王為術(shù),甄娟,郭嘉偉,翟禹鑫,賀友才,黃幸

(1.華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院,河南 鄭州 450045;2.中建環(huán)能科技股份有限公司,四川 成都 610045;3.江西大唐國(guó)際撫州發(fā)電有限責(zé)任公司,江西 撫州 344000)

循環(huán)水系統(tǒng)是電廠供水系統(tǒng)中重要組成部分[1],通常由引水段、前池、吸水室構(gòu)成,其中進(jìn)水流道需組織流道內(nèi)的水流順直、穩(wěn)定、均勻地進(jìn)入吸水室[2],流道流態(tài)特征對(duì)循環(huán)水泵的能量特性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行穩(wěn)定性有顯著影響[3].同時(shí),前池中水流流態(tài)也直接影響循環(huán)泵的水力性能、運(yùn)行效率和使用壽命[4].

進(jìn)水流道應(yīng)避免不良流態(tài)的產(chǎn)生,影響泵站的安全運(yùn)行[5].工程實(shí)踐研究表明,循環(huán)泵的水力性能與循環(huán)水流道設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系[6].HOU[7]研究了水電站壓力前池的流動(dòng)模式,介紹了壓力前池速度分布和流態(tài).SONG等[8]提出了“Y”型導(dǎo)流墩、“T”型導(dǎo)流墩、窄底孔、高寬底、導(dǎo)流墻等優(yōu)化措施.XU等[9]提出了導(dǎo)流墩和壓力板的防淤措施.營(yíng)佳瑋等[10]采用流體體積(VOF)模型,對(duì)某泵站前池流態(tài)及整流方案提出了優(yōu)化措施.徐瑞蘭等[11]采用立柱排列與前池側(cè)壁邊界型線調(diào)整相配合的方法對(duì)前池進(jìn)行優(yōu)化研究.YANG等[12]基于物理模型試驗(yàn)和改進(jìn)的流體體積模型研究方法,選擇不同的整改措施優(yōu)化泵站前池的流態(tài).ZHAN等[13]進(jìn)行了非對(duì)稱循環(huán)泵進(jìn)水試驗(yàn)和數(shù)值研究,數(shù)值模擬獲得渦流位置、結(jié)構(gòu)和形狀都與試驗(yàn)中觀察到的渦流有很好的一致性.

江西某電廠循環(huán)水系統(tǒng)自投運(yùn)以來(lái),部分循環(huán)水泵頻繁出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題且伴隨水泵筒體螺栓斷裂、導(dǎo)軸承偏磨等現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)多次對(duì)泵筒體進(jìn)行加固與檢修,但是改造效果表明循環(huán)泵振動(dòng)未得到遏制.為溯源循環(huán)水泵振動(dòng)原因,解決循環(huán)水泵振動(dòng)問(wèn)題,文中采用數(shù)值模擬方法研究水泵振動(dòng)及水流道流場(chǎng)規(guī)律,提出多種優(yōu)化整流方案,綜合分析之后,選擇施工量小,且整流效果最優(yōu)的弧狀導(dǎo)流板方案,最佳整流措施在該電廠成功實(shí)施,未有不良情況產(chǎn)生.

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

數(shù)值模擬計(jì)算控制方程基于雷諾時(shí)均N-S方程,并采用Realizablek-ε模型使N-S方程得以封閉.

連續(xù)方程為

(1)

式中:ui為i方向速度;xi(i=1,2,3)為坐標(biāo)軸.

動(dòng)量方程為

(2)

式中:ρ為液體密度,kg/m3;p為壓力Pa;μ為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù),m2/s;μt為渦黏性系數(shù),m2/s;Fi為沿i方向的質(zhì)量力.

