韓 強，徐 薇，郭永鑫

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013;2. 濟南市市政工程設(shè)計研究院有限責任公司，山東 濟南 250101;3. 中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038)

1 研究背景

火電廠循環(huán)水系統(tǒng)進水流道及其布置是供水系統(tǒng)的重要組成部分，循環(huán)水進水流道設(shè)計是否合理，涉及到循環(huán)水泵運行的安全、經(jīng)濟問題。合理的進水流道布置，吸水喇叭口斷面進流均勻、平順，對于提高水泵運行效率，延長水泵使用壽命，保證電廠安全滿發(fā)，以及節(jié)約工程造價具有重大作用[1]。

華能羅源電廠位于福建省福州市羅源縣，1期建設(shè)2×660 MW超超臨界凝汽式燃煤發(fā)電機組，留有擴建條件。循環(huán)水供水系統(tǒng)采用擴大單元制直流循環(huán)供水系統(tǒng)，冷卻水水源為羅源灣海水，2臺機組共用一座循環(huán)水泵房。進水流道采用“內(nèi)進外出”型側(cè)面進水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口至后墻的距離為16.77 m(7.3D，D為吸水喇叭口直徑)，小于規(guī)范[2]建議的“當不采用整流和增加淹沒深度等設(shè)施時，取值范圍為7.5D～9D”的下限取值，因此，有必要通過模型試驗對流道內(nèi)水力特性和流態(tài)進行驗證。

本文采用1:10的正態(tài)比尺模型，從有利于工程安全、經(jīng)濟運行的角度對泵房流道內(nèi)水力特性進行系統(tǒng)的模擬和優(yōu)化，提出工程可行的整流措施，使循環(huán)水泵具有穩(wěn)定的運行條件，保證工程的安全、高效運行。

2 進水流道模型設(shè)計

2.1 模擬范圍

模型范圍包括從引水暗管至水泵吸水室的整個流道，重點模擬前池、進水流道、閘門孔、攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)間、吸水室、循環(huán)水泵吸水管等部分，循環(huán)水泵房流道原布置方案如圖1所示。

圖1 循環(huán)水泵房流道原布置方案示意(單位：高程 m，尺寸 mm)

2.2 模型相似準則

模型和原型之間應(yīng)保持幾何相似和運動相似，模型比尺選擇需考慮模型水流條件，特別是水體表面以及水內(nèi)漩渦模擬的基本要求，同時也要兼顧有利于模型加工，以及試驗室供水、供電能力等因素?；谏鲜龇治觯x用1：10的正態(tài)比尺，按重力相似準則設(shè)計模型。相應(yīng)參數(shù)的原型、模型比尺見表1。

表1 主要參數(shù)的原型、模型相似比尺

受模型縮尺效應(yīng)影響，流道模型水流漩渦的相似性無法完全滿足。美國水力學會在進行大量試驗研究的基礎(chǔ)上認為，當模型吸水喇叭口處的雷諾數(shù)(Re)大于6.0×104，韋伯數(shù)(We)大于240時，可忽略模型中漩渦的縮尺效應(yīng)[3]。

原型單泵最小流量Q=10.43 m3/s，水泵吸水喇叭口直徑D=2.3 m，對應(yīng)吸水喇叭口的平均軸向流速u=2.51 m/ s，模型水溫約20℃，計算可得模型吸水喇叭口處的徑向雷諾數(shù)Re=1.808×104，韋伯數(shù)We=1 991，表明模型比尺選擇合理，模型可以很好地反映流道內(nèi)部，包括各種漩渦在內(nèi)的復雜的水流特性。此外，試驗采用規(guī)范[3]和[4]建議的增大模型弗汝德數(shù)1.5倍的方法對流道內(nèi)可能產(chǎn)生的漩渦情況做進一步的校核[5]。

2.3 試驗測量儀器及設(shè)備

模型采用自循環(huán)供水系統(tǒng)，各物理量和測量設(shè)備：

① 循環(huán)水泵流量采用電磁流量計測量，測量精度為0.5% FS；

② 流道內(nèi)流速分布采用三維超聲多普勒流速儀，測量精度為測量值的±0.5%±1 mm/s；

③ 吸水喇叭口喉部流速分布采用微型畢托管，測量精度±0.1 mm；

④ 沿程水頭損失采用測壓管，測量精度±0.5 mm；

⑤ 吸水管中渦流強度采用自制旋度計測量，計算公式為：

θ=arctan(πdn/ua)

(1)

式中θ為水泵吸水管內(nèi)水流渦角，°；ua為安裝旋度計處水泵吸水管內(nèi)軸向平均流速， m/s；d為安裝旋度計處的水泵吸水管內(nèi)徑， m；n為旋度計轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)數(shù)/s。

⑥ 流道內(nèi)流態(tài)、表面漩渦及附壁渦帶采用示蹤劑進行觀測，采用國內(nèi)外通用的漩渦分級標準進行評定。

流道內(nèi)的流速測點分布見圖2，吸水管喉部8點流速測點分布見圖3。

圖3 吸水管喉部8點流速測點分布示意(單位：mm)

