电厂循环水流道全系统水力性能数值模拟研究

贺友才， 甄娟， 黄幸， 王为术， 郭嘉伟， 翟禹鑫

（1.江西大唐国际抚州发电有限责任公司， 江西 抚州 344000； 2.华北水利水电大学 电力学院， 郑州 450045）

火力发电厂中循环水流道流态特征对循环水泵的能量特性、 经济性、 安全性和可靠性影响显著［1－2］。 循环水流道内回流、 偏流、 旋涡和脱流等不良流态会导致水泵机组发生振动、 汽蚀破坏， 影响循环水泵的经济性能［3］。 循环水泵的水力性能与循环水流道设计有着密切的关系［4］， 循环水流道的设计对于火电厂的运行至关重要。

研究者常采用模型试验和数值模拟研究循环水流道水力性能。 等比缩放建造水力模型直观验证水力特性， 造价高、 周期长。 陆林广等［5］开展循环水流道水力模型试验研究， 结果表明不带模型泵对水流道内部流态没有较大影响。 吴燕武等［6］采用物理模型试验研究了泵站前池的流态， 优化改善进水条件， 解决了循环水泵汽蚀。 付辉等［7］采用水力模型试验研究优化了核电站180° 进流平面扩散角的超窄联合泵房前池的水力性能， 工程实践证明数值模拟方法可有效解决循环水系统水力问题诊断和性能优化。 王为术等［8］对某电厂发电机组循环水流道系统内的流动特性进行数值模拟。 刘树红等［9］采用VOF 两相流模型对水流道自由液面和泵吸水室流场进行模拟研究。 Liang［10］针对火力发电厂循环水泵推力瓦磨损问题， 提出了以弹性金属材料代替巴氏合金瓦的改造方案， 有效减少了循环泵故障问题的发生。 Liu 等［11］通过数值模拟分析了机组不同工况， 以降低电厂供电煤耗。 金迪［12］和王二平等［13］对1 000 MW 火电机组水流道进行了数值研究和物理研究。

江西抚州电厂循环水泵持续发生异常振动， 多次对泵体进行加固改造仍未能解决问题， 为溯源循环水泵振动原因， 解决循环水泵振动问题， 采用数值模拟方法研究该进水流道水力特征， 为进水流道水力优化设计提供参考。

1 数学模型

1.1 控制方程

（1） 连续方程：

式中： ui为i 方向上流体平均速度， m／s； xi为坐标轴位置。

（2） 动量方程：

式中： uj为j 方向上流体平均速度， m／s； xj为坐标轴位置； ρ 为水流密度， kg／m3； p 为压强，Pa； ν 为水的运动黏性系数， m2／s； μt为湍流黏性系数， m2／s； fi为i 方向的质量力。

（3） 湍动能方程：

式中： k 为Von Kaman 常数； ε 为湍动能耗散率； Pk为湍动能生成率； μ 为动力黏性系数， Pa／s；μt为湍流黏性系数， m2／s； σk为湍流普朗特数， 取1.0； σε为ε 方程的湍流普朗特数， 取1.3； C1、 C2为常数， 分别取1.44、 1.92。

1.2 网格模型

根据流道设计数据和实地测量数据对比， 尺寸误差很小， 利用SCDM 软件， 用原设计尺寸对循环水流道建立1 ∶1 三维几何模型。 进水流道于泵房前设有1 个前池， 前池后分为3 个吸水室， 吸水室顶部有遮流板， 每个吸水室内各有1 个循环水泵， 喇叭口下方各有楔形导流锥。 循环水泵根据已有参数通过CFturbo 专业叶轮及蜗壳设计软件完成建模。

整体模型如图1 所示， 模型还原了实际循环水流道的所有特征， 可保证模拟结果的准确性。 计算区域包括引水段、 前池、 吸水室和泵体4 个部分。

图1 整体模型Fig. 1 Overall model

用Fluent Meshing 软件进行网格划分。 循环水流道远壁面区采用六面体结构化网格， 边界以及流态剧烈变化处采用四面体非结构化网格。 考虑固壁边界形状对循环水泵主要截面流速的影响， 对循环水泵及周边固壁进行局部加密处理。 经网格无关性验证后， 选择约400 万网格模型进行数值计算模拟， 整体网格如图2 所示， 循环水泵局部加密网格如图3 所示。