由于水流為單一介質(zhì)的不可壓縮流動(dòng),且本流道模型不需要考慮用戶定義的源項(xiàng).湍動(dòng)能方程與耗散率輸送方程為

(3)

(4)

上述式中:k為湍流動(dòng)能,m2/s2;ε為湍流耗散率,m2/s3;Gk為平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;C2和C1ε為常量;σk和σε分別為k和ε的湍流普朗特?cái)?shù).

1.2 物理模型

根據(jù)流道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比,尺寸誤差很小,利用SCDM軟件,用原設(shè)計(jì)尺寸對(duì)循環(huán)水流道建立1∶1三維幾何模型,其俯視圖與主視圖如圖1所示.

圖1 三維幾何模型

循環(huán)水泵為立軸抽芯式、固定轉(zhuǎn)速、固定葉片、單級(jí)斜流泵,由立式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng).循環(huán)泵由殼體部分、葉輪、軸等組成,額定轉(zhuǎn)速為370 r/min.循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行為正常水位運(yùn)行,單泵抽水量為9.59 m3/s.循環(huán)水泵安裝及部分尺寸如圖2所示.

圖2 循環(huán)泵安裝示意圖

1.3 網(wǎng)格模型

用Fluent Meshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分.循環(huán)水流道遠(yuǎn)壁面區(qū)采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,邊界以及流態(tài)劇烈變化處采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,選擇400萬(wàn)網(wǎng)格模型進(jìn)行循環(huán)水流道流態(tài)數(shù)值計(jì)算模擬.整體網(wǎng)格和局部加密的泵房中心截面網(wǎng)格如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格

1.4 邊界條件

進(jìn)口采用質(zhì)量流量入口條件,模擬3泵全開(kāi)的情況.出口采用流量出口邊界,即給定出口流量,以滿足水泵抽水時(shí)的額定流量,不同工況的流量按照運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)確定.固壁條件采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).為模擬液面波動(dòng)和旋渦產(chǎn)生情況,進(jìn)水口頂部與前池頂部均為自由液面,選擇VOF模型,分別對(duì)兩相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行設(shè)置.循環(huán)水泵內(nèi)的動(dòng)葉部分均采用旋轉(zhuǎn)參考系運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)水泵運(yùn)行工況參數(shù)設(shè)置.

1.5 數(shù)值計(jì)算方法

應(yīng)用Fluent 2020 R2軟件,基于壓力求解器,穩(wěn)態(tài)求解,不考慮流體熱質(zhì)交換過(guò)程.數(shù)值計(jì)算模型采用Realizablek-ε模型,求解的壓力-速度耦合算法采用SIMPLE算法,迎風(fēng)差分格式進(jìn)行隱式求解.水流在流動(dòng)過(guò)程中有縱向運(yùn)動(dòng),所以需要考慮重力對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響,即設(shè)置重力加速度為-9.81 m/s2.

2 數(shù)值結(jié)果及分析

2.1 原始工況分析

特征截面充分考慮了整個(gè)循環(huán)水流道水力特性及流態(tài),分析各特征截面能全面概括水流道整體的流場(chǎng)及流態(tài),圖4為原設(shè)計(jì)工況下從池底算起0.6,1.2,2.0 m處特征截面速度矢量圖.

圖4 沿水深方向速度矢量圖

0.6 m處能反映池底距喇叭口的流場(chǎng)情況,1.2 m處主要反映循環(huán)泵的入水情況,2.0 m處主要反映弧狀進(jìn)水流道、前池及吸水室的整體流場(chǎng),同時(shí)2.0 m可進(jìn)一步反映流場(chǎng)對(duì)循環(huán)泵的影響.