圖2 流速測點分布示意

2.4 試驗水力性能的驗收準則

最終方案試驗應(yīng)保證前池內(nèi)水流擴散充分、水流順暢，進水流道內(nèi)水面平穩(wěn)、無明顯漩渦和嚴重偏流現(xiàn)象，主要測流斷面的流速分布均勻，水泵吸水管流態(tài)均勻順暢。具體判斷準則如下。

1) 進水流道內(nèi)水流均勻性和穩(wěn)定性的判斷：對水泵中心上游1.5D且h=c(c為水泵懸空高)處的水平線上任一個測點的流速與平均流速的偏差應(yīng)小于±10%。

2) 水泵吸水室內(nèi)水流均勻性和穩(wěn)定性的判斷：水泵吸水喇叭口喉部斷面8個測點的時均流速與斷面平均流速的偏差應(yīng)小于±10%；旋度計測定的短時間(30 s)渦角最大值及長時間(10 min)渦角平均值應(yīng)小于5°，在水泵校核工況或發(fā)生時間少于總時間10%時，短時間(30 s)渦角最大值可增大到7°。

3) 水泵吸水室內(nèi)渦流的判斷：不得出現(xiàn)大于2級的表面凹陷渦，在任何情況下均不得出現(xiàn)各種水內(nèi)渦和底部渦[5]。

3 試驗成果及分析

在97%設(shè)計低潮位、夏季1機2泵工況(Q=11.53 m3/s)下，吸水室水深小，單泵流量大，運行條件較為不利，選取該運行工況作為主要驗證和方案比選工況。

3.1 原設(shè)計方案流態(tài)分析

原設(shè)計方案引水方涵出流以較大流速(平均流速為2.56 m/s)沖入前池，受前池內(nèi)擋水橫梁的阻擋作用，水流在橫梁前、后產(chǎn)生立面旋滾，橫向和垂向擴散不均勻，流道進口中隔墩兩側(cè)存在較大的漩渦滯流區(qū)(如圖4a)；旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)兩側(cè)出口面積與流道斷面積之比較小，為0.345，兩側(cè)出口流速大，在出口導流椎兩側(cè)形成兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的回流漩渦(如圖4b)，吸水室進口兩側(cè)流速大，中間流速小，流速分布極不均勻；水泵吸水口前來流不均勻，水泵中心上游H斷面(1.5D)且h=c處的流速最大偏差為37%，呈明顯偏流，容易促進水泵吸水管外環(huán)流，受此影響水泵吸水管后壁產(chǎn)生間歇挾帶氣泡進入吸水管的5級表面漩渦，這將增大水泵的運行負荷及不穩(wěn)定性，甚至造成水泵的振動和汽蝕破壞。前池和流道內(nèi)流速分布見圖5所示。

(a)底層流速分布

a 流道進口漩渦滯流區(qū)

“內(nèi)進外出”形側(cè)面進水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)通常需要較長的流道布置，規(guī)范[2]建議“當不采用整流和增加淹沒深度等設(shè)施時，取值范圍為7.5D～9D”；英國水力機械研究協(xié)會建議：當旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口面積與流道斷面積之比為0.5 時，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口至后墻的距離為10D，若比值小于0.5，則應(yīng)采取整流措施[6]。本工程旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)兩側(cè)出口面積與流道斷面積之比為0.345，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口至后墻的距離為7.3D，均小于規(guī)范推薦值，因此有必要采取整流措施，優(yōu)化吸水室內(nèi)流態(tài)和流速分布。

3.2 優(yōu)化布置方案流態(tài)分析

借鑒相關(guān)工程經(jīng)驗，經(jīng)多方案比選優(yōu)化，最終給出前池和流道內(nèi)合理的整流措施。

1) 在前池進口處交錯布置兩排1.0 m×1.0 m 的導流擴散墩，同時取消擋水橫梁，使引水管出流在前池內(nèi)橫向擴散充分、均勻地進入流道。

2) 在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口設(shè)置2排0.6 m×0.6 m的導流擴散墩，使濾網(wǎng)兩側(cè)出流在進入吸水室前能夠均勻擴散，消除擴散不充分及漩渦所產(chǎn)生的不利影響。

3) 降低吸水室進口胸墻的底高程，增加胸墻的淹沒深度，均化吸水室內(nèi)流速分布，減小吸水室上層的垂向流速，防止吸水室內(nèi)表面漩渦的產(chǎn)生。

4) 此外，對吸水管后壁的止旋板、吸水喇叭口底部的導流防渦結(jié)構(gòu)也進行了必要的優(yōu)化，預防吸水口附近附底漩渦和水內(nèi)渦的產(chǎn)生。

推薦方案前池和流道內(nèi)結(jié)構(gòu)布置見圖6。

圖6 循環(huán)水泵房流道推薦方案布置示意(單位：高程m，尺寸mm)