图2 整体网格Fig. 2 Overall grid

图3 局部加密网格Fig. 3 Partial refined grid

1.3 边界条件

进水口设置为质量流量入口， 模拟3 泵全开（单泵流量为9 572.7 kg／s）的情况。 出水口设置为质量流量出口， 即给定出口流量， 以满足水泵抽水时的额定流量。 该进出口边界的设置能保证运行工况模拟以及模拟结果的准确性。

固壁条件采用标准壁面函数。 为模拟液面波动和漩涡产生情况， 进水口顶部与前池顶部均为自由液面， 选择VOF 模型。 循环水泵内的动叶部分均采用旋转参考系运动， 旋转速度根据水泵运行工况参数设置。

1.4 数值计算方法

应用Fluent 2020R2 软件， 基于压力求解器，稳态求解， 不考虑流体热质交换过程。 数值计算模型采用标准的k-ε 模型， 求解的压力－速度耦合算法采用Simple 算法， 迎风差分格式进行隐式求解。 水流在流动过程中有纵向运动， 所以需要考虑重力对水流运动的影响， 即设置重力加速度为－9.81 m／s2。

2 结果及分析

2.1 循环水流道整体流场分析

根据电厂实际运行情况， 选取其运行典型工况： 3 泵运行， 做模拟分析。 以流道底为基准面，选择0.6 m、 1.2 m、 2.0 m、 4.0 m、 8.0 m 处的截面为特征截面， 0.6 m 至4.0 m 的各截面位于流道的中下部， 反映底部流场的流动情况， 8.0 m 处为前池自由液面， 可反映液面上的漩涡情况， 特征截面充分考虑了整个循环水流道水力特性及流态。 循环水流道沿水深度方向各截面速度矢量如图4 所示。

由图4 中（a）～（d）可知， 水流通过弧形进水流道进入前池后， 由于前池过短且为矩形不规范设计， 水流未能充分发展而沿流道进口方向形成高速区， 来流在进入吸水室后紧贴流道内壁流动， 在外壁面形成脱壁流动， 从而发生严重的撞壁偏流。 其中A 吸水室和C 吸水室的偏流情况较为严重， 从而在泵房内部形成旋流， 对泵体产生冲击， 进而导致泵体发生振动。 从1.2 m 截面速度矢量图可知，循环水泵喇叭口附近的水流对泵体的冲击情况最为严重， 由于贴壁流动形成的撞壁偏流会造成循环水泵左右振动， 尤其是A、 C 循环水泵发生振动情况严重。 B 吸水室正对水流来流方向， 故其偏流情况没有A、 C 泵房严重， 但由于弧形进水流道形成的水流高速区， 使B 吸水室水流流速较高同时也存在轻微的偏流情况， 易导致B 循环水泵发生沿水流方向的前后振动。

图4 循环水流道沿水深度方向各截面速度矢量Fig. 4 Velocity vector diagram of each section in the circulating water channel along with the depth

从沿水深方向0.6 m 到4.0 m 的速度矢量图可知， 随着水位高度的增加， 水流进入泵房的贴壁流动情况虽一直存在， 但偏流情况稍有减弱， 且随着水位高度增加， 水流速度变慢。 同时， 如图4（e）8.0 m 自由液面处的流速矢量所示， 在水面上有多个小漩涡产生， 这与实际观测情况一致。

各泵房中心沿水流方向速度矢量如图5 所示。由速度矢量图可知， 各泵房在喇叭口截面处水流流速存在严重不对称现象。 其中沿水流方向B、 C 循环水泵喇叭口前沿受水流冲击明显大于喇叭口后沿，A 吸水室水流流速小于B、 C 吸水室水流流速， 故A循环水泵喇叭口前沿受到的冲击小于B、 C 两泵。

图5 各泵房中心沿水流方向速度矢量Fig. 5 Velocity vector diagram of each pump center along with the flow direction

2.2 循环水泵喇叭口喉部断面流速分析

循环水泵叶片前断面即进水喇叭口喉部流速分布是引起循环水泵振动的主要原因。 选择沿水流方向喇叭口喉部截面及泵体内部流域的侧截面为特征截面， 分析进水喇叭口喉部流速分布对循环水泵振动的影响。 泵喇叭口喉部截面速度矢量如图6 所示。

如图6（a）所示， A、 C 两泵房偏流情况严重，导致在其喇叭口喉部左右水流速度不平衡， 使循环水泵左右受冲击不同而发生振动。 B 泵正对前池进水口， 在泵房中心有高速水流区， 同时有轻微的偏流情况， 使B 泵右上部分受冲击较大， 会使泵发生异常振动。 由图6（b）可知， 在水流通过喇叭口进入泵内之后， 3 个循环水泵喉部的速度分布没有明显差异， 而循环水泵筒体外部流场不均匀， 使循环水泵筒体受力不均， 进而产生振动。

