采用自由泄流的优点是下游水位不影响堰的泄流能力,在各种设计水位工况下及启动、正常运行期间循环水泵的扬程基本不随堰后水头损失及外海潮位的变化而变化,循环水泵电机的出力基本恒定,凝汽器的换热能力也基本恒定。

　　 由于核电厂对地质条件的特殊要求,滨海厂址一般选择在滨海山区或丘陵地带,地势高差大,为减少土石方工程量,希望能够采用较高的厂平标高。厂址近岸海域若设置有保护区,有较为严格的温升限制,加之日渐兴起的近海养殖,采用近岸排放的温升值难以满足环保要求,只得采用远排。

　　 下面以某滨海核电厂址为例,为了满足环保要求,循环水排水采用3km隧洞远排,每台机组的总海水用水量为72 m³/s。隧洞远排抬高了堰下水位,增加了循环水泵的静扬程。计算中用到的工程数据见表1。

　　 该厂址自然地形为滨海山地,山顶标高高出平均海平面超过100 m,根据核电构筑物对最小基岩面积的要求,必须削平至22.0m以下,当厂平设计标高为22.0 m时,土石方工程量为2 000万m³。同时根据防洪标准,厂址标高不得低于设计基准洪水位(DBF),该厂址DBF水位为7.0m,所以,设计厂平标高的可选范围是设计基准洪水位与所需要的最小基岩面高度之间,即在7.0~22.0m。

　　 若采用大亚湾核电厂的设计原则,即在设计高水位下保持自由泄流状态,该厂址1%高水位为3.0m,运行时堰下水位7.5m,堰下护坦顶部标高取7.5m,按照高堰的设计原则,堰高不低于4.8m,最小堰顶标高12.3m,自由泄流的堰上水位13.65m。多年平均潮位下循环水泵的静扬程为13.15m,加上冷却水系统沿程及局部水头损失12.0m,循环水泵设计扬程达到25.15m。

　　 对于原始自然地形标高较高的厂址,为降低循环水泵扬程若厂平下挖过多则土石方量很大,若通过抬高厂平以减少土石方,则可能会增加循环泵扬程,循泵扬程每提高1m,每台机组循环水泵电机功率将增加850kW,每年运行电费增加250万元,本期2台机组60年寿期内总电耗增加3亿元。2台机组占地面积60hm²,多开挖1m土石方总量为60万m³,施工费用约为3 000万元。所以,土石方增加费用与循泵电费的增加占比较小,按照全寿命期经济分析,应该尽力降低厂址标高。

　　 采用自由泄流,稳定的泄流状态有利于循环泵长期稳定运行,但其缺点也是明显的,在此过程中为保证设计高水位时自由出流,循环泵扬程较高、电耗大,日常运行排水落差大,大部分时间内的扬程超出了实际需求,甚至在排水口需要设置消能设施。消能过程中导致更多气体掺入水体,经过换热器加热后海水中的有机物夹杂着气体在堰下水体中溢出水面形成泡沫,泡沫在海面延绵几公里乃至几十公里,影响海域环境,如图2所示。消能设施周边的盐雾较重,也加剧了金属及电气类设备的腐蚀。

　　 根据消除泡沫对比试验的结论,泡沫产生的主要原因是微污染水体中携带了过多的动能及从堰上高水位冲落时掺入的空气,若降低堰顶标高,采用深度淹没泄流,减小出流水体势能、避免水体扰动,则可以减少甚至完全避免泡沫的产生,消泡的根本在于避免消能,消泡的同时也实现了节能。

　　 对于厂平较高的厂址,需要尽力降低凝汽器中排出水体上升的高度,减少与堰后水体的高度差,减少在利用虹吸高度后尚需循环泵提供的势能。所以,需要降低用水设备主要是凝汽器的安装高度,综合比较后确定采用半地下式布置,比地面式布置下沉了7.5m,凝汽器排水管顶比厂平标高低5.0m。凝汽器排水管顶与堰顶之间的高差按照启泵时(流量为0 m³/h)最大虹吸利用高度确定,一般不超过9.0m,这样,堰顶比厂平标高低14.0m。

　　 冷却水排水设置虹吸堰的目的在于自由泄流状态时抬高水位,保持循环泵在各种水位条件下稳定出流;淹没泄流则仅在循环泵启动时形成虹吸,正常运行时便没有作用反而成为泄流的阻力。

　　 淹没泄流时,用淹没系数来计算过流能力受到影响的程度,对于堰上水头很高的深度淹没泄流,影响过流能力的主要因素是下游水位,即与△Z/H₀有关,其中△Z为堰上与堰下水位差,H₀为堰上水头;随着淹没系数的增大,影响过流能力主要与(△Z+h_t)/H₀有关,其中h_t为堰下水体高度,实用堰的淹没系数见图3^[3] 。