由圖4可知,循環(huán)水經(jīng)弧形水流道流入前池,由于弧形水流道角度接近直角,在前池入水口形成高速水流區(qū),且因前池長(zhǎng)度過(guò)短以及流入擴(kuò)散角過(guò)大,無(wú)法使高速水流進(jìn)行足夠的緩沖,水流進(jìn)入吸水室后依舊存在偏流現(xiàn)象以及高流速區(qū).吸水室的水流分布存在明顯偏差,A,C兩泵吸水室內(nèi)高速水流緊貼內(nèi)壁流動(dòng),導(dǎo)致單側(cè)壁面水流速與水壓過(guò)大;B吸水室正對(duì)弧形水流道出水口,高速水流易對(duì)B循環(huán)泵喇叭口前沿造成沖擊.喇叭口位于池底1.2 m處,臨近喇叭口處壁面水流存在脫壁流動(dòng)現(xiàn)象.

由圖5,6可以看出,水流進(jìn)入泵房后的偏流情況使循環(huán)泵喇叭口四周水流流速分布很不均勻,尤其是A,C兩泵,最高流速達(dá)1.0 m/s左右,A循環(huán)泵前后沿流速差達(dá)0.7 m/s,非常不利于循環(huán)泵的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖5 沿水流方向泵中心截面等值線圖

圖6 垂直水流方向泵體中心截面等值線圖

2.2 整流方案選擇

從以上分析可知,對(duì)該泵站的不良流態(tài)優(yōu)化應(yīng)在其前池實(shí)施,改造應(yīng)通過(guò)改造池壁、加設(shè)導(dǎo)流板或加設(shè)開(kāi)孔底坎等改善其紊亂的流場(chǎng).其中改造池壁施工量巨大,而開(kāi)孔底坎主要目的是消除底層回流,經(jīng)模擬驗(yàn)證,現(xiàn)有流道中無(wú)底層回流現(xiàn)象,故改造方案采用于前池加設(shè)分導(dǎo)流立柱或?qū)Я靼?使得3個(gè)泵房的進(jìn)水流態(tài)均勻,不發(fā)生偏流.

根據(jù)模型特點(diǎn),設(shè)置分水立柱、直線型均流板、弧線型均流板3種均流裝置,圖7為不同整流措施下的前池改造示意圖,其立柱與導(dǎo)流板形狀、數(shù)量如圖所示.

圖7 前池改造示意圖

如圖7所示,共設(shè)計(jì)直線型均流板、分水立柱和弧線型均流板6種改造方案.其中直線型均流板長(zhǎng)度a在2.0～4.0 m,弧線型均流板的弧度α在35°～45°,弧半徑不小于4.2 m,中間直板的傾斜角度β不小于5°.不同方案均流板厚度和高度不一,厚度b在0.2～0.4 m,均流板高在2.0～5.0 m.

2.3 各整流方案性能分析

2.3.1 進(jìn)水流道整體流場(chǎng)分析

分析不同改造方案1.2 m處的流場(chǎng)分布,可以清晰了解改造方案的效果,如圖8所示.

圖8 各方案水深1.2 m處截面流速矢量圖

由圖8a可知,前池加裝兩直線導(dǎo)流板之后A,C吸水室內(nèi)的偏流情況并未有較大的改善,在A泵房中有部分小旋流的存在,該方案改造效果不佳;由圖8b可知,前池加裝分水導(dǎo)流立柱后流道整體流態(tài)有較大改善,各泵房?jī)?nèi)的水流均勻,偏流情況基本消失,該方案改造效果較好.

由圖8c可知,前池加裝兩45°弧狀導(dǎo)流板后,C泵房的流態(tài)有較大的改善,但在B泵房入口有小旋流的出現(xiàn),不利于B泵的穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)A泵房的中心水流未從泵房中心進(jìn)入.方案1,2,3均是將從弧形進(jìn)水流道出來(lái)的高速水流向兩側(cè)均流,使正對(duì)水流出口的B泵房?jī)?nèi)的水流依舊較高,對(duì)B循環(huán)泵前沿的沖擊較大,不利于循環(huán)泵整體的運(yùn)行.

