华能罗源电厂循环水泵房进水流道的水力性能优化研究

韩 强，徐 薇，郭永鑫

(1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013;2. 济南市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 济南 250101;3. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038)

1 研究背景

火电厂循环水系统进水流道及其布置是供水系统的重要组成部分，循环水进水流道设计是否合理，涉及到循环水泵运行的安全、经济问题。合理的进水流道布置，吸水喇叭口断面进流均匀、平顺，对于提高水泵运行效率，延长水泵使用寿命，保证电厂安全满发，以及节约工程造价具有重大作用[1]。

华能罗源电厂位于福建省福州市罗源县，1期建设2×660 MW超超临界凝汽式燃煤发电机组，留有扩建条件。循环水供水系统采用扩大单元制直流循环供水系统，冷却水水源为罗源湾海水，2台机组共用一座循环水泵房。进水流道采用“内进外出”型侧面进水旋转滤网，旋转滤网出口至后墙的距离为16.77 m(7.3D，D为吸水喇叭口直径)，小于规范[2]建议的“当不采用整流和增加淹没深度等设施时，取值范围为7.5D～9D”的下限取值，因此，有必要通过模型试验对流道内水力特性和流态进行验证。

本文采用1:10的正态比尺模型，从有利于工程安全、经济运行的角度对泵房流道内水力特性进行系统的模拟和优化，提出工程可行的整流措施，使循环水泵具有稳定的运行条件，保证工程的安全、高效运行。

2 进水流道模型设计

2.1 模拟范围

模型范围包括从引水暗管至水泵吸水室的整个流道，重点模拟前池、进水流道、闸门孔、拦污栅、旋转滤网间、吸水室、循环水泵吸水管等部分，循环水泵房流道原布置方案如图1所示。

图1 循环水泵房流道原布置方案示意(单位：高程 m，尺寸 mm)

2.2 模型相似准则

模型和原型之间应保持几何相似和运动相似，模型比尺选择需考虑模型水流条件，特别是水体表面以及水内漩涡模拟的基本要求，同时也要兼顾有利于模型加工，以及试验室供水、供电能力等因素。基于上述分析，选用1：10的正态比尺，按重力相似准则设计模型。相应参数的原型、模型比尺见表1。

表1 主要参数的原型、模型相似比尺

受模型缩尺效应影响，流道模型水流漩涡的相似性无法完全满足。美国水力学会在进行大量试验研究的基础上认为，当模型吸水喇叭口处的雷诺数(Re)大于6.0×104，韦伯数(We)大于240时，可忽略模型中漩涡的缩尺效应[3]。

原型单泵最小流量Q=10.43 m3/s，水泵吸水喇叭口直径D=2.3 m，对应吸水喇叭口的平均轴向流速u=2.51 m/ s，模型水温约20℃，计算可得模型吸水喇叭口处的径向雷诺数Re=1.808×104，韦伯数We=1 991，表明模型比尺选择合理，模型可以很好地反映流道内部，包括各种漩涡在内的复杂的水流特性。此外，试验采用规范[3]和[4]建议的增大模型弗汝德数1.5倍的方法对流道内可能产生的漩涡情况做进一步的校核[5]。

2.3 试验测量仪器及设备

模型采用自循环供水系统，各物理量和测量设备：

① 循环水泵流量采用电磁流量计测量，测量精度为0.5% FS；

② 流道内流速分布采用三维超声多普勒流速仪，测量精度为测量值的±0.5%±1 mm/s；

③ 吸水喇叭口喉部流速分布采用微型毕托管，测量精度±0.1 mm；

④ 沿程水头损失采用测压管，测量精度±0.5 mm；

⑤ 吸水管中涡流强度采用自制旋度计测量，计算公式为：

θ=arctan(πdn/ua)

(1)

式中θ为水泵吸水管内水流涡角，°；ua为安装旋度计处水泵吸水管内轴向平均流速， m/s；d为安装旋度计处的水泵吸水管内径， m；n为旋度计转速，转数/s。

⑥ 流道内流态、表面漩涡及附壁涡带采用示踪剂进行观测，采用国内外通用的漩涡分级标准进行评定。

流道内的流速测点分布见图2，吸水管喉部8点流速测点分布见图3。

图3 吸水管喉部8点流速测点分布示意(单位：mm)

