某电厂规划建设2×1 000MW超超临界机组, 采用海水直流循环供水系统, 冷却水取自附近海域的海水。循环水供水采用单元制供水系统, 每台机组设置1个取水口、1根DN4 200自流引水管、3台循环水泵。

单台机组的平面布置图和剖面图详见图1、图2。1根引水管将海水引入泵房前池, 然后分别为3台循环水泵供水。每台循环水泵有1个宽度为6m的进水流道, 并设有闸门、拦污栅及旋转滤网。滤网采用网外进水、网内出水的侧面进水旋转滤网, 名义宽度为3.5m。

为节省投资, 本工程前池水平扩散角为60°, 吸水室长度 (侧面进水滤网出口至泵房流道后墙的距离, 下同) 为5.7D (D为吸水喇叭口直径) 。根据规范^[1]的要求, 前池水平扩散角宜为20°～40°, 吸水室长度大于7.5D, 应进行物理模型试验研究。因此, 本文的研究目的是模拟研究循环水泵房进水流道前池、泵房流道 (含滤网间、泵吸水室) 的水力特性 (流速、流态) 。在此基础上, 对原方案进行优化, 提出推荐方案, 保证设计水位条件下循环水泵的安全运行。

本项试验研究的重点在于模拟泵房流道内部水流特性, 特别是吸水室流态、泵吸水喇叭口水力特性等的模拟, 判定其在设计运行条件下是否会产生吸气漩涡或水内涡, 是否能保证循环水泵的正常运转。

因此, 模型在满足重力相似准则外, 还应准确反映流道内部表面涡和水内涡等现象, 即满足式 (1) 和式 (2) :

式中Fr———弗劳德数;

r———原型与模型的比值;

u———流速, m/s;

g———重力加速度, m²/s;

h———水深, m;

Re———雷诺数;

We———韦伯数。

兼顾模型加工及实验室供水、供电能力等因素, 采用比尺为1∶9的正态模型, 相应参数见表1。

模型水温约20℃, 原体单泵最小进流量为10.27m³/s。吸水喇叭口的径向雷诺数 (Re) 为1.73×10⁵, 韦伯数 (We) 为1 301, 均满足式 (2) 的要求, 表明模型比尺选择合理, 能够反映流道内部表面涡和水内涡等现象。

模拟范围包括:引水管 (长度约21m) 、进水前池、三孔进水流道 (闸门段、拦污栅、旋转滤网以及吸水室、循环水泵吸水管等) 。

泵房流道原型为混凝土抺面, 其糙率一般为0.012～0.014, 流道模型的糙率系数n为0.008～0.01, 模型制作采用一级透明有机玻璃可满足糙率相似要求, 同时也便于观测模型中水流的流态。模型布置见图3。

流量:电磁流量计, 测量准确度0.5级;水位:测压排, 精度±1 mm, 测点位置见图4;流速:采用超声波流速测量系统 (Son Tek Micro ADV) , 测量值的±0.5%±1 mm/s, 测流断面见图4;涡流:采用文献^[2]中的旋涡分级标准, 用数码相机记录表面涡、水内涡;流态:采用丝线法或着色法观察。

首先针对方案1 (原方案) 进行模拟研究, 根据试验结果, 对原方案进行优化。方案优化的目标:前池水流条件好, 三孔流道进流均匀;流道内滤网间以及拦污栅段水流均匀平顺, 水头损失小, 泵的工作效率高;吸水室内不出现表面涡和水下涡, 吸水喇叭口四周进流均匀平顺, 确保循环水泵的安全运行。

本项研究分阶段先后针对4个泵房流道方案进行了试验研究, 各方案见表2。

试验控制条件:流量:单泵流量Q=10.27m³/s;潮位:前池97%低水位, -5.30m。

1#、2#断面法线流速分布见图6、图7。

试验结果显示:外海水体自引水管进入泵房前池后, 表现为沿出流轴线方向的射流运动, 出口平均流速约2.2m/s。消能横梁位置设置偏高, 对水流的整流作用有限, 来流大部分从横梁底部通过, 直接进入中间流道, 致使中间流道存在比较复杂的水流流态。

