循環(huán)水泵房超短前池水力特性試驗(yàn)研究

麥珊珊 鐘翔熹 高升

摘要：為保證火力發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)水流道的水力性能良好，以保障循環(huán)水泵的穩(wěn)定運(yùn)行，采用1：10正態(tài)比尺物理模型，對(duì)某前池超短循環(huán)水泵房的進(jìn)水流道水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了低水位下流道沿程強(qiáng)烈水流偏置現(xiàn)象、吸水室內(nèi)較強(qiáng)管外環(huán)流等不良流態(tài)的形成原因，提出前池內(nèi)布設(shè)“橫梁+底坎”組合、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口增設(shè)弧形導(dǎo)流墩、調(diào)整吸水室胸墻高度等綜合措施，消除了原方案中的多種不良流態(tài)，提升了流道內(nèi)水流流速分布均勻性，保證了吸水喇叭口理想的進(jìn)流條件，保障了循環(huán)水泵穩(wěn)定運(yùn)行。研究成果可為類似泵房前池的設(shè)計(jì)和水力性能優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：泵房；前池；進(jìn)水流道；水力特性；物理模型

中圖法分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.015

文章編號(hào)：1006-0081（2024）02-0094-05

0 引 言

發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)的泵房設(shè)計(jì)涉及循環(huán)水泵的運(yùn)行安全及經(jīng)濟(jì)問題。泵房合理設(shè)計(jì)應(yīng)使水頭損失較小、流道內(nèi)無表面漩渦和水內(nèi)渦等不良流態(tài)，以確保水泵的安全高效運(yùn)行。前池是火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房引水和取水的銜接部位，是急流變緩流的過渡段。大型火電廠循環(huán)水引用流量較大，水流實(shí)際擴(kuò)散角度較?。é取?0°），若按照常規(guī)擴(kuò)散角設(shè)計(jì)，則前池往往需要占據(jù)較大的空間。在實(shí)際工程中，受場(chǎng)地、建設(shè)成本等多方面限制，前池長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到水流自由擴(kuò)散的需求，相應(yīng)的輔助整流設(shè)施研究成為泵房設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。

泵房的輔助整流設(shè)施需要結(jié)合泵房的特點(diǎn)確定。付輝等通過模型試驗(yàn)提出了設(shè)置半圓形擴(kuò)散墩和懸空隔板相結(jié)合的水力性能優(yōu)化措施。楊濤等提出在吸水室進(jìn)口處布設(shè)三角形擴(kuò)散導(dǎo)墻＋圓柱形均流擴(kuò)散墩＋防渦胸墻的成套整流防渦措施和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，可有效縮短吸水室長(zhǎng)度以節(jié)省成本。王廣聚等通過模型試驗(yàn)提出在引水隧洞出口的正面設(shè)置與前池同寬度的橫梁和導(dǎo)流墻，以改善水體的均勻性和平順性。白玉川等提出了由傾斜型和順直型導(dǎo)流墩組成的“多人字型”結(jié)構(gòu)可有效縮小回流區(qū)的范圍和強(qiáng)度。羅縉等提出了通過優(yōu)化擴(kuò)散角、設(shè)置底坎和立柱等措施優(yōu)選前池內(nèi)水工布置、前池?cái)U(kuò)散角及前池長(zhǎng)度方案。高傳昌等對(duì)前池與進(jìn)水池水流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用非連續(xù)底坎、非連續(xù)挑流坎與壓水板3種整流措施相結(jié)合，使前池與進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)得到較好改善。邱靜等針對(duì)水泵機(jī)組不規(guī)律的振動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了前池內(nèi)旋渦是導(dǎo)致機(jī)組不規(guī)則振動(dòng)的主要因素。王暉結(jié)合了某電站循環(huán)水泵房模型實(shí)驗(yàn)，提出了前池長(zhǎng)度的控制尺寸和滿足水泵進(jìn)流條件的最佳前池長(zhǎng)度。羅燦等利用 CFD 模擬了底坎對(duì)前池流態(tài)的影響，認(rèn)為底坎位置離進(jìn)水池過近或者過遠(yuǎn)都會(huì)使池內(nèi)流態(tài)紊亂、惡化進(jìn)水條件，提出將底坎設(shè)置在距進(jìn)水池 7～10D（D為引水管管徑）處能有效改善前池流態(tài)。成立等利用數(shù)值模擬，分析底坎分離流動(dòng)主要經(jīng)歷了阻水、邊界層分離、再附和充分發(fā)展幾個(gè)過程，底坎的位置和高度對(duì)泵站前池整流效果有較大的影響。