图2 流速测点分布示意

2.4 试验水力性能的验收准则

最终方案试验应保证前池内水流扩散充分、水流顺畅，进水流道内水面平稳、无明显漩涡和严重偏流现象，主要测流断面的流速分布均匀，水泵吸水管流态均匀顺畅。具体判断准则如下。

1) 进水流道内水流均匀性和稳定性的判断：对水泵中心上游1.5D且h=c(c为水泵悬空高)处的水平线上任一个测点的流速与平均流速的偏差应小于±10%。

2) 水泵吸水室内水流均匀性和稳定性的判断：水泵吸水喇叭口喉部断面8个测点的时均流速与断面平均流速的偏差应小于±10%；旋度计测定的短时间(30 s)涡角最大值及长时间(10 min)涡角平均值应小于5°，在水泵校核工况或发生时间少于总时间10%时，短时间(30 s)涡角最大值可增大到7°。

3) 水泵吸水室内涡流的判断：不得出现大于2级的表面凹陷涡，在任何情况下均不得出现各种水内涡和底部涡[5]。

3 试验成果及分析

在97%设计低潮位、夏季1机2泵工况(Q=11.53 m3/s)下，吸水室水深小，单泵流量大，运行条件较为不利，选取该运行工况作为主要验证和方案比选工况。

3.1 原设计方案流态分析

原设计方案引水方涵出流以较大流速(平均流速为2.56 m/s)冲入前池，受前池内挡水横梁的阻挡作用，水流在横梁前、后产生立面旋滚，横向和垂向扩散不均匀，流道进口中隔墩两侧存在较大的漩涡滞流区(如图4a)；旋转滤网两侧出口面积与流道断面积之比较小，为0.345，两侧出口流速大，在出口导流椎两侧形成两个旋转方向相反的回流漩涡(如图4b)，吸水室进口两侧流速大，中间流速小，流速分布极不均匀；水泵吸水口前来流不均匀，水泵中心上游H断面(1.5D)且h=c处的流速最大偏差为37%，呈明显偏流，容易促进水泵吸水管外环流，受此影响水泵吸水管后壁产生间歇挟带气泡进入吸水管的5级表面漩涡，这将增大水泵的运行负荷及不稳定性，甚至造成水泵的振动和汽蚀破坏。前池和流道内流速分布见图5所示。

(a)底层流速分布

a 流道进口漩涡滞流区

“内进外出”形侧面进水旋转滤网通常需要较长的流道布置，规范[2]建议“当不采用整流和增加淹没深度等设施时，取值范围为7.5D～9D”；英国水力机械研究协会建议：当旋转滤网出口面积与流道断面积之比为0.5 时，旋转滤网出口至后墙的距离为10D，若比值小于0.5，则应采取整流措施[6]。本工程旋转滤网两侧出口面积与流道断面积之比为0.345，旋转滤网出口至后墙的距离为7.3D，均小于规范推荐值，因此有必要采取整流措施，优化吸水室内流态和流速分布。

3.2 优化布置方案流态分析

借鉴相关工程经验，经多方案比选优化，最终给出前池和流道内合理的整流措施。

1) 在前池进口处交错布置两排1.0 m×1.0 m 的导流扩散墩，同时取消挡水横梁，使引水管出流在前池内横向扩散充分、均匀地进入流道。

2) 在旋转滤网出口设置2排0.6 m×0.6 m的导流扩散墩，使滤网两侧出流在进入吸水室前能够均匀扩散，消除扩散不充分及漩涡所产生的不利影响。

3) 降低吸水室进口胸墙的底高程，增加胸墙的淹没深度，均化吸水室内流速分布，减小吸水室上层的垂向流速，防止吸水室内表面漩涡的产生。

4) 此外，对吸水管后壁的止旋板、吸水喇叭口底部的导流防涡结构也进行了必要的优化，预防吸水口附近附底漩涡和水内涡的产生。

推荐方案前池和流道内结构布置见图6。

图6 循环水泵房流道推荐方案布置示意(单位：高程m，尺寸mm)

