超臨界燃煤電站取水泵站流道內(nèi)流態(tài)及整流措施試驗研究

譚忠華，楊會利，陳漢寶，劉海成

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

大容量電站循環(huán)水泵房進水流道水力性能設計對保證循環(huán)水泵的安全和高效運行是至關重要的，良好的流道設計不僅對水泵安全、優(yōu)化運行有利，同時它也是優(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，且旋轉濾網(wǎng)采用外進內(nèi)出的形式，若水泵吸水室深度、長度等關鍵尺寸或各種導流設施設計不合理，會造成循環(huán)水泵淹沒深度不夠或吸水室渦流等威脅電廠安全運行的工況出現(xiàn)。因此，為確保流道取得良好的水力條件，進行模型試驗研究是十分必要的。劉海成等[1-3]提出了去掉分流墩以及將旋轉濾網(wǎng)后方的突然擴展改變?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散角；設置底坎、橫梁和分流立柱；利用導流板、導流墻、導流柵；采用壓水板等措施對循環(huán)水泵房進水流道前池進行整流處理。陳凱等[5]對取水泵站進水流態(tài)進行了研究，并提出了各種消渦以及改善前池流態(tài)的措施，包括導流墩、導流墻和底坎。羅縉等[6]通過優(yōu)化擴散角、設置底坎和立柱，對循環(huán)水泵房前池的流態(tài)進行了改善。

1 工程概況

印度尼西亞芝拉扎燃煤電站三期1×1 000 MW超臨界燃煤機組擴建項目(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，地理坐標是7°41′15.71"S，109°5′18.66"E。電站現(xiàn)有裝機2×300 MW+1×660 MW燃煤機組，已先后建成投產(chǎn)。電廠各期機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。三期擴建項目取水口擬設于電廠西側海域，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合的方式自流至泵房前池。溫排水利用明渠引至電廠東側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→進水箱涵→進水前池→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，即每臺泵對應一個單獨的攔污柵、旋轉濾網(wǎng)；4個流道對應4臺循環(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面均為理論最低潮位)。工程位置及取排水口平面布置見圖1。

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

2 模型設計

2.1 模型比尺及制作

2.2 相似準則

(1)進水流道水流相似條件。

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

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、表面張力及流動特征等參數(shù)有關，由于模型幾何尺寸的縮小將對漩渦生成產(chǎn)生一定的影響，即縮尺效應。漩渦的模擬比較復雜，模型試驗須考慮縮尺效應，我國目前還沒有關于泵房流道漩渦模擬試驗的統(tǒng)一規(guī)定。國外對此有不同的作法，日本和西方國家經(jīng)常采用的方法是在模型試驗時，人為加大模型泵流量來克服縮尺效應。在模型中模擬渦流，按美國HI標準和日本機械學會(JIS)標準：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內(nèi)流道側壁的糙率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玻璃加工，其糙率為n=0.007～0.009，模型糙率滿足相似率要求。

(4)濾網(wǎng)及攔污柵。

濾網(wǎng)柵格模擬時，首先應保持幾何相似，同時對濾網(wǎng)及柵格進行了簡化。濾網(wǎng)柵格在外形幾何相似的基礎上，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個柵條合并成一個，按照出流面積與原型相似的原則進行制作。原型中旋轉濾網(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)選用常見的鐵紗網(wǎng)。

3 原設計方案進水流道水力特性試驗及分析

取海水系統(tǒng)運作時，海水需經(jīng)由取水明渠、箱涵、前池、閘門孔、攔污柵、旋轉濾網(wǎng)、喇叭口后才能進入循環(huán)水泵。當水流經(jīng)過箱涵進入前池，再流經(jīng)各個建筑物時斷面分別出現(xiàn)不同程度的縮窄或擴散，造成水流的收縮或擴散，不僅會引起局部水頭損失，也會造成水流流態(tài)紊動不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)有害漩渦。

本次模型試驗首先對原方案進水流道的水力特性進行了研究，包括進水喇叭口附近的漩渦、進水流道內(nèi)的水流流態(tài)、典型斷面流速、沿程水頭損失和突然開關泵進水流道內(nèi)水位變動情況。從原方案試驗結果來看，進水流道內(nèi)出現(xiàn)了不良流態(tài)和有害漩渦。