为进一步改善进水前池及各孔流道的水流流态, 需对原方案进行优化。

2#断面法线流速分布见图8。

试验结果显示:消能横梁底高程降低后, 其消能整流效果有一定的提高, 具体表现为中间孔流道内的横向旋流明显减弱, 相应泵房吸水室内流态也有一定改善, 但其消能匀流效果有限, 各孔流道水流的均匀、对称性仍较差, 特别是中间孔流道水流较紊乱。另外, 底部流速较小甚至会出现小范围滞留区, 易于造成流道底部泥沙淤积, 为此需对其进一步改进。

2#断面法线流速分布见图9。

试验结果显示:

(1) 消能横梁宽度增加后, 对引水管出流的消能整流作用明显加强。

(2) 受消能整流横梁阻水作用等影响, 进水前池中存在水体波动、涌水现象, 本工况试验最大涌水高度约13cm, 但三孔流道均匀性仍有改进的余地, 需进一步的优化。

2#、3#断面法线流速分布见图10、图11。

试验结果显示:

(1) 前池内消能横梁的整流效果明显增强, 各流道水流的均匀、平顺性得到进一步的改善, 各流道流速分布特性基本一致。

(2) 消能横梁宽度加大, 前池水体的波动现象进一步增强, 最大涌水高度达到15cm。但是三孔流道均匀性进一步的提高。受前池末端的挡水胸墙的影响, 胸墙后流道内水位最大波动达到2cm。

(3) 受吸水室前缘胸墙的作用, 吸水室内水流较平顺、均匀。吸水室内水位无明显波动, 水体没有出现表层漩涡和水内涡等不利水流流态出现, 可保证循环水泵的安全运行。

通过方案优化过程可以看出:引水管直径为4.2m, 距其出口4.8m处, 消能横梁垂直方向宽度较小时, 消能匀流作用不明显, 随着宽度的增加, 消能匀流作用增强, 当消能横梁宽度为3.5 m时, 消能匀流效果最好。

针对推荐方案进行不同水位的流道水力特性试验研究, 试验工况见表3。各工况总水头损失见表4。

对比可知, 当流量不变, 随着水位的升高, 其水头损失也随之减小。

吸水管喇叭口内壁四周的八个测点的压力值见图12, 可以看出: (1) 吸水管左右两侧压力基本对称; (2) 压力沿吸水管四周变化匀称、平缓, 其迎流面压力稍小于背流面。

各工况进水前池由于消能横梁阻水匀流作用, 水面出现一定程度波动现象, 随着水位的升高, 波动现象逐渐减弱, 其最大涌水高度不超过15cm。

各工况吸水室, 水流的均匀性和平顺性较好, 水体没有出现表面涡漩或水内涡, 均能够满足泵的正常运行条件。

为获取循环水泵的极限工作水位, 本文采用下述方法:保证循环水泵流量不变, 不断降低吸水室水位, 直到吸水室水体表层出现影响循环水泵安全运行的水流流态 (可向深层发展的二级以上的凹陷涡或水内涡) 为止。

试验结果表明:当水位降至-7.1m时, 水面波动比较剧烈, 偶尔有凹陷涡的出现, 但是并不明显。水位继续降低, 降低至-8.9m时, 在喇叭口附近出现连续的漩涡和气泡, 表明本项目循环水泵进水喇叭口的最小淹没深度为4.2m, 约1.5D。

本文针对泵房前池扩散角较大, 吸水室长度较短等问题, 开展了物理模型试验。根据原方案的试验结果, 进行了方案的优化, 得出以下结论:

(1) 原方案各孔流道水流的均匀性、平顺性较差, 对循环水泵的安全运行不利, 分析其原因是前池扩散角较大、吸水室长度较短以及消能横梁设置不合理等因素引起。

(2) 通过对消能横梁布置方案的不断优化, 推荐采用方案4。该方案中3种水位条件下, 前池最大涌水不超过15cm, 各孔流道流速分布均匀, 吸水室内水流平稳, 水体中没有表面涡和水内涡等不利流态出现, 吸水喇叭口周缘进流平顺, 能保证循环水泵的安全运行。

(3) 最小淹没深度试验表明:保证泵房吸水室内不出现连续漩涡和气泡的最小淹没深度为4.2m, 约为1.5D。

另外, 本文仅针对消能横梁的宽度和位置进行了对比研究, 在后续的研究工作中, 应针对引水管的流速, 消能横梁距引水管出口的距离、消能横梁的宽度及位置等多因素做进一步的研究, 分析得出一定的规律, 为电厂泵房流道的设计提供参考和依据。