滨海电厂常采用直流循环供水, 冷却水水量较大, 火电厂百万千瓦机组所需冷却水水量约为40 m³/s, 核电厂百万千瓦机组所需冷却水水量约为50 m³/s。由于滨海环境流较弱, 电厂大量取水改变了局部流态, 使取水口成为区域性流场 “黑洞”, 在“黑洞”卷吸作用下水中杂物 (包括海生物及漂浮污染物) 在拦污网前持续聚集。如果拦污网没有自清洁功能, 电厂长时间连续取水将会造成其阻塞及损坏^[1]。

取水口拦污网是取水系统的第一道实体防护屏障, 研究自清洁拦污方案对取水安全有着重要的意义。为了掌握拦污方案自清洁效应与流场之间的关系, 开展了自清洁拦污方案专项课题研究。

自清洁拦污方案是指利用环境流场特性使拦污网实现自动清洁功能的布置方案。

取水口及明渠的特征流场为自清洁拦污方案设计提供了条件:取水明渠可利用明渠弯道环流或取水单向流实现拦污网自清洁, 取水口可利用外侧沿岸往复流及波浪扰动实现拦污网自清洁。本次研究借鉴工程设计经验及滨海电厂运行反馈, 根据进水口及明渠水动力条件设计了系列具有自清洁趋向的拦污方案。

取水明渠几乎不受外侧波浪及流场的影响, 总体表现为稳定的单向流。在明渠中, 可利用弯道环流或单向流特性, 把拦污网布置为斜线型以实现自清洁。课题组设计了图1所示的4种拦污方案来研究明渠拦污网自清洁效应与局部流场之间的关系。图1中A为直线型拦污方案, B为斜线型拦污方案, C为V字凸型拦污方案, D为V字凹型拦污方案。

进水口布置与厂址地形条件、水文特征、海床演变规律等密切相关。进水口自清洁拦污方案取决于进水口布置形式及流场条件。课题研究中将具体的进水布置方案概化为抽象的进水模型方案, 如图2所示, 以使研究对象更具代表性。

自清洁拦污方案物理模型试验主要研究明渠及进水口处不同拦污方案自清洁能力与水动力条件之间的关系, 为拦污设计提供理论依据。

明渠拦污方案物理模型试验根据明渠布置及进水条件模拟其流态, 研究不同布置方案、不同水动力条件下拦污方案的自清洁能力。

明渠物理模型试验及数模计算均反映出弯道水流流速重新分配的特性:水流进入弯道后, 受凹岸影响主流区由中心区域偏移至凸岸附近;随后在弯道离心力的作用下主流区逐渐脱离凸岸 (主流呈现出明显的由凸岸向凹岸转移的过程) ;水流经过弯道调整后, 在弯道下游主流区转移至靠近凹岸的区域;其后随着明渠直段的不断延长主流区逐渐向明渠中心调整。

图3为弯道下游侧回流区示意情况。回流区包络线水流切线方向与主流方向的夹角 (即水流偏转角) 表征了回流区的形成与发展, 由计算可知不同来流条件下回流区起始段 (回流区起始端至顶端范围) 平均偏转角约45°。

物理模型试验表明:囿于拦污网的阻水效应不同型式拦污网前缘存在弱顺网流 (沿网面的流动) ;基于流场分析可知弯道对明渠内主流区的分布具有一定的影响, 图1所示B方案 (斜网) 网前顺网流与主流的聚集趋向一致, 有利于物项向凹岸聚集;而C方案 (凸网) 与D方案 (凹网) 均有局部网面顺网流与主流聚集趋向相反, 弱化了主流的聚集效应, 不利于物项向特定位置聚集, 为此C方案及D方案不再做进一步的自清洁试验研究。图2所示的4种明渠拦污方案中, 重点研究A方案 (直线方案) 以及B方案 (斜线方案) 。

为了分析拦污网前缘物项在不同区域的分布, 自凹岸向凸岸回流区将拦污网划分为10个区域 (编号1～10) 分别统计各区不同物项聚集比例。图4～图6给出了明渠拦污方案物理模型试验中网前各区物项聚集统计数据。