3.1 進水流道內(nèi)流態(tài)

本次試驗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)。試驗水位包括平均水位(MSL+1.21 m)和97%設計低潮位(-0.08 m)。試驗循環(huán)水泵運行工況包括1臺循泵單獨運行(18.8 m3/s)、2臺循泵共同運行(2×16.75 m3/s)和3臺循泵共同運行(3×14.25 m3/s)；不同循環(huán)水泵運行時脫硫泵都工作，其流量為6.11 m3/s。試驗流量比尺為λQ=λL2.5=498.83。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，低潮位時，前池內(nèi)水體紊動相對較強；流道內(nèi)存在偏流現(xiàn)象，出現(xiàn)了不良流態(tài)。高潮位時，前池和流道內(nèi)水流流態(tài)較低水位時穩(wěn)定和平順。不同工況組合時，前池內(nèi)水流受到閘門和流道隔墻的阻擋，水體翻滾、紊動有所不同；循環(huán)水泵取水量越大，前池內(nèi)水體紊動相對越強；循環(huán)水泵取水量越小，前池內(nèi)水體紊動相對越弱。不同工況時，流道內(nèi)水流的流態(tài)相似。圖3為低潮位(-0.08 m)條件下，三臺大泵+脫硫泵同時運行時流道內(nèi)的水流流態(tài)情況。從試驗結果看出，各個進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取水暗溝的出口，在流道隔墻端部的分流作用下，從前池進入鋼閘門的水存在偏流，當水流流經(jīng)閘門孔、攔污柵及旋轉濾網(wǎng)后進入進水流道。

圖3 進水流道流態(tài)(LLWL，三臺大泵+脫硫泵運行)Fig.3 The intake flow pattern in the forebay ( LLWL, 3sets of circulating pump)

分析出現(xiàn)回流的原因，海水從取水暗溝進入前池，由于出口為突然擴散，在出口兩側出現(xiàn)回流區(qū)；然后在前池內(nèi)紊動摻混，在不同工況下進入不同的流道內(nèi)；水流在前池內(nèi)紊動較強，水流遇鋼閘門受阻，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；由于海水泵的流量和水位是屬于客觀條件，所以可以通過修改流道隔墻端部的形狀改善閘門前的流態(tài)。設計方案流道隔墻端部為半圓形(弧形)，可助于減弱閘門前的回流強度，前池水體表面僅在前池壁和兩側形成回流區(qū)。經(jīng)歷一次擴張和收縮，擴張的時候，在旋轉濾網(wǎng)外側出現(xiàn)兩個小的回流區(qū)；收縮的時候，在旋轉濾網(wǎng)內(nèi)側、導流墩后側出現(xiàn)了一個相對稍大一點的回流。水流在經(jīng)過旋轉濾網(wǎng)匯流后進入進水流道，最后流向海水泵進水管。水流經(jīng)過閘門孔后，突然擴散。在閘門后側，閘門孔上方出現(xiàn)了一個橫軸旋滾，旋滾的區(qū)域處于閘門孔后上方，閘門與攔污柵之間的區(qū)域。水流經(jīng)過閘門孔和攔污柵后，進入旋轉濾網(wǎng)(外進內(nèi)出型)，水流首先經(jīng)過導流墩向兩邊擴張，然后經(jīng)過旋轉濾網(wǎng)匯流。

3.2 進水流道內(nèi)漩渦

圖4 試驗過程中胸墻前出現(xiàn)的5級表面漩渦(低潮位，3臺大泵+1臺脫硫泵)Fig.4 Surface vortex appears before the breast wall (97%LWL, Three circulating pumps + desulphurization pump working)