本文以某火電廠循環(huán)水泵房為研究對(duì)象，針對(duì)超短前池體型導(dǎo)致的流道進(jìn)口偏流流態(tài)、濾網(wǎng)出口體型引起的偏流放大效應(yīng)、吸水室表面旋渦等水力學(xué)問題，通過物理模型試驗(yàn)方案對(duì)比，提出了前池內(nèi)“橫梁+底坎”結(jié)合布置、濾網(wǎng)出口設(shè)弧形導(dǎo)流墩和降低吸水室胸墻的綜合整流措施，保證了流道沿程水流平穩(wěn)、均勻，維持水泵在高效工作點(diǎn)附近，運(yùn)行試驗(yàn)成果可為類似工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型制作

某電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制直流供水系統(tǒng)，Q=13.80 m/s，循環(huán)水采用DN3240引水鋼管取水，電廠2臺(tái)機(jī)組共用一座循環(huán)水泵房，泵房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)循環(huán)水泵，每臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)循環(huán)水泵。泵房下部由兩個(gè)前池及4個(gè)流道組成，泵房沿水流方向依次布置有閘門洞、攔污柵、側(cè)面進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、海水取水泵、循環(huán)水泵等設(shè)備。流道單寬為6 000 mm，循環(huán)水泵吸入口直徑D=2 500 mm，循環(huán)水泵（簡(jiǎn)稱“循泵”）吸入口安裝懸空高度h=1 250 mm，泵房平面布置如圖1所示。

模型按照弗勞德重力水流運(yùn)動(dòng)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，以滿足整體水流流場(chǎng)相似。根據(jù)相關(guān)要求，模型比尺采用1∶10。模擬范圍包括一部分引水段、進(jìn)水前池至循泵吸水室、循泵泵體外形、吸水喇叭口及簡(jiǎn)化的循泵喇叭口后部分。模型主體部分均采用有機(jī)玻璃制造，以便于觀測(cè)水流流態(tài)及旋渦的產(chǎn)生與發(fā)展。

在以下斷面布置模型測(cè)點(diǎn)：① 前池測(cè)速斷面；② 流道進(jìn)口胸墻測(cè)速斷面；③ 旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)進(jìn)出口斷面；④ 循泵中心線上游1.5D斷面（D為吸水喇叭口直徑）；⑤ 循泵吸水喇叭口前緣8點(diǎn)徑向測(cè)速斷面。水位測(cè)量采用1/50 mm游標(biāo)測(cè)針和平水槽進(jìn)行輸入控制；流速測(cè)量采用OA型旋漿式光纖流速傳感器接專用采集系統(tǒng)測(cè)量；流量控制采用標(biāo)準(zhǔn)矩形量水堰測(cè)量和控制。

麥珊珊 等 循環(huán)水泵房超短前池水力特性試驗(yàn)研究2 原方案泵房水力特性分析

在97%設(shè)計(jì)低潮位下對(duì)上述各典型斷面水流流速分布進(jìn)行試驗(yàn)。由圖2可看出：① 引水管進(jìn)流在前池內(nèi)擴(kuò)散不充分，明顯呈中間大、兩側(cè)小的分布，在前池中部主流最大流速基本沒有減小，并在引水管兩側(cè)形成回流；② 受水流直沖的影響，流道進(jìn)水口偏流明顯，流速呈內(nèi)側(cè)大、外側(cè)負(fù)流速分布，各流道進(jìn)口偏流流態(tài)直接影響到流道內(nèi)側(cè)向旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)口流量分配，左右進(jìn)口流量偏差接近60%；③ 受旋網(wǎng)出口擴(kuò)散體型的影響，出口水流主流折向外側(cè)，喇叭口前沿1.5D斷面上水流明顯向單側(cè)集中，另一側(cè)出現(xiàn)回流，斷面流速橫向分布最大偏差達(dá)70%；④ 在吸水室內(nèi)形成繞循泵的管外環(huán)流，吸水室喇叭口底部水流穩(wěn)定性較差，水泵吸入口形成較強(qiáng)的漩流。這些不良流態(tài)將增大水泵的運(yùn)行負(fù)荷及不穩(wěn)定性，甚至造成水泵的振動(dòng)和汽蝕破壞。