　　 堰过流能力的计算公式如式(1)所示

　　 式中σ_s———淹没系数;

　　 σ_c———侧收缩系数;

　　 m———流量系数;

　　 b———堰宽,m;

　　 g———重力加速度,m/s²;

　　 Η₀———堰上水头,m。

　　 当Q一定时,σ_s与Η₀相互影响,需要通过多次试算确定。

　　 按照外海多年平均潮位0.50m计算,设计泄流量72m³/s,堰下水位5.0 m,有效堰宽24 m,堰高取5.5m,厂平标高7.0~22.0m(步长1.0m)随厂平标高变化对应的堰上水头、循环水泵扬程、淹没系数、虹吸利用高度等计算结果见表2。

　　 设计流量一定时,随着厂平标高的提高,受启泵时虹吸利用高度的限制,堰顶标高随同升高,淹没系数逐渐增大,但循环泵扬程基本不变,临近自由泄流时淹没系数的增速明显变大。在堰顶标高由-7~3m提高了10m,淹没系数从很小逐渐增加到0.5,但循环水泵扬程仅增加了0.1 m。而堰顶标高从3~5m增加2m时,淹没系数由0.5变化到自由泄流状态,循环水泵扬程增加了1.2m,接近于自由泄流1∶1等量增加。

　　 从表2可以看出,随厂平标高的增加,淹没系数逐渐增大。对表2进行加密计算后,随着厂平标高逐渐增加,从循环泵扬程随淹没系数的变化曲线(见图4)可以看出,淹没系数处在小于1的淹没泄流状态时,循环泵扬程增幅不大;当等于1处于自由泄流状态时,则循环泵扬程与堰上水位随堰顶标高等量垂直上升;处在小于0.90的淹没状态下,循环泵扬程增加的很小。

　　 自由泄流方式可以使循环泵运行在相对稳定的水位条件下,堰上水位和泄流量基本不受堰下水位的影响,但堰下护坦的顶部标高须高出外部水体的设计高水位,不利于节能且在排入外界水体时容易溢出泡沫。

　　 淹没泄流方式的循环泵扬程与外部水位同时升降,大部分潮位里节省了水体势能,可以减少乃至消除排水泡沫的产生,但循环泵的运行水位存在周期性波动,不及自由泄流方式稳定。当采用淹没泄流方式时,该如何选取堰顶标高及淹没基准以实现在全潮历时过程中保证循泵及其电机的安全运行,并获得最理想的节能效益成为研究重点。

　　 根据水位资料,厂址海域属于不规则日潮类型,涨落潮历时差别显著,平均涨潮历时7h35min、平均落潮历时4h50min,最大潮差2.55m,落潮的水位变化速率为0.147mm/s,即使为半日潮潮型,水位变化速率也是相当小。潮汐的涨落幅度有限,历时又较长,水位变化速率较小。

　　 对于滨海厂址,除每天发生的潮汐涨落外,其它如风暴潮、风浪、海流、海生物活动、各类腐蚀、泥沙淤积等因素都会对堰下水位产生影响。

　　 台风登陆或过境时往往会在沿岸产生严重风暴潮,历史上工程海域发生过的风暴潮最大增水达3m,但增水和减水历时均长达4~6h。风浪也一样,历史上最大的风浪增减水及其涨落变速均小于最大风暴潮。对于滨海厂址,因海水总量一定,水位变幅及其变化速率均有限。当外海水位超过1%高潮位或低于99%低潮位时,根据报警水位可以停机^[4] 。

　　 对于采用淹没泄流的排水系统,需要校核以下事项以验证循泵及其电机运行的安全性:①流量和扬程变化引起电机功率变化及其能够适应的功率变化速率;②淹没系数变化引起循环泵出水管轴向力和力矩的变化及其能够承受的变化速率;③流量和扬程变化引起循环泵出水管、电机及电机底座振动量是否在允许范围内;④淹没状态下汽蚀裕量的变化对水泵叶片长期运行产生的危害。

　　 验证这些问题需要明确堰下水位的变幅及其安全区间。在正常运行工况下,泵允许流量连续工作范围宜为0.8Q~1.2Q(Q表示额定点泵流量),且当流量为0.9Q~1.15Q时,水泵运行工况点应位于高效区;循环泵配套电机的最大轴功率在正常工作范围应小于1.1P(P表示额定点泵轴功率)^[5] 。在高效区内,额定取水量下扬程的变化范围为0.85 H~1.10 H(H表示额定点泵扬程),对于设计扬程为17m左右的循环泵,相应的水位变幅4.25 m,可以包络99%低潮位(-1.00m)~1%高潮位(3.00m)共4m潮差范围。