基于上述改造結(jié)果,在兩直狀導(dǎo)流板中間安裝傾斜5°導(dǎo)流板,分散正對(duì)水流出口的高速水流對(duì)B循環(huán)泵的沖擊.由圖8d可知經(jīng)方案4改造之后B,C泵房?jī)?nèi)的偏流情況基本消失,兩泵房?jī)?nèi)流態(tài)較好,但A泵房的水流流態(tài)不佳.

方案5改造之后的流態(tài)如圖8e可知,進(jìn)入各泵房?jī)?nèi)的水流流態(tài)平穩(wěn),其改造效果較好;方案6在方案5的基礎(chǔ)上減小導(dǎo)流板的高度并增加了均流板的寬度,A泵房?jī)?nèi)的流態(tài)相較于方案5更加平穩(wěn)、均勻.

2.3.2 循環(huán)泵四周流態(tài)分析

圖9為各方案沿水流方向各泵房中心截面矢量圖,可知兩直狀導(dǎo)流板、立柱、兩弧狀導(dǎo)流板的方案中,各循環(huán)泵前后沿的流速差依舊較大,最高達(dá)0.7 m/s,改善效果不佳.而加裝中間板的各改造方案中,弧狀導(dǎo)流板和傾斜5°的改造方案6效果最好,各循環(huán)泵前后沿的流速差很小,滿足水泵良好運(yùn)行的條件.

圖9 沿水流方向各循環(huán)泵中心截面速度線圖

圖10為各方案垂直水流方向循環(huán)泵中心截面速度線圖,由圖10a—10d可知,經(jīng)方案1、方案2、方案3和方案4的改造后,循環(huán)泵喇叭口處左右兩側(cè)的水流流速依然存在較大的差異,相較于原工況并未有較大的改善.方案5和方案6是弧度為35°,但高度和寬度不同的弧狀導(dǎo)流板的改善情況.從圖10e,10f對(duì)比可知,增加導(dǎo)流板的高度對(duì)于循環(huán)泵喇叭口左右兩側(cè)的水流流速差有較好的改善.從圖9f和圖10f可以看出,該方案下循環(huán)泵喇叭口四周的流速均勻,循環(huán)泵進(jìn)水條件較好.

圖10 垂直水流方向各循環(huán)泵中心截面速度線圖

2.3.3 各方案水力性能分析

引起水泵振動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵判斷是循環(huán)泵進(jìn)水喇叭口附近水流流速分布,喇叭口四周流速是否均勻?qū)ρh(huán)泵穩(wěn)定運(yùn)行很關(guān)鍵.取原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案各吸水室內(nèi)高程為5 m,泵前后左右各0.5 m處的豎向直線作為速度特征直線,判斷不同方案前后及左右速度的均勻性,進(jìn)而判斷各方案各循環(huán)泵的進(jìn)水優(yōu)劣.

圖11為各方案下,各循環(huán)泵前后速度差Δv分布圖,圖中l(wèi)為位置.

圖11 整流前循環(huán)泵前后速度差分布圖

由圖11可以看出,循環(huán)泵喇叭口附近其泵前和泵后的流速差較大,尤其原工況下B泵前后流速差高達(dá)1 m/s,經(jīng)導(dǎo)流板均流后其流速差明顯減小.方案1,2,4對(duì)于B循環(huán)泵的整流效果明顯,但對(duì)于A,C循環(huán)泵,其優(yōu)化效果較差.方案5和方案6整流效果均優(yōu)于其他方案,同時(shí)在方案6中,隨高度的增加其前后流速差變化很小,基本保持穩(wěn)定,且基本小于其他優(yōu)化方案,可知,方案6 的優(yōu)化效果較好.

圖12為整流后各循環(huán)泵速度差分布圖,由圖12可知,經(jīng)不同方案整流后,各循環(huán)泵左右兩側(cè)的速度差變化不同,但可以明顯看出方案6的整體優(yōu)化效果均高于其他方案,尤其針對(duì)C循環(huán)泵而言,其左右兩側(cè)的流速差基本小于0.05 m/s,對(duì)A,B兩循環(huán)整流效果也不錯(cuò).

