超临界燃煤电站取水泵站流道内流态及整流措施试验研究

2018-07-24谭忠华杨会利陈汉宝刘海成

水道港口 2018年3期

谭忠华，杨会利，陈汉宝，刘海成

(交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

大容量电站循环水泵房进水流道水力性能设计对保证循环水泵的安全和高效运行是至关重要的，良好的流道设计不仅对水泵安全、优化运行有利，同时它也是优化水泵房布置降低投资的前提条件。由于工程取水量较大，且旋转滤网采用外进内出的形式，若水泵吸水室深度、长度等关键尺寸或各种导流设施设计不合理，会造成循环水泵淹没深度不够或吸水室涡流等威胁电厂安全运行的工况出现。因此，为确保流道取得良好的水力条件，进行模型试验研究是十分必要的。刘海成等[1-3]提出了去掉分流墩以及将旋转滤网后方的突然扩展改变为渐变型的措施治理泵房流道内的漩涡。王晖等[4]提出了改变前池入流扩散角；设置底坎、横梁和分流立柱；利用导流板、导流墙、导流栅；采用压水板等措施对循环水泵房进水流道前池进行整流处理。陈凯等[5]对取水泵站进水流态进行了研究，并提出了各种消涡以及改善前池流态的措施，包括导流墩、导流墙和底坎。罗缙等[6]通过优化扩散角、设置底坎和立柱，对循环水泵房前池的流态进行了改善。

1 工程概况

印度尼西亚芝拉扎燃煤电站三期1×1 000 MW超临界燃煤机组扩建项目(Cilacap Expansion 1×1 000 MW CFSPP Project)位于印尼Java岛中部南海岸，Cilacap市区东北部，南面毗邻印度洋，地理坐标是7°41′15.71"S，109°5′18.66"E。电站现有装机2×300 MW+1×660 MW燃煤机组，已先后建成投产。电厂各期机组冷却水取自印度洋，采用海水直流供水系统。根据厂址处潮流流态及水深条件，并结合电厂总平面布置，取、排水口工程布置采用分列式的“浅取浅排”方案。三期扩建项目取水口拟设于电厂西侧海域，伸入约-4.50～-5.0 m深海域，冷却水经取水口后采用明渠和箱涵相结合的方式自流至泵房前池。温排水利用明渠引至电厂东侧输煤栈桥引堤外近岸排放。供水流程：印度洋→取水口及引水明渠→进水箱涵→进水前池→循环水泵房→压力供水管→凝汽器→压力排水管→虹吸井→海水脱硫曝气池→排水箱涵→排水明渠。工程采用的泵房布置形式为单泵单流道的形式，即每台泵对应一个单独的拦污栅、旋转滤网；4个流道对应4台循环水泵，其中三组为循环水泵流道，另一组为脱硫降温水泵流道。明渠底高程为-4.5 m，箱涵底高程为-5.00 m，泵房底高程为-10.5 m(文中提到的高程基准面均为理论最低潮位)。工程位置及取排水口平面布置见图1。

图2 循环水泵房模型示意图Fig.2 Arrangement plan of pump house model

2 模型设计

2.1 模型比尺及制作

2.2 相似准则

(1)进水流道水流相似条件。

取水口至泵房进水流道的水流流动主要受重力和惯性力作用。相似条件按佛汝德相似准则模拟。

佛汝德数Fr=V/(gL)0.5；流量比尺λQ=λL2.5=498.83；流速比尺λV=λL0.5=3.46

(2)漩涡相似条件。

水流漩涡生成与固体边界、水粘性、表面张力及流动特征等参数有关，由于模型几何尺寸的缩小将对漩涡生成产生一定的影响，即缩尺效应。漩涡的模拟比较复杂，模型试验须考虑缩尺效应，我国目前还没有关于泵房流道漩涡模拟试验的统一规定。国外对此有不同的作法，日本和西方国家经常采用的方法是在模型试验时，人为加大模型泵流量来克服缩尺效应。在模型中模拟涡流，按美国HI标准和日本机械学会(JIS)标准：流量比尺λQ=λL2.2=236.70；流速比尺λV=λL0.2=1.64

(3)糙率。

原体中引水箱涵及泵房内流道侧壁的糙率n=0.011～0.014，模型的糙率比尺为λn=λL1/6=1.51，所以按照正态模型比尺换算，模型中的糙率约为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机玻璃加工，其糙率为n=0.007～0.009，模型糙率满足相似率要求。