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

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在97%低潮位(-0.08 m)條件下，不同循環(huán)水泵運行工況時循環(huán)水泵喇叭口淹沒深度較小，進水流道中存在偏流現(xiàn)象，在進水池中出現(xiàn)了水面渦。原方案進水池內(nèi)設有胸墻，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，絕大部分時間內(nèi)水面無凹陷，無連續(xù)的表層旋流，屬于1級表面漩渦，漩渦等級參照Lewellen分類[9-10]；水面偶爾有輕微凹陷，連續(xù)旋流的時間很短，此時屬于2級漩渦。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級漩渦(吸氣漩渦)間隔出現(xiàn)，見圖4；4～5級漩渦持續(xù)時間：一臺大泵+脫硫泵運行>兩臺大泵+脫硫泵同時運行>三臺大泵+脫硫泵同時運行。試驗中未發(fā)現(xiàn)有水下渦的出現(xiàn)。從水流過流面積和循環(huán)水泵取水流量分析，大泵對應的流道內(nèi)水流速度更大，更易形成漩渦；從喇叭口淹沒深度分析，喇叭口淹沒深度越小，越易形成漩渦；從漩渦持續(xù)時間分析，一臺大泵+脫硫泵運行時單臺泵流量大于三臺大泵+脫硫泵同時運行時單臺泵流量，漩渦持續(xù)時間則相對長。循泵喇叭口附近的水面漩渦的強度取決于喇叭口的淹沒深度(水位)及循泵的流量，單泵流量越大、水位越低，漩渦等級及漩渦持續(xù)時間越長。

由《火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進水流道設計規(guī)范》(DL/T5489-2014)可知，當吸水池水面與吸水口之前形成空氣吸入渦(在嚴重情況下，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)地進入吸水口；在不嚴重情況下，空氣可能僅在漩渦不穩(wěn)定時間間斷地進入吸水口)，對水泵及系統(tǒng)將會產(chǎn)生不利影響，可能導致振動、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[13]等對胸墻型式的進水口前漩渦特性進行了試驗研究，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；研究結果均表明對于后傾式胸墻，坡度越陡，越不容易形成漩渦，在坡腳55°～70°之間，渦強變化較大，小于55°時渦較強，大于70°時渦較弱；對于垂直胸墻，漩渦不易發(fā)生；進水口上胸墻向上游伸出一段距離，能抑制來流使之平順，阻止漩渦的發(fā)生。

圖5 胸墻型式示意圖Fig.5 Type of breast wall

通過原設計方案試驗研究結果可知，原設計方案在低潮位(-0.08 m)時胸墻前方的進水流道表面間歇出現(xiàn)5級的吸氣漩渦，漩渦等級超過相關要求，且進水流道內(nèi)存在偏流現(xiàn)象，故需進行優(yōu)化。優(yōu)化措施主要從兩個方面考慮：(1)優(yōu)化胸墻；(2)在進水流道內(nèi)設置整流墩。

(1)胸墻優(yōu)化。

在原胸墻前方設置斜板作為新的整流胸墻，原胸墻僅作結構橫梁，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，為了使進水流道中的水流更加平順，削弱流道中的偏流，在旋轉濾網(wǎng)后方的擴張段布置了1個整流墩，整流墩采用魚尾形式，整流墩剖面形狀、尺寸及安裝位置示意見圖6。

在低潮位(-0.08 m)條件下，對胸墻優(yōu)化方案進行了漩渦觀測試驗和進水流道斷面流速測量試驗，對消除泵房內(nèi)不良流態(tài)和有害漩渦的措施進行了研究。

從漩渦試驗研究結果看，在低潮位(-0.08 m)條件下，當采用前傾式胸墻，前傾角度為30°時，胸墻能夠抑制來流使之平順，阻止漩渦的發(fā)生，斜置胸墻前方的漩渦等級均降至1～2級，達到了消除有害漩渦的目的。另外，從進水流道典型斷面流速結果看，在低潮位(-0.08 m)條件下，采用了整流墩措施后，進水流道內(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 結論

通過不同工況下的波浪物理模型試驗及結果分析，可以得到以下主要結論：

(1)取海水泵站通常由于占地面積、地質條件、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。

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

(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深度較小，在直立胸墻前方易出現(xiàn)4～5級有害漩渦，可通過將直立胸墻改為斜置胸墻來消除有害漩渦。