火电厂循环水系统高位集水池水面波动数值模拟研究

杜晨曲， 徐国宾， 翟 晶

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072； 2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司， 上海 200092)

1 研究背景

高位集水池是火电厂高位收水冷却塔的一个重要组成部分，其主要作用是将冷却水收集并平顺地引至循环水泵房，为循环水系统创造良好的水力条件。当水泵同时启动或同时事故停泵时，高位集水池水面会产生快速波动，若循环水系统设计方案不当，会造成水面迅速降低或水流溢出，严重影响循环水系统安全运行[1-5]。因此需要对循环水系统高位集水池在极端工况下的水面波动进行研究，通过对不同方案的结果进行分析，提出优选方案，以保证循环水系统安全运行[6]。

在对循环水系统进水流道进行三维流场模拟时，由于高位集水池段水面波动明显，因此采用能够反映自由液面波动情况的VOF法来追踪自由液面的变化[7]。许兆丰等[8]在2007年利用VOF法对吸水池内后台阶流动进行模拟，模拟结果与实验数据基本吻合；韩敬钦等[9]在2012年利用RNG 紊流模型模拟了泵房前池在极端工况下的水面波动；马涛等[10]在2013年基于VOF法对泵站3泵运行1台泵启动的动态过程进行了模拟；高传昌等[11]在2015年采用VOF模型对田山泵站进水池进行了三维流场计算，分析了不同水位及开机组合情况下泵站进水池的水流流态；杨震[12]在2015年利用VOF方法模拟了船舶进出船厢内的水体运动；戴熙武等[13]在2017年采用Realizablek-ε紊流模型耦合VOF法对分段低压输水系统进行二维数值模拟，分析了堰后水深对水面波动规律的影响，探讨了在外加扰动作用下水面波动的规律。

综合近几年的研究，对于电厂循环水系统高位集水池段极端工况下的水面波动研究较少，因此有必要进行相关研究[14-17]。本文通过对某电厂新建循环水泵房入口流道的两种方案进行三维流场模拟，分析启动工况与事故工况下两种方案高位集水池段的水面波动变化情况，比较两种方案的合理性，提出优选的布置方案，为其安全运行提供技术保障，同时为其他相似工程提供技术参考。

2 数学模型及计算方法

采用文献[18]中的RNG 紊流模型进行非定常流数值模拟，该模型考虑了平均流动中旋转及旋流的情况，并能较好的模拟近壁区域。计算方法中，选用在CFD领域通用性和广泛性最好的有限体积法作为求解水流流动问题的离散化方法[18]，对流项采用的离散格式是对结构网格和非结构网格适应性均较好的二阶迎风格式，压力-速度耦合关系采用适用于非稳态计算的PISO算法[19]，并且考虑重力影响，采用VOF法追踪自由液面[20]。

3 几何模型及边界条件

3.1 几何模型及网格划分

某电厂新建2×1000 MW超超临界燃煤发电机组，两台机组共建2座循环水泵房。该工程循环水泵按1机3泵单元制立式蜗壳泵方式配置，单泵流量10.42 m3/s，单泵扬程20.2 m，水泵功率2 700 kW。循环水泵房的布置形式共设计了两种方案：方案I采用流道承压式设计，方案II采用流道敞开式设计。

方案I类似肘形进水流道设计，计算区域包括：高位集水池、循环水回水沟、进水前池和进水流道。方案II按照钟形进水流道设计，计算区域包括：高位集水池、循环水回水沟、进水前池、钟形吸水室、导水锥及喇叭管、吸水管。其中两种方案高位集水池、循环水回水沟段结构相同，高位集水池段长度为60.5 m。在进行流道计算时，流道与泵的设计是相互分离的，因此并未考虑泵及导叶对进水流道的影响。出口阀门设在水泵吸水管尾部即蜗壳泵入口处，尽可能将模拟阀门地点与实际地点相接近，图1为两种方案入口流道模型图。

方案I的模型网格除在进水口分流墩周围和渐变段采用非结构化网格，其余部分均采用结构化六面体网格。压力回水沟及进水前池的网格尺寸控制在0.3 m以内，吸水室及吸水口的网格尺寸控制在0.1 m以内，正常运行水位(14.4 m)下的模型网格数约为100×104。方案II的模型网格划分准则与方案I相同，压力回水沟进水前池的网格尺寸控制在0.5 m以内，吸水室及吸水口的网格尺寸控制在0.1 m以内，正常水位(14.4 m)下的模型网格数约120×104。两种方案模型网格图如图2所示。