3 優(yōu)化方案試驗(yàn)研究

原方案試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同運(yùn)行工況下，泵房?jī)?nèi)存在進(jìn)口偏流且出現(xiàn)負(fù)流速、水面震蕩、吸水室回流、管外環(huán)流和吸入口形成較強(qiáng)的漩流等不良流態(tài)，不利于水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要通過優(yōu)化措施調(diào)整泵房整體流態(tài)。查閱文獻(xiàn)［12-15］可知，改善前池水流流速分布均勻性的主要措施為以下幾個(gè)方面：① 加設(shè)整流橫梁，促進(jìn)水流立面翻滾和平面水量交換，從而達(dá)到水流在空間上的重新分布；② 加設(shè)分流立柱和底坎，利用其后的橫軸旋滾的摻搓作用，強(qiáng)迫水流增大過流路徑，促進(jìn)橫向擴(kuò)散；③ 增加導(dǎo)流板、導(dǎo)流墻與導(dǎo)流柵，調(diào)順?biāo)?，壓縮或填充回流區(qū)，避免回流對(duì)主流的擠壓，改善水流的平面分布。

3.1 前池優(yōu)化方案

前池內(nèi)的整流措施應(yīng)能滿足促進(jìn)水流在有限空間內(nèi)擴(kuò)散與削弱引水管水流對(duì)流道進(jìn)口影響等條件。基于此，本文設(shè)計(jì)了多組整流優(yōu)化方案，選取97%設(shè)計(jì)低潮位進(jìn)行了試驗(yàn)研究，方案見圖3。圖中方案1為前池距引水管出口3.2 m處設(shè)置一條水平橫梁；方案2在方案1基礎(chǔ)上，距引水管出口6.20 m處設(shè)置一道開孔底坎，坎高2.00 m，開孔高度0.50 m；方案3在方案2基礎(chǔ)上降低開孔底坎高度，坎高0.50 m。

圖4為1號(hào)流道的進(jìn)口胸墻斷面上不同高程的流速分布。方案1在原方案基礎(chǔ)上，在前池內(nèi)設(shè)置橫梁，水流受橫梁的阻擋，緩沖后從梁上下兩側(cè)越過，在橫向及垂向上進(jìn)一步擴(kuò)散，前池兩側(cè)回流區(qū)顯著減小。圖4（a）表明流道進(jìn)口流速偏流情況依然存在，斷面平均橫向流速最大偏差達(dá)到26%，從流態(tài)觀測(cè)可知，流道進(jìn)口中隔墩兩側(cè)仍存在較大的漩渦滯流區(qū)。

方案2在方案1的基礎(chǔ)上增設(shè)開孔底坎。來流直接沖擊底坎，一部分水流從坎頂越過，另一部分則受底坎作用折向兩側(cè)。圖4（b）表明，流道進(jìn)口處流速分布進(jìn)一步改善，斷面平均橫向流速最大偏差降低至17%，斷面平均垂向流速最大偏差為26%；斷面橫向流速分布趨于均勻，底坎整流效果明顯，但底坎過高使主流偏向表面，增大了吸水室內(nèi)循泵附近水流的垂向加速度，使吸水室內(nèi)表面旋渦發(fā)生概率增加，對(duì)循泵運(yùn)行不利。

方案3在方案2基礎(chǔ)上降低開孔底坎高度，以避免水流在垂向上的多次折沖。圖4（c）表明，該方案能較短距離內(nèi)調(diào)整水流均勻分布，流道進(jìn)口斷面平均橫向流速最大偏差降至16%，斷面平均垂向流速最大偏差降至14%，斷面橫向流速及垂向流速均勻性相較于原方案有顯著提高。

試驗(yàn)對(duì)比了在97%設(shè)計(jì)低潮位工況下，各優(yōu)化方案旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)左右進(jìn)水口流速比，見表1。從表1中以看出，優(yōu)化方案下濾網(wǎng)左右進(jìn)口流速偏差較原方案均有明顯減小。在優(yōu)化方案3條件下，濾網(wǎng)左右進(jìn)口流速基本相等，濾網(wǎng)兩側(cè)流量分配均勻。