　　 对照多家泵业公司的数据,该厂址的设计水位变幅均在Q-H曲线的高效区范围内,对应的Q-P、Q-NPSHr处于高效段范围内,上述的第①和第④不会发生;水泵厂家做结构设计时,会根据运行过程中潮位的变化核算结构强度,以避免第②条的发生;只要泵及电机自身的振动频率避开与流道的共振频率,第③条也不会发生。所以,只要有针对性地采取技术措施,采用淹没泄流方式对循环泵的安全运行不会产生影响。只有对于水位变幅大的厂址,需要校核设备对水位的承受范围,并据此确定合理的堰顶标高和淹没系数。海洋中的水位变化一般不会对循泵的安全运行产生影响,仅需考虑循泵运行的经济性。

　　 根据淹没系数曲线分布情况,当ΔΖ/Η₀>0.2时,淹没系数大于0.9,为临近自由泄流或已经处于自由泄流状态,淹没系数值域的分布明显地分为A、B两个区域,A区主要受ΔΖ/Η₀的影响,B区主要受(ΔΖ+h_t)/Η₀的影响,高堰型很少有属于B区的。

　　 当ΔΖ/Η₀≤0.2时,淹没系数σ_s≤0.9,为淹没泄流状态,全属A区,每一条等值曲线近似成一条直线,每个淹没系数对应着相应的ΔΖ/Η₀,ΔΖ/Η₀较小,相应的淹没系数也较小。

　　 在ΔΖ/Η₀≤0.2的淹没区、特别在下部的深度淹没区,循环泵扬程与堰下、堰上水位同步等量变化,平均扬程低,节能效益明显。因为淹没系数在0.9以下时,只要堰上、堰下大致保持着ΔΖ的水位差,循环泵扬程实时随外海潮位的变化而变化,达到最佳节能的效果。所以建议在设计低水位下淹没系数上限取0.9,此时ΔΖ/Η₀=0.2,这样在其他设计水位条件下的淹没程度更高、淹没系数更小,循泵平均扬程最低。

　　 若淹没系数取值比0.9再增大,增加的泄流量占比不大,但ΔΖ增幅明显,循泵扬程有了明显增加。所以,以设计低水位时ΔΖ/Η₀不大于0.2作为限制条件,此时淹没系数小于0.9,远离自由泄流状态,避免堰上水位大多时间里被白白抬高,造成势能浪费。按此原则,厂平标高确定为17.90m。

　　 再对不同设计潮位、同样淹没状态下的循环泵扬程进行比较。分别按99%低潮位、多年平均潮位及1%高潮位作为设计的上限水位、相应的淹没系数不大于0.9进行计算。采用99%低潮位时,堰顶标高最低,循环泵扬程为17.11m;多年平均潮位时,堰顶标高增高,循环泵扬程为17.44m;1%高潮位时,堰顶标高最高,循环泵扬程为19.94m。

　　 按照99%低潮位淹没泄流的循泵扬程与采用自由泄流方式进行比较,采用淹没泄流方式循环泵扬程可以节省25.15m-17.11m=8.04m,本期2台机组60年寿期内总电耗节省24.12亿元。

　　 在我国首座核电站建成之初,核电按基荷运行,不参与调峰,要求循环泵能够提供恒定流量的冷却水量,以保持冷却能力的相对稳定。而目前一些建成投产的核电机组被要求参与调峰,冷却水量适度变化是允许的。

　　 循环泵采用混流泵,其运行规律是扬程增加时流量会减少,当以多年平均潮位时的流量作为设计流量,则外海涨潮时,扬程增加流量会减少,冷却能力下降;同样,落潮时扬程减少流量会增加,冷却能力增强,对比各汽轮机厂家的水量-背压特性曲线可知,90%设计水量时背压的增加与110%设计水量时背压的降低基本相等,因该厂址涨潮历时大于落潮历时,对汽轮机的总体冷却效果略有减弱但影响很小,具体由优化计算专题完成^[6] 。

　　 循环水泵电耗约占核电厂用电的1/3,做好耗电大户的节能设计具有重大的经济效益。对于厂平标高较高的厂址,采用淹没泄流可以得到较小的循环泵扬程,并可有效避免泡沫的产生。根据以上计算和分析,可以得出如下结论:

　　 (1)淹没状态下取较小的淹没系数,循环泵扬程较低,随着厂平标高增加,堰顶标高随着增加,淹没系数有所增大,但循环泵扬程的增加值很小;在临近自由泄流状态时循环泵扬程和淹没系数的增幅明显增加。

　　 (2)建议取99%设计低水位下的淹没系数不大于0.90作为虹吸堰处于稳定淹没流泄流状态的判别标准,并以循环泵高效区内的扬程变化区间是否可以包络设计高、低水位对应堰上水位的变化范围进行校核。

　　 (3)建立淹没泄流虹吸井设计的合理性标准,建议以各设计水位下淹没系数域的选取是否合理而不是根据虹吸利用高度来评价堰顶标高设置的合理性和冷却水系统运行的经济性。