3.2 边界条件设置

进口边界给定压力进口，利用UDF赋予水流进口按静水压强分布，空气入口赋予大气压强；出口边界设置出流边界，利用UDF分别赋予启动及事故工况下阀门的启闭规律。由于最大涌高及最大水面下降分别发生在各运行泵同时事故停泵或同时启动时，因此，这里仅计算3台泵并联运行同时启动及事故工况，计算水位为正常运行水位(14.4 m)，进口流量为31.26 m3/s。阀门的开启和关闭规律根据流道及设备参数确定，水泵阀门开启规律采用一段直线规律，阀门总有效开启时间为20 s，各水泵出口流量以0.521 m3/s的幅度增加，流量由0线性增加到10.42 m3/s。水泵突然事故停泵时出口阀门总有效关闭时间为50 s，关闭规律为0～5 s内，各水泵出口流量以0.696 m3/s的幅度减小，由10.42 m3/s线性减小到6.94 m3/s，5～50 s内，各个出口流量以0.1542 m3/s的幅度减小，由6.94 m3/s线性减小到0。

壁面处理采用无滑移固壁边界条件，近壁面采用标准壁面函数来处理[21]。

4 启动工况数值模拟与分析

分别模拟两种流道方案在3台泵并联运行同时启动工况下，流道出口阀门开启0～20s过程中高位集水池的水面波动及水面线变化情况。

4.1 高位集水池水面波动

图3为方案I与方案II在3台泵同时启动历时3、5、10、15、20 s的高位集水池水面高程云图。由图3(a)可以看出，随着进水流道出口阀门的开启，高位集水池中的水逐渐流入压力回水沟，方案I水面沿程逐渐降低，随着出口阀门的不断开启，集水池末端水位开始升高，当末端水位达到最高时，水面涌高又开始向进口推移，末端水位又开始降低，水面一直难以稳定；20 s后水面仍处上下波动状态。

由图3(b)可看出，方案Ⅱ在3台泵同时启动过程中，高位集水池的水面波动变化规律与方案I类似，但随着出口阀门不断开启，集水池末端水位涌高并不明显。

4.2 高位集水池水面线

以高位集水池的轴线为x轴，以高程为z轴，提取不同时刻高位集水池纵剖面的水面线。同时，分别在两种方案的高位集水池末端设置监测点，便于分析集水池末端水位随时间的变化情况，水面线及监测点提取布置图如图4所示。

图1 两种方案入口流道模型图

图2 两种方案入口流道网格图

启动工况下，不同时刻两种方案高位集水池纵剖面的水面线对比情况如图5所示。参考水面高程为正常运行水位14.4 m，图中横坐标为起点距，等于图4中的x坐标值，纵坐标为水位。限于篇幅原因，此处仅列举了两种方案水面最大降低和水面最大涌高发生时刻的水面线对比图，事故工况下的水面线对比图于此处相同，不再赘述。监测点处水位随时间变化情况如图6所示。

由图5和6可知，阀门开启12 s内，两种方案高位集水池水位均沿程逐渐降低，但方案II水位降低值较小。两种方案高位集水池段最大水面降低均出现在集水池末端，方案I高位集水池最大水面降低值0.162 5 m发生在阀门开启12 s时，方案II高位集水池最大水面降低至0.140 2 m，发生在阀门开启10.94 s时。阀门开启12～17 s时，两种方案高位集水池末端水位均开始逐渐升高，但是方案I末端水位升高值远大于方案II。阀门开启17～20 s时，方案I高位集水池末端水位迅速降低，而方案II高位集水池末端水位却处于微小波动状态。阀门开启17 s时，方案I高位集水池最大水面涌高出现在集水池末端，其值为0.646 8 m，涌高超过0.6 m的时间小于1 s，阀门开启19.64 s时，方案II高位集水池最大水面涌高出现在进口附近(x=12 m处)，其值约为0.03 m。

同时由模拟结果及图6可知，方案I高位集水池段水位存在剧烈波动，其集水池末端水位最大波动差值达到了0.809 3 m，而方案II高位集水池段水位虽然也有波动，但波动强度低，其集水池末端水位最大波动差值约为0.170 2 m。