(4)滤网及拦污栅。

滤网栅格模拟时，首先应保持几何相似，同时对滤网及栅格进行了简化。滤网栅格在外形几何相似的基础上，按阻力相似模拟。原型拦污栅为倾斜式，栅条为10 mm厚的扁钢，净宽50 mm，中心距为60 mm；模型中将相邻的3个栅条合并成一个，按照出流面积与原型相似的原则进行制作。原型中旋转滤网网孔净尺寸为10 mm×10 mm，网丝直径约2 mm；模型中滤网选用常见的铁纱网。

3 原设计方案进水流道水力特性试验及分析

取海水系统运作时，海水需经由取水明渠、箱涵、前池、闸门孔、拦污栅、旋转滤网、喇叭口后才能进入循环水泵。当水流经过箱涵进入前池，再流经各个建筑物时断面分别出现不同程度的缩窄或扩散，造成水流的收缩或扩散，不仅会引起局部水头损失，也会造成水流流态紊动不稳定，甚至出现有害漩涡。

本次模型试验首先对原方案进水流道的水力特性进行了研究，包括进水喇叭口附近的漩涡、进水流道内的水流流态、典型断面流速、沿程水头损失和突然开关泵进水流道内水位变动情况。从原方案试验结果来看，进水流道内出现了不良流态和有害漩涡。

3.1 进水流道内流态

本次试验研究了不同工况和水位条件下泵房前池和流道内不同位置处的水流流态。试验水位包括平均水位(MSL+1.21 m)和97%设计低潮位(-0.08 m)。试验循环水泵运行工况包括1台循泵单独运行(18.8 m3/s)、2台循泵共同运行(2×16.75 m3/s)和3台循泵共同运行(3×14.25 m3/s)；不同循环水泵运行时脱硫泵都工作，其流量为6.11 m3/s。试验流量比尺为λQ=λL2.5=498.83。

通过试验发现，低潮位时，前池内水体紊动相对较强；流道内存在偏流现象，出现了不良流态。高潮位时，前池和流道内水流流态较低水位时稳定和平顺。不同工况组合时，前池内水流受到闸门和流道隔墙的阻挡，水体翻滚、紊动有所不同；循环水泵取水量越大，前池内水体紊动相对越强；循环水泵取水量越小，前池内水体紊动相对越弱。不同工况时，流道内水流的流态相似。图3为低潮位(-0.08 m)条件下，三台大泵+脱硫泵同时运行时流道内的水流流态情况。从试验结果看出，各个进水流道在胸墙前的水面和水下出现了偏流，这是由于流道隔墙端部正对取水暗沟的出口，在流道隔墙端部的分流作用下，从前池进入钢闸门的水存在偏流，当水流流经闸门孔、拦污栅及旋转滤网后进入进水流道。

图3 进水流道流态(LLWL，三台大泵+脱硫泵运行)Fig.3 The intake flow pattern in the forebay ( LLWL, 3sets of circulating pump)

分析出现回流的原因，海水从取水暗沟进入前池，由于出口为突然扩散，在出口两侧出现回流区；然后在前池内紊动掺混，在不同工况下进入不同的流道内；水流在前池内紊动较强，水流遇钢闸门受阻，在前池表面出现反向流，并在前池壁附近出现回流区域。该回流强度及位置与海水泵流量大小、水位高低以及流道隔墙端部的形状有关；由于海水泵的流量和水位是属于客观条件，所以可以通过修改流道隔墙端部的形状改善闸门前的流态。设计方案流道隔墙端部为半圆形(弧形)，可助于减弱闸门前的回流强度，前池水体表面仅在前池壁和两侧形成回流区。经历一次扩张和收缩，扩张的时候，在旋转滤网外侧出现两个小的回流区；收缩的时候，在旋转滤网内侧、导流墩后侧出现了一个相对稍大一点的回流。水流在经过旋转滤网汇流后进入进水流道，最后流向海水泵进水管。水流经过闸门孔后，突然扩散。在闸门后侧，闸门孔上方出现了一个横轴旋滚，旋滚的区域处于闸门孔后上方，闸门与拦污栅之间的区域。水流经过闸门孔和拦污栅后，进入旋转滤网(外进内出型)，水流首先经过导流墩向两边扩张，然后经过旋转滤网汇流。

3.2 进水流道内漩涡

图4 试验过程中胸墙前出现的5级表面漩涡(低潮位，3台大泵+1台脱硫泵)Fig.4 Surface vortex appears before the breast wall (97%LWL, Three circulating pumps + desulphurization pump working)