3.2 吸水室優(yōu)化方案

從原方案試驗(yàn)結(jié)果可以看出，吸水室內(nèi)出現(xiàn)偏流及回流，且偶爾出現(xiàn)表面旋渦。試驗(yàn)過程中對(duì)濾網(wǎng)出口水流進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)出口處的偏流形成有以下兩種情況：① 當(dāng)濾網(wǎng)進(jìn)口某一側(cè)進(jìn)流量明顯大于另一側(cè)時(shí)，濾網(wǎng)出口處水流朝流量較小的一側(cè)形成穩(wěn)定偏流；② 當(dāng)濾網(wǎng)兩側(cè)進(jìn)口流量大致相當(dāng)時(shí)，濾網(wǎng)出口水流在初始時(shí)沿中線流動(dòng)并沿程擴(kuò)散，伴有不穩(wěn)定的左右擺動(dòng)，使不同流速的水體之間發(fā)生剪切運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)逐漸形成回流，回流區(qū)域又進(jìn)一步壓迫水流，水流擺動(dòng)幅度增大，在某次擺動(dòng)后貼向一側(cè)形成偏流。經(jīng)過多次觀測(cè)，情況①中的偏流穩(wěn)定偏向流量較小的一側(cè)，情況②中的偏流方向具有一定隨機(jī)性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是濾網(wǎng)出口擴(kuò)散段兩側(cè)擴(kuò)散角明顯大于水流自擴(kuò)散角，水流自身不穩(wěn)定加上兩側(cè)形成回流導(dǎo)致，應(yīng)對(duì)濾網(wǎng)出口兩側(cè)導(dǎo)流段體型進(jìn)行優(yōu)化。

針對(duì)水流橫向偏流的現(xiàn)象，將兩側(cè)直線型式導(dǎo)流墩調(diào)整為橢圓弧形段，其長(zhǎng)短邊之比為3∶1，對(duì)旋網(wǎng)出口起始端水流進(jìn)行約束導(dǎo)向，避免水流在吸水室內(nèi)的左右折沖，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定水流和緩慢漸變擴(kuò)散的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該弧形導(dǎo)流墩方案作用下，吸水室水流橫向偏流及回流消失，水流橫向流速分布較為均勻。

濾網(wǎng)出口加設(shè)弧形墩之后，吸水室管外環(huán)流基本消失，但在試驗(yàn)過程中仍偶爾能看到較為明顯的表面凹陷。通過著色液法觀測(cè)吸水室流態(tài)，發(fā)現(xiàn)水流在流經(jīng)濾網(wǎng)出口時(shí)，受到底坎作用，主流向上偏轉(zhuǎn)，接近吸水管附近時(shí)受到喇叭口吸水作用又急劇下潛，從而形成表面凹陷，在原型中有一定概率形成表面旋渦。為了杜絕表面旋渦的形成，在弧形墩末端設(shè)置一道胸墻（圖5），經(jīng)多方案比較，可降低吸水室最后一道胸墻開孔高程，使胸墻底部低于吸水室最低水位1.5 m。

增設(shè)胸墻后，濾網(wǎng)出口水流經(jīng)過弧形導(dǎo)流墩導(dǎo)流、調(diào)順作用，主流在胸墻前沿下潛，減小吸水室表層的垂向流速，胸墻后表層水流運(yùn)動(dòng)緩慢。吸水室調(diào)整后，流速分布見圖6，循泵附近1.5D斷面流速分布均勻性與對(duì)稱性有顯著改善，循泵進(jìn)流條件理想。

4 結(jié) 論

本文以某火電廠循環(huán)水的泵房為研究對(duì)象，開展了物理模型試驗(yàn)，對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論。

（1）原方案中，由于前池距離短，水流從引水管進(jìn)入前池后并未充分?jǐn)U散，導(dǎo)致流道各進(jìn)水口水流偏置嚴(yán)重，存在濾網(wǎng)兩側(cè)流道不對(duì)稱進(jìn)流、吸水室偏流、喇叭口底部管外環(huán)流、間歇觀測(cè)到吸氣渦等不利流態(tài)，可能引起水泵的振動(dòng)和氣蝕破壞。

（2）前池內(nèi)設(shè)置“橫梁+底坎”的方案，使水流碰撞、混摻，促進(jìn)橫向和垂向充分紊動(dòng)擴(kuò)散。流道各進(jìn)水口水流較為平穩(wěn)、順暢，實(shí)現(xiàn)濾網(wǎng)兩側(cè)進(jìn)水?dāng)嗝娴膶?duì)稱進(jìn)流，流量配比較為均勻，流速分布較為合理。