圖12 整流后循環(huán)泵前后速度差分布圖

以上提出的整流措施,分水導(dǎo)流立柱、直狀均流板和弧狀均流板方案.直狀均流板分散了進(jìn)水口的集中高速水流,使進(jìn)入各吸水室的流量基本均衡,但直狀均流板未能削減水流的速度,使得進(jìn)入各吸水室的水流仍發(fā)生偏流,未能改善前池水流不均勻性;分水導(dǎo)流立柱削減了水流的速度,但未能使進(jìn)入各吸水室的流量均勻分配,各吸水室進(jìn)水流量仍有差別;弧狀均流板既使各吸水室流量均勻,又削減了水流速度,使流場(chǎng)得到明顯優(yōu)化,流速均勻,泵體周圍無(wú)旋渦,水泵進(jìn)水條件較好.綜合以上分析可知,方案6的改造效果最佳.

3 改造后效果分析

基于以上優(yōu)化方案分析,按方案6進(jìn)行改造施工,改造完成如圖13所示,考慮高速水流對(duì)均流板的沖擊,均流板之間通過(guò)槽鋼進(jìn)行連接加固,槽鋼對(duì)進(jìn)入吸水室的流態(tài)影響微小可不考慮.

改造前循環(huán)泵多次出現(xiàn)振動(dòng)異?，F(xiàn)象,A循環(huán)泵運(yùn)行振動(dòng)幅值超過(guò)0.22 mm,而C循環(huán)泵在低速工況下振動(dòng)情況也明顯,最大振動(dòng)幅度高達(dá)0.29 mm.以C循環(huán)泵為代表改造前后不同參數(shù)的變化:改造前后流量保持不變,為28.76 m3/s,最高流速?gòu)母脑烨暗?.20 m/s降為改造后的0.70 m/s,平均前后流速差從改造前的1.12 m/s降為改造后的0.34 m/s,平均左右流速差從改造前的1.03 m/s降為改造后的0.12 m/s,振動(dòng)幅值從改造前的0.290 mm降為改造后的0.018 mm.改造后循環(huán)泵仍按正常工況運(yùn)行.3循環(huán)泵均高速運(yùn)行至今,未發(fā)生不良振動(dòng)情況,A,C泵振動(dòng)幅度低于0.02 mm,符合運(yùn)行振動(dòng)合格標(biāo)準(zhǔn)0.05 mm,總體運(yùn)行達(dá)到優(yōu)良水平,改造效果良好.

4 結(jié) 論

1) 該電廠循環(huán)水流道前池設(shè)計(jì)為不規(guī)范矩形,擴(kuò)散角過(guò)大且長(zhǎng)度過(guò)短,進(jìn)入吸水室后存在嚴(yán)重偏流現(xiàn)象,高速水流貼壁運(yùn)動(dòng),造成喇叭口與泵體周圍水力不均,易使循環(huán)泵產(chǎn)生異常振動(dòng).

2) 針對(duì)水流偏流現(xiàn)象以及水力不均問(wèn)題,在前池設(shè)置均流板改善流態(tài).整流后進(jìn)入各吸水室的水流均從中間進(jìn)入,吸水室內(nèi)的高速水流和貼壁偏流情況基本消除,各吸水室流量相當(dāng)且流態(tài)平穩(wěn).進(jìn)水流道流態(tài)問(wèn)題得到較好解決,喇叭口進(jìn)水條件得到了有效改善,基本解決了循環(huán)水泵振動(dòng)的根本問(wèn)題.

3) 通過(guò)數(shù)值模擬可以對(duì)整流前后前池與吸水室內(nèi)的水流流態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè),從而對(duì)設(shè)置合理的整流措施起到一定的指導(dǎo)作用.該電廠前池的改造可為弧形進(jìn)水流道或大擴(kuò)散角前池整流提供科學(xué)依據(jù).