5 事故工况数值模拟与分析

分别模拟3台泵并联运行同时事故停泵工况下，事故阀关闭0～50 s过程中，方案I与方案II高位集水池的水面波动及水面线变化情况。

5.1 高位集水池水面波动

图7为方案I与方案II在3台泵并联运行同时事故停泵，事故阀门关闭历时10、20、30、40、50 s的高位集水池水面高程云图。

图3 两种方案启动动态过程中水面高程云图

图4 水面线及监测点提取布置图

图5 启动工况下不同时刻两种方案高位集水池水面线

由图7(a)可知，阀门开始关闭后，方案I高位集水池水位仍沿程逐渐降低，最大水面降低出现在高位集水池末端，但随着压力回水沟内的水回流到高位集水池，集水池末端水位开始逐渐涌高，大约历时15 s，集水池末端涌高水位达到最大，之后又由末端向进口处推移，水面波动强度随着循环次数的增加而不断降低，阀门完全关闭后高位集水池内水面仍处于循环波动状态。

由图7(b)可知，方案II高位集水池的水面波动规律与方案I相似，但水面波动强度远低于方案I，阀门关闭历时约10 s，高位集水池末端涌高水位达到最大，集水池末端水位涌高较方案I更快，但涌高值较方案I更小，随后水位涌高又由集水池末端向进口处推进，至阀门完全关闭时，集水池深水面一直处于循环波动状态。

5.2 高位集水池水面线

事故工况下，不同时刻两种方案高位集水池纵剖面的水面线对比情况如图8所示，监测点处水位随时间变化情况如图9所示。

图6 监测点处水位波动

图7 两种方案阀门关闭动态过程中水面高程云图

由图8和9可知，事故工况下，方案I高位集水池水位在阀门关闭0～3 s内仍沿程逐渐降低，最大水面降低值0.493 9 m出现在阀门关闭3 s时，位置处于集水池末端，之后高位集水池末端水位逐渐升高，进口处水位逐渐降低，在阀门关闭13.86 s时，水面涌高值达到最大为0.646 8 m，位置同样处于集水池末端，涌高超过0.6 m的时间小于1 s，之后高位集水池末端水位处于上下波动的循环状态，循环周期约为20 s，波动强度随循环次数的增加而不断减弱，启动工况与事故工况下，方案I高位集水池水面最大涌高值相同，但事故工况下的水面最大降低值较启动工况更大，事故工况下，方案I高位集水池末端水位最大波动差值达到了1.140 7 m，高位集水池水面波动较启动工况更为剧烈。

同样由图8与图9可知，阀门关闭0～8 s内方案II高位集水池末端水位逐渐升高，阀门关闭8 s时末端水位涌高达到一个峰值为0.159 9 m，随后开始降低。阀门关闭18.61 s时水面降低值达到最大为0.126 1 m，出现位置处于集水池末端，之后高位集水池末端水位处于上下波动的循环状态，循环周期与方案I相同约为20 s。阀门关闭30.04 s时水面涌高值达到最大为0.218 5 m，位置同样处于集水池末端,高位集水池末端水位最大波动差值达到了0.344 6 m。

方案II在启动工况与事故工况两种工下的最大水面降低值相差不大，但事故工况下的最大水面涌高值远大于启动工况，说明方案II事故工况下高位集水池水面波动较启动工况同样更剧烈。

图8 事故工况下不同时刻两种方案高位集水池水面线

图9 监测点处水位波动

6 结 论

本文基于RNG 紊流模型结合VOF法并通过UDF给定瞬态边界条件，对某电厂循环水泵房入口流道的两种设计方案，在启动工况及事故工况下高位集水池的水面波动变化进行了计算研究，通过对计算结果的分析，可以得到以下结论：

(1)启动工况及事故工况下，方案II流道开敞式布置形式下的高位集水池段水面波动变化过程均优于方案I流道承压式，这是因为与流道承压式布置形式相比，流道开敞式布置形式增加了钟形吸水室的自由水面，其面积越大，高位集水池水面波动幅度越小。因此在施工条件和投资允许的情况下，建议采用方案II流道开敞式布置形式。

(2)若采用方案I流道开敞式布置形式，考虑到高位集水池段安全超高仅为0.6 m，方案I启动及事故工况下最大涌高已经超过安全超高，会造成水流溢出，溢出时间小于1 s。为了防止水流溢出造成工程事故，可以将安全超高增至0.8 m。

(3)在着重考虑高位集水池段在启动及事故工况下，其水面波动可能对工程安全运行存在严重威胁时，流道开敞式的钟形进水流道较流道承压式的肘形进水流道更能减弱对高位集水池段的水面扰动，从而减少了影响工程安全运行的不利因素。