（3）濾網(wǎng)出口擴(kuò)散段設(shè)弧形導(dǎo)流墩，消除兩側(cè)回流空間，使水流穩(wěn)定并緩慢漸變擴(kuò)散。吸水室設(shè)低于水面胸墻后可均化吸水室內(nèi)流速分布，胸墻后表層水流運(yùn)動(dòng)緩慢，吸水室內(nèi)水流較為平靜，有效防止了吸水室內(nèi)喇叭口底部管外環(huán)流及表面漩渦的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 胡良明，柴端伍.泵房進(jìn)水流道堵塞對(duì)其水力性能的影響［J］.水電能源科學(xué)，2018，36（8）：158-161.

［2］ 付輝，牛華寺，毛雨佳，等.超窄聯(lián)合泵房前池水力性能優(yōu)化：實(shí)例研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2020，51（7）：788-795，804.

［3］ 楊濤，胡良明，李繼承，等.帶側(cè)面進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的泵房吸水室長(zhǎng)度優(yōu)化研究［J］.水電能源科學(xué)，2021，39（6）：85-88.

［4］ 王廣聚，周靜，紀(jì)平.泵房進(jìn)水前池優(yōu)化試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2014，45（2）：123-125.

［5］ 白玉川，李彬，徐海玨，等.大跨度泵站多人字型前池導(dǎo)流墩整流分析［J］.水電能源科學(xué)，2019，37（6）：75-79.

［6］ 羅縉，林穎.火（核）電站循環(huán)水泵房前池水力模型試驗(yàn)研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（5）：106-110.

［7］ 高傳昌，劉新陽，石禮文，等.泵站前池與進(jìn)水池整流方案數(shù)值模擬［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30（2）：54-59.

［8］ 邱靜，黃東，黃本勝，等.某大型泵站機(jī)組振動(dòng)原因分析及防振臨時(shí)工程措施［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2004 （12）：103-105.

［9］ 王暉.循環(huán)水泵房進(jìn)水前池水流特性和幾何尺寸優(yōu)化［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.

［10］ 羅燦，成立，劉超.泵站正向進(jìn)水前池底坎整流機(jī)理數(shù)值模擬［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，32（5）：393-398.

［11］ 成立，劉超，周濟(jì)人，等.泵站前池底壩整流數(shù)值模擬研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，（3）：42-45.

［12］ 周濟(jì)人，劉超，湯方平.泵站復(fù)雜前池內(nèi)的流態(tài)改善研究［J］.江蘇農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，（4）：93-96.

［13］ 陳樹容，邱靜.改善大型泵站前池水流流態(tài)的試驗(yàn)研究［J］.人民珠江，2006，（4）：15-17.

［14］ 韓敬欽，宮俊亭，高德申.沿海電廠循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究［J］.水利水電技術(shù)，2011，42（7）：98-101.

［15］ 吉紅香，邱靜，林美蘭，等.某核電廠一期工程循環(huán)水泵房進(jìn)水流道物理模型試驗(yàn)研究［J］.廣東水利水電，2010（10）：20-23.

（編輯：張 爽）

Experimental study on hydraulic performance optimization of ultra-short

forebay of circulating water pump plant in thermal power stationMAI Shanshan，ZHONG Xiangxi，GAO Sheng

（1.POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming 650000，China； 2.Central Yunnan Water Diversion Project Construction Administration Bureau，Kunming 650000，China）

Abstract：The good hydraulic performance of the inlet conduit of circulating water system of the thermal power plant is very important to ensure the stable operation of the circulating water pump. A hydraulic model of scale 1∶10 was used to study the hydraulic characteristics of circulating pump plant with a ultra-short forebay. The reasons for the formation of reverse flow patterns，such as flow deviation at the inlet and rotating filter outlet of the flow channel in the suction chamber were analyzed，a rectifying facility consisting of "beam+bottom ridge"was proposed to be installed in the forebay，a curved diversion pier was added at the outlet of the traveling screen，and the chest wall height adjustment of the suction chamber was put forward，with the reverse flow patterns in the original scheme were eliminated，the uniformity of the flow velocity distribution in the flow channel were improved，the ideal inflow condition of the water suction bell mouthand stable operation of the pump were guaranteed. The research results can provide a reference for the design and hydraulic performance optimization of the pump plant in similar thermal power plant．

Key words：pump plant；forebay；intake channel；hydraulic characteristics；physical model