在拦污网前缘表层布设导流板并在凹岸设置物项收集框的前提下, 斜线拦污网基本实现了自清洁功能。拦污网导流板是为了防止物项挂网, 收集框将网前物项收集以防止顺网通道受阻。图4～图6所示试验结果表明, 相同取水流速下不同水平布设角度物项的聚集效果不同:45°斜线方案最优, 收集了70%的杆状物及90%的块状物;60°斜线方案较好, 收集了50%的杆状物及70%的块状物;90°直线方案稍差, 收集了40%的杆状物及50%的块状物。显然, 拦污网能够实现自清洁的前提是整个网面具有良好的形态。

由于45°斜线型拦网平面几乎与回流区首端相切, 能更好地利用主流偏转趋势, 因而其网前物项大多能向凹岸收集框聚集, 其布置方案及自清洁效应有较好的代表性。综合考虑现场布置条件以及其他行业的应用经验, 通常将明渠拦污网与主流之间的夹角设置为30～50°有利于自清洁。

进水口拦污方案物理模型试验主要根据进水口布置及水文条件, 模拟进水口外侧较大区域流场条件, 研究不同拦污方案的自清洁能力以及波浪扰动对自清洁功能的影响。核电厂进水口试验采用正态物理模型, 概化方案如图7所示。

进水口拦污方案自清洁能力主要取决于环境流, 同时也受波浪的影响。当环境流速方向与取水流速方向一致 (环境正向流) , 此时对自清洁不利;当环境流速方向与取水流速方向相反 (环境反向流) , 此时对自清洁有利。波浪的作用可以有效改变网前物项的分布。图8～图10为不同环境流下, 各拦污方案网前物项聚集统计数据。

图8所示圆弧型 (包括多边型) 拦污方案试验结果表明:环境流速与取水流速方向相反的情况下, 块状物及杆状物导走约40%, 靠近回流区的⑤区物项聚集量约54%;环境流速与取水流速方向一致的情况下, 块状物导走38%、杆状物导走28%, 图中③区位于正迎流面物项累积较多, 受回流区的影响几无物项进入⑤区及其它回流区。

图9所示一字型拦污方案试验结果表明:环境流速与取水流速方向相反的情况下, 块状物及杆状物导走约40%, 靠近回流区的⑤区物项聚集量约50%;环境流速与取水流速方向一致的情况下, 块状物导走11%、杆状物导走12%, 物项附网后几乎不能再脱离网面而导致①区～④区物项累积较多, 受模型边壁及网前回流区的影响几乎无物项进入⑤区。

图10所示人字型拦污方案试验结果表明:环境流速与取水流速方向相反的情况下, 50%以上物项漂离, 近40%的物项聚集于网前靠近回流区的一侧;环境流速与取水流速方向一致的情况下, 块状物导走15%、杆状物导走31%, 受口门前缘流场特征影响人字网的左侧区域 (④区、⑤区) 物项分布形态堆积在网前, 右侧区域 (②区、③区) 部分物项沿网面下移, 一部分脱网而另部分聚集在①区。

综合图8～图10试验数据, 无论是环境正向流还是反向流, 一字型拦污方案自清洁效果不佳, 人字型和圆弧型拦污方案自清洁能力相近。考虑圆弧型拦污方案因支撑多而不易出现网面凹陷, 实际运行效果可能更好;人字型拦污方案布置灵活, 设计自由度大, 更容易适应厂址条件。选择人字型拦污方案还是圆弧型 (多边型) 拦污方案更多取决厂址地形、地质以及流场条件。

波浪扰动试验是在现有模型基础上, 研究波、流二者共同作用时进水口拦污网的自清洁效应。试验表明波浪可使杂物暂时离网, 从而改变网前物项分布。波浪对不同类型拦网自清洁效果的影响不同, 对圆弧网的影响效果优于一字网;波浪对不同物项的影响效果趋势较为一致, 但影响力度不同, 对易缠绕、易挂网的物项影响力度较弱。波浪扰动减弱了物项附网效应, 有助于拦污网自清洁, 但波浪本身无法有效输移网前物项, 因此仅靠波浪扰动难以实现拦污网自清洁。

本次研究在现场调研及运行反馈的基础上, 首次借助物理模型试验探索了明渠及进水口拦污方案的自清洁效应与水动力条件之间的关系, 提出了利用水力特性实现拦污网自清洁的布置原则, 为拦污方案设计及电厂运行管理提供了科学依据。

拦污方案的自清洁效应在试验条件下得到较好的验证, 但试验条件与现场条件有较大的差别。为此, 将试验成果应用于工程时应根据厂址现场取水条件对自清洁拦污方案进行必要的论证分析及试验研究。