图6 循环水泵喇叭口喉部截面速度矢量Fig. 6 Velocity vector diagram of throat section of bell mouth of circulating pump

泵体中心侧截面速度矢量如图7 所示。 循环水泵喇叭口附近一般为环状进水流态， 流速分布应当均匀且平均流速不应大于0.3 m／s。 而图7（a）中喇叭口附近流场流态紊乱， 速度前后、 左右均分布不平衡， 泵体四周水流流速差别较大， 而且水泵入口速度普遍偏大， 最高达1.2 m／s。 由图7（b）可知，泵内水流流态并无明显差异， 且在喇叭口喉部处水流流态也没有明显差异。

图7 泵体中心侧截面速度矢量Fig. 7 Velocity vector diagram of the central side section of the pump casing

根据以上分析可知， 前池的不良流态在进入吸水室之后依旧存在， 偏流情况严重， 使得循环水泵筒体四周受冲击不平衡， 进而引起循环水泵筒体异常振动。

2.3 循环水流道内泵体水力分析

为进一步分析泵体四周不同方向的受力情况，需要考察泵体前后左右沿水深竖直方向上的速度分布。 A、 B、 C 泵泵体四周流速对比情况分别如图8～图10 所示。

图8 A 泵泵体四周流速对比Fig. 8 Comparison of flow velocity around the pump casing of A pump

图10 C 泵泵体四周流速对比Fig. 10 Comparison of flow velocity around the pump casing of C pump

由图8 可以看出， 在A 泵喇叭口附近， 前侧水流速度略大于泵后侧， 此时循环水泵前后两侧受力大致平衡。 在喇叭口截面以上至自由液面的区域， 水流流速降低， 但泵体后侧水流速度明显大于前侧。 6.0 m 截面以下不同深度流层均存在泵体左侧水流速度明显大于右侧的不良流态， 主要原因为前池发展不充分的高速水流进入A 吸水室之后沿左侧墙体流动， 进而使泵体左侧受力大于右侧受力。 由于A 泵四周的受力明显不平衡， 长期运行时会产生左右方向的振动。

由图9 可以看出， 在B 泵喇叭口附近， 前侧水流速度明显大于泵后侧， 原因是B 泵吸水室位于进水水流高速区， 会导致其流动到循环水泵筒体前后的水流流速差异较大， 高速水流冲击喇叭口前沿。 喇叭口截面以上至自由液面以下的区域水流速度大体相当， 泵体的受力大致平衡。 B 泵房流态稍好， 基本没有偏流情况， 故其泵体左右水流速度大体相当， 左右受力大致平衡， 但其前后流速差异大， 前后受力不平衡， 长期运行时B 循环泵容易发生沿水流方向的前后振动。

图9 B 泵泵体四周流速对比Fig. 9 Comparison of flow velocity around the pump casing of B pump

由图10 可以看出， 在C 泵喇叭口截面附近，前侧水流速远大于泵后侧， 此时循环水泵喇叭口前后两侧受力差异较大。 在喇叭口截面以上至自由液面以下区域， 水流速度大体相当， 泵体的受力大致平衡。 在水下各深度C 泵泵体右侧水流速度明显大于左侧， 使右侧受力大于左侧受力， 泵体的受力明显不平衡。 由于高速的进水水流沿C 泵房贴壁流动， 使C 泵房内的流体流态发生严重的偏流情况。

由以上分析可知： 该循环水流道循环水泵筒体四周受力不均， 筒体易发生振动， 3 个循环泵泵体四周受力均存在不均情况， 左右受力也不平衡。尤其A、 C 两泵泵体既有高速水流冲击又有严重的偏流情况， 循环泵的进水条件恶劣， 易发生高频异常振动。

3 结论

（1） 该循环水流道前池过渡段为矩形不规范设计， 扩散角角度过大且长度过短， 水流未得到充分发展扩散， 流态存在严重偏流现象， 在吸水室内水流贴壁流动， 造成喇叭口与泵体周围水力不均， 是循环水泵筒体振动的主要原因。

（2） 进水流道流场紊乱、 速度高， 循环水泵喇叭口四周流速分布不均， 最高流速达1.2 m／s， 是常规流速的4 倍。 A、 C 两泵正对来流方向左右两侧速度差异明显， 导致循环水泵筒体左右受力不均。 B 泵房处于高速水流区， 前后流速也有偏差，其循环水泵也会发生振动。