道中存在偏流現(xiàn)象，在進(jìn)水池中出現(xiàn)了水面渦。原方案進(jìn)水池內(nèi)設(shè)有胸墻，胸墻底高程-4.4 m。胸墻后方的循泵喇叭口附近有輕微的表面渦紋，絕大部分時(shí)間內(nèi)水面無(wú)凹陷，無(wú)連續(xù)的表層旋流，屬于1級(jí)表面漩渦，漩渦等級(jí)參照Lewellen分類(lèi)[9-10]；水面偶爾有輕微凹陷，連續(xù)旋流的時(shí)間很短，此時(shí)屬于2級(jí)漩渦。但胸墻前方由于拐角附近流線曲度大，水流調(diào)整不充分，造成1～5級(jí)漩渦(吸氣漩渦)間隔出現(xiàn)，見(jiàn)圖4；4～5級(jí)漩渦持續(xù)時(shí)間：一臺(tái)大泵+脫硫泵運(yùn)行>兩臺(tái)大泵+脫硫泵同時(shí)運(yùn)行>三臺(tái)大泵+脫硫泵同時(shí)運(yùn)行。試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)有水下渦的出現(xiàn)。從水流過(guò)流面積和循環(huán)水泵取水流量分析，大泵對(duì)應(yīng)的流道內(nèi)水流速度更大，更易形成漩渦；從喇叭口淹沒(méi)深度分析，喇叭口淹沒(méi)深度越小，越易形成漩渦；從漩渦持續(xù)時(shí)間分析，一臺(tái)大泵+脫硫泵運(yùn)行時(shí)單臺(tái)泵流量大于三臺(tái)大泵+脫硫泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)單臺(tái)泵流量，漩渦持續(xù)時(shí)間則相對(duì)長(zhǎng)。循泵喇叭口附近的水面漩渦的強(qiáng)度取決于喇叭口的淹沒(méi)深度(水位)及循泵的流量，單泵流量越大、水位越低，漩渦等級(jí)及漩渦持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

由《火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5489-2014)可知，當(dāng)吸水池水面與吸水口之前形成空氣吸入渦(在嚴(yán)重情況下，在水面與吸水口之前形成帶空氣核的穩(wěn)定流，空氣連續(xù)地進(jìn)入吸水口；在不嚴(yán)重情況下，空氣可能僅在漩渦不穩(wěn)定時(shí)間間斷地進(jìn)入吸水口)，對(duì)水泵及系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致振動(dòng)、噪聲和性能下降。

4 治理措施研究

夏毓常[11]，盧永今[12]，朱衛(wèi)國(guó)[13]等對(duì)胸墻型式的進(jìn)水口前漩渦特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，胸墻型式主要包括后傾式胸墻、垂直胸墻和胸墻向上游伸出一段距離，如圖5；研究結(jié)果均表明對(duì)于后傾式胸墻，坡度越陡，越不容易形成漩渦，在坡腳55°～70°之間，渦強(qiáng)變化較大，小于55°時(shí)渦較強(qiáng)，大于70°時(shí)渦較弱；對(duì)于垂直胸墻，漩渦不易發(fā)生；進(jìn)水口上胸墻向上游伸出一段距離，能抑制來(lái)流使之平順，阻止漩渦的發(fā)生。

圖5 胸墻型式示意圖Fig.5 Type of breast wall

通過(guò)原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究結(jié)果可知，原設(shè)計(jì)方案在低潮位(-0.08 m)時(shí)胸墻前方的進(jìn)水流道表面間歇出現(xiàn)5級(jí)的吸氣漩渦，漩渦等級(jí)超過(guò)相關(guān)要求，且進(jìn)水流道內(nèi)存在偏流現(xiàn)象，故需進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化措施主要從兩個(gè)方面考慮：(1)優(yōu)化胸墻；(2)在進(jìn)水流道內(nèi)設(shè)置整流墩。

(1)胸墻優(yōu)化。

在原胸墻前方設(shè)置斜板作為新的整流胸墻，原胸墻僅作結(jié)構(gòu)橫梁，可出水。優(yōu)化方案斜置胸墻(整流斜板)的底高程為-4.4 m；斜置胸墻底端距循環(huán)水泵進(jìn)水管中心線的距離大于2D(D=3.05 m為喇叭口直徑，原型值)，為6.2 m；斜置胸墻向進(jìn)水流道前方傾斜角度為30°，各流道優(yōu)化后的胸墻布置形式示意圖如圖6所示。

(2)整流措施。

在優(yōu)化胸墻的同時(shí)，為了使進(jìn)水流道中的水流更加平順，削弱流道中的偏流，在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后方的擴(kuò)張段布置了1個(gè)整流墩，整流墩采用魚(yú)尾形式，整流墩剖面形狀、尺寸及安裝位置示意見(jiàn)圖6。

在低潮位(-0.08 m)條件下，對(duì)胸墻優(yōu)化方案進(jìn)行了漩渦觀測(cè)試驗(yàn)和進(jìn)水流道斷面流速測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)消除泵房?jī)?nèi)不良流態(tài)和有害漩渦的措施進(jìn)行了研究。

從漩渦試驗(yàn)研究結(jié)果看，在低潮位(-0.08 m)條件下，當(dāng)采用前傾式胸墻，前傾角度為30°時(shí)，胸墻能夠抑制來(lái)流使之平順，阻止漩渦的發(fā)生，斜置胸墻前方的漩渦等級(jí)均降至1～2級(jí)，達(dá)到了消除有害漩渦的目的。另外，從進(jìn)水流道典型斷面流速結(jié)果看，在低潮位(-0.08 m)條件下，采用了整流墩措施后，進(jìn)水流道內(nèi)水流偏流現(xiàn)象均減弱。

圖6 整流墩及胸墻優(yōu)化方案示意圖Fig.6 Improvement layout of diversion pier and breast wall

5 結(jié)論

通過(guò)不同工況下的波浪物理模型試驗(yàn)及結(jié)果分析，可以得到以下主要結(jié)論：

(1)取海水泵站通常由于占地面積、地質(zhì)條件、工程投資等因素限制，使得前池及流道的流態(tài)不佳，水泵喇叭口附近易形成回流、漩渦等不良水流現(xiàn)象，潮位越低越明顯，這直接影響了泵站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。因此，必須采取有效措施，改善前池及流道的流態(tài)，降低漩渦的等級(jí)。

(2)由于箱涵集中在前池的中部，使得水流流進(jìn)流道內(nèi)出現(xiàn)了偏流現(xiàn)象，可通過(guò)在流道中增設(shè)整流墩來(lái)減弱偏流。

(3)超臨界燃煤電站取水流量較大，在極端水位條件下喇叭口的淹沒(méi)深度較小，在直立胸墻前方易出現(xiàn)4～5級(jí)有害漩渦，可通過(guò)將直立胸墻改為斜置胸墻來(lái)消除有害漩渦。