对推荐方案进行系统试验，结果表明：

① 前池内水流在进口导流扩散墩的阻挡、分水、导流作用下，在前池内横向和垂向充分紊动扩散，中隔墩两侧漩涡滞流区消失；进水流道内水流平稳、顺畅，旋转滤网进口流速分布较均匀；旋转滤网两侧出流在导流扩散墩的阻挡作用下充分紊动扩散，调整均匀后进入吸水室，水泵中心上游1.5D断面H且h=c处的流速偏差小于±10%，流速分布均匀(如图7所示)；吸水喇叭口进流平顺，吸水管中旋度计旋转缓慢且不连续，长时间(10 min)涡角平均值小于1°，吸水喇叭口喉部8 个流速测点的偏差小于±10%(如图8所示)；不同潮位和水泵组合运行工况下，吸水室内没有表面漩涡，吸水喇叭口附近也无附底漩涡和水内涡的产生，推荐方案能够保证水泵进水管具有较理想的进流条件[7]。

图8 不同循泵组合运行工况的喇叭口喉部8点流速

(a)底层流速分布

② 在拦污栅和旋转滤网无堵塞的情况下，流道整体水头损失最大约为0.42 m，发生在97%设计低潮位、冬季工况下，小于设计水头损失值为1.06 m，流道水力设计安全合理[8]。

③ 校核工况即增大模型弗汝德数1.5 倍条件下，流道内流态没有明显的变化，吸水室内水流平稳，无表面漩涡和水内涡等不利流态，循泵中心上游1.5D断面且h=c的最大流速偏差为-10.61%[9]。

3.3 优化布置方案流速校核及分析

为进一步验证吸水室内涡流条件，在97%设计低潮位、冬季工况下增大模型弗儒德数1.5倍(模型流量67.5 L/s)，对吸水室内可能产生的漩涡情况做进一步的校核[10]。

结果表明，增大模型弗儒德数1.5倍条件下，吸水室内流态没有明显的变化，吸水室内水流平稳，上层水流缓慢流向上游胸墙，无表面漩涡和水内涡等不利流态，循泵中心上游1.5D处H断面h=c的水平线上任一个测点的平均流速与该水平线的平均流速的偏差最大为-10.61%。

夏季工况97%设计低潮位时距吸水口1.5D处的下层流速见图9，夏季工况97%设计低潮位时距吸水口3D处的下层流速见图10。

图9 夏季工况97%设计低潮位时距吸水口1.5D处的下层流速

图10 夏季工况97%设计低潮位时距吸水口3D处的下层流速

4 结语

1) 泵房前池内纵向底坡易引起水流扩散不充分，产生漩涡滞流区和底层回流区等不良流态，造成前池内泥沙淤积，并影响流道进流的均匀性。通过在前池进口处交错布置两排导流扩散墩，使水流横向和垂向充分紊动扩散，可以改善前池内水流流态，为进水流道提供均匀的进流条件[11]。

2) 进水流道采用“内进外出”型侧面进水旋转滤网，水流从滤网中间进入，两侧流出，在出口导流椎两侧形成2个旋转方向相反的回流漩涡区。受此影响，当吸水室长度较短，且无有效整流措施时，吸水室内流速分布不均匀，促进水泵吸水管外环流，甚至表面吸气漩涡，引起水泵的振动和汽蚀破坏[12]。通过在滤网出口布置2排导流扩散墩，使水流充分紊动扩散，并调整均匀后进入吸水室，水泵中心上游1.5D断面H的流速偏差由37%减小为10%，水泵吸水管进流条件良好。

3) 华能罗源电厂1期工程于2014年开工建设，2018年投产运行，至今状态良好，没有发生因海水水位的起伏和流量的变化引起的循环水泵振动、气蚀现象，为电厂的连续运行提供了有力的保障。这表明该循环水泵房进水流道物理模型试验的结果可靠，优化布置方案经过了实践检验，上述研究成果可供类似工程设计时参考。