對推薦方案進行系統(tǒng)試驗，結(jié)果表明：

① 前池內(nèi)水流在進口導流擴散墩的阻擋、分水、導流作用下，在前池內(nèi)橫向和垂向充分紊動擴散，中隔墩兩側(cè)漩渦滯流區(qū)消失；進水流道內(nèi)水流平穩(wěn)、順暢，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進口流速分布較均勻；旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)兩側(cè)出流在導流擴散墩的阻擋作用下充分紊動擴散，調(diào)整均勻后進入吸水室，水泵中心上游1.5D斷面H且h=c處的流速偏差小于±10%，流速分布均勻(如圖7所示)；吸水喇叭口進流平順，吸水管中旋度計旋轉(zhuǎn)緩慢且不連續(xù)，長時間(10 min)渦角平均值小于1°，吸水喇叭口喉部8 個流速測點的偏差小于±10%(如圖8所示)；不同潮位和水泵組合運行工況下，吸水室內(nèi)沒有表面漩渦，吸水喇叭口附近也無附底漩渦和水內(nèi)渦的產(chǎn)生，推薦方案能夠保證水泵進水管具有較理想的進流條件[7]。

圖8 不同循泵組合運行工況的喇叭口喉部8點流速

(a)底層流速分布

② 在攔污柵和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)無堵塞的情況下，流道整體水頭損失最大約為0.42 m，發(fā)生在97%設(shè)計低潮位、冬季工況下，小于設(shè)計水頭損失值為1.06 m，流道水力設(shè)計安全合理[8]。

③ 校核工況即增大模型弗汝德數(shù)1.5 倍條件下，流道內(nèi)流態(tài)沒有明顯的變化，吸水室內(nèi)水流平穩(wěn)，無表面漩渦和水內(nèi)渦等不利流態(tài)，循泵中心上游1.5D斷面且h=c的最大流速偏差為-10.61%[9]。

3.3 優(yōu)化布置方案流速校核及分析

為進一步驗證吸水室內(nèi)渦流條件，在97%設(shè)計低潮位、冬季工況下增大模型弗儒德數(shù)1.5倍(模型流量67.5 L/s)，對吸水室內(nèi)可能產(chǎn)生的漩渦情況做進一步的校核[10]。

結(jié)果表明，增大模型弗儒德數(shù)1.5倍條件下，吸水室內(nèi)流態(tài)沒有明顯的變化，吸水室內(nèi)水流平穩(wěn)，上層水流緩慢流向上游胸墻，無表面漩渦和水內(nèi)渦等不利流態(tài)，循泵中心上游1.5D處H斷面h=c的水平線上任一個測點的平均流速與該水平線的平均流速的偏差最大為-10.61%。

夏季工況97%設(shè)計低潮位時距吸水口1.5D處的下層流速見圖9，夏季工況97%設(shè)計低潮位時距吸水口3D處的下層流速見圖10。

圖9 夏季工況97%設(shè)計低潮位時距吸水口1.5D處的下層流速

圖10 夏季工況97%設(shè)計低潮位時距吸水口3D處的下層流速

4 結(jié)語

1) 泵房前池內(nèi)縱向底坡易引起水流擴散不充分，產(chǎn)生漩渦滯流區(qū)和底層回流區(qū)等不良流態(tài)，造成前池內(nèi)泥沙淤積，并影響流道進流的均勻性。通過在前池進口處交錯布置兩排導流擴散墩，使水流橫向和垂向充分紊動擴散，可以改善前池內(nèi)水流流態(tài)，為進水流道提供均勻的進流條件[11]。

2) 進水流道采用“內(nèi)進外出”型側(cè)面進水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，水流從濾網(wǎng)中間進入，兩側(cè)流出，在出口導流椎兩側(cè)形成2個旋轉(zhuǎn)方向相反的回流漩渦區(qū)。受此影響，當吸水室長度較短，且無有效整流措施時，吸水室內(nèi)流速分布不均勻，促進水泵吸水管外環(huán)流，甚至表面吸氣漩渦，引起水泵的振動和汽蝕破壞[12]。通過在濾網(wǎng)出口布置2排導流擴散墩，使水流充分紊動擴散，并調(diào)整均勻后進入吸水室，水泵中心上游1.5D斷面H的流速偏差由37%減小為10%，水泵吸水管進流條件良好。

3) 華能羅源電廠1期工程于2014年開工建設(shè)，2018年投產(chǎn)運行，至今狀態(tài)良好，沒有發(fā)生因海水水位的起伏和流量的變化引起的循環(huán)水泵振動、氣蝕現(xiàn)象，為電廠的連續(xù)運行提供了有力的保障。這表明該循環(huán)水泵房進水流道物理模型試驗的結(jié)果可靠，優(yōu)化布置方案經(jīng)過了實踐檢驗，上述研究成果可供類似工程設(shè)計時參考。