本次试验研究了不同工况和水位条件下进水流道循环水泵进水口附近的水面漩涡和水下涡的情况。试验水位与试验工况与上节试验研究相同。试验流量比尺为λQ=λL2.2=236.70。

通过试验研究发现，在97%低潮位(-0.08 m)条件下，不同循环水泵运行工况时循环水泵喇叭口淹没深度较小，进水流道中存在偏流现象，在进水池中出现了水面涡。原方案进水池内设有胸墙，胸墙底高程-4.4 m。胸墙后方的循泵喇叭口附近有轻微的表面涡纹，绝大部分时间内水面无凹陷，无连续的表层旋流，属于1级表面漩涡，漩涡等级参照Lewellen分类[9-10]；水面偶尔有轻微凹陷，连续旋流的时间很短，此时属于2级漩涡。但胸墙前方由于拐角附近流线曲度大，水流调整不充分，造成1～5级漩涡(吸气漩涡)间隔出现，见图4；4～5级漩涡持续时间：一台大泵+脱硫泵运行>两台大泵+脱硫泵同时运行>三台大泵+脱硫泵同时运行。试验中未发现有水下涡的出现。从水流过流面积和循环水泵取水流量分析，大泵对应的流道内水流速度更大，更易形成漩涡；从喇叭口淹没深度分析，喇叭口淹没深度越小，越易形成漩涡；从漩涡持续时间分析，一台大泵+脱硫泵运行时单台泵流量大于三台大泵+脱硫泵同时运行时单台泵流量，漩涡持续时间则相对长。循泵喇叭口附近的水面漩涡的强度取决于喇叭口的淹没深度(水位)及循泵的流量，单泵流量越大、水位越低，漩涡等级及漩涡持续时间越长。

由《火力发电厂循环水泵房进水流道设计规范》(DL/T5489-2014)可知，当吸水池水面与吸水口之前形成空气吸入涡(在严重情况下，在水面与吸水口之前形成带空气核的稳定流，空气连续地进入吸水口；在不严重情况下，空气可能仅在漩涡不稳定时间间断地进入吸水口)，对水泵及系统将会产生不利影响，可能导致振动、噪声和性能下降。

4 治理措施研究

夏毓常[11]，卢永今[12]，朱卫国[13]等对胸墙型式的进水口前漩涡特性进行了试验研究，胸墙型式主要包括后倾式胸墙、垂直胸墙和胸墙向上游伸出一段距离，如图5；研究结果均表明对于后倾式胸墙，坡度越陡，越不容易形成漩涡，在坡脚55°～70°之间，涡强变化较大，小于55°时涡较强，大于70°时涡较弱；对于垂直胸墙，漩涡不易发生；进水口上胸墙向上游伸出一段距离，能抑制来流使之平顺，阻止漩涡的发生。

图5 胸墙型式示意图Fig.5 Type of breast wall

通过原设计方案试验研究结果可知，原设计方案在低潮位(-0.08 m)时胸墙前方的进水流道表面间歇出现5级的吸气漩涡，漩涡等级超过相关要求，且进水流道内存在偏流现象，故需进行优化。优化措施主要从两个方面考虑：(1)优化胸墙；(2)在进水流道内设置整流墩。

(1)胸墙优化。

在原胸墙前方设置斜板作为新的整流胸墙，原胸墙仅作结构横梁，可出水。优化方案斜置胸墙(整流斜板)的底高程为-4.4 m；斜置胸墙底端距循环水泵进水管中心线的距离大于2D(D=3.05 m为喇叭口直径，原型值)，为6.2 m；斜置胸墙向进水流道前方倾斜角度为30°，各流道优化后的胸墙布置形式示意图如图6所示。

(2)整流措施。

在优化胸墙的同时，为了使进水流道中的水流更加平顺，削弱流道中的偏流，在旋转滤网后方的扩张段布置了1个整流墩，整流墩采用鱼尾形式，整流墩剖面形状、尺寸及安装位置示意见图6。

在低潮位(-0.08 m)条件下，对胸墙优化方案进行了漩涡观测试验和进水流道断面流速测量试验，对消除泵房内不良流态和有害漩涡的措施进行了研究。

从漩涡试验研究结果看，在低潮位(-0.08 m)条件下，当采用前倾式胸墙，前倾角度为30°时，胸墙能够抑制来流使之平顺，阻止漩涡的发生，斜置胸墙前方的漩涡等级均降至1～2级，达到了消除有害漩涡的目的。另外，从进水流道典型断面流速结果看，在低潮位(-0.08 m)条件下，采用了整流墩措施后，进水流道内水流偏流现象均减弱。