電廠(chǎng)循環(huán)水流道進(jìn)口水力優(yōu)化研究

第34卷第3期人民黃河vo.34,No.32012年3月YELLOW RIVERMar. 2012【水利水電工程】電廠(chǎng)循環(huán)水流道進(jìn)口水力優(yōu)化研究王二平,方進(jìn)2,黃尊新(1華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院,河南鄭州450011;2.華北水利水電學(xué)院水利職業(yè)學(xué)院河南鄭州4001l3.京杭運河江蘇省徐州航道管理站,江蘇徐州2207)摘要:為減少占地、節省工程量,某電廠(chǎng)循環(huán)水流道初步設計選擇平面彎曲、總體長(cháng)度相對較短的曲線(xiàn)形布置形式。應用二維紊流模型進(jìn)行教值模擬,分析了流道曲線(xiàn)引水段彎道環(huán)流運動(dòng)所產(chǎn)生的不利影響,為遇制彎道環(huán)流運動(dòng)、調整水流流速分布,對流道進(jìn)口進(jìn)行水力優(yōu)化,將進(jìn)口前沿冷卻塔人宇柱支墩改造威導流墩,用以控導引水段水流運動(dòng)。模型試驗表明,該項措施能夠有效梳理彎道段水流流向,均化流速分布,控導效奡可以滿(mǎn)足要求。關(guān)鍵詞:循環(huán)水流道;模型試驗;曲線(xiàn)形引水段;彎道環(huán)流;導流墩設計中圖分類(lèi)號:Tv674;Tv675文獻標識碼:Adoi:10.3969/j.is.1000-1379.2012.03.037Hydraulic Optimization Research on the Inlet of Circulating Water Channel of Power PlantWANC Er-ping, FANG Jin, HUANG Zun-xin(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China;3. Xuzhou Electric Channed Management Station of Beiiung-Hangzhou Grand Canal, Xuzhou 221007, China)Abstract: In order to reduce the area and save the amount of engineering the form of large plane bending and relatively short overall length wertaken by preliminay design in cyclical water intake channel of a typical power plant. Two-dimensional turbulent model was used to simulate, anthe adverse impact caused by curved helical flow movement in the curved diversion section was analyzed. Optimal design was obtained in thetrance of intake channel for containing the helical flow movement and adjusting velocity distribution. The herringbone column of cooling tower infront of the intake channel entrance was trandormed into the diversion pier to control the water flow movement of the pilot section. The model testshows that the measure can effectively dealt with the direction of the water flow in the curved section and equalize velocity distribution, and the con-Key words: cyclical water flow channel model test; curved diversion section; helical flow; diversion pier deeign循環(huán)水泵進(jìn)水流道是連接火電廠(chǎng)冷卻塔集水池與循環(huán)水口前沿的支墩改造成導流墩用以梳理引水段彎道水流流向泵吸水池的過(guò)渡段,一般由引水段前池段及吸水池段等部分均化水流單寬動(dòng)量分布。組成。在循環(huán)水流道布置時(shí),受地形、建筑物等條件限制,或為了節約用地,有時(shí)需要將其布置成彎道形式。此時(shí)彎道水流的1工程概況環(huán)流運動(dòng)會(huì )使單寬動(dòng)量沿過(guò)流斷面分布不均勻,尤其在多臺水某擬建大形火電廠(chǎng)單臺機組裝機容量為1000MW循環(huán)泵共用同一引水段的情況下,進(jìn)入各泵室吸水池的單寬動(dòng)量難水系統為一臺機組配三臺循環(huán)水泵及一座自然通風(fēng)冷卻塔。以均衡流態(tài)不穩定,水位波動(dòng)大,將影響水泵正常工作。為改為了減少占地便于管理初步設計將循環(huán)水流道布置呈倒L善彎道水流流態(tài)促使各泵室吸水池均衡入流,需要在引水段形(見(jiàn)圖1)。其中引水段為圓弧形,平面轉角達50°進(jìn)口斷面采取控導措施調整過(guò)流斷面動(dòng)觸分布使之滿(mǎn)足水泵正常工作寬2583m末端斷面寬19.00m;前池及吸水池各泵室分開(kāi)設的要求。另外,為滿(mǎn)足通風(fēng)對流需要冷卻塔筒壁底部通常采置。吸水池正常工作水深為7.85m。循環(huán)水泵運行方式為夏用開(kāi)敞式結構;為支撐上部筒壁,沿冷卻塔集水池四周設置人季與春秋季三臺泵運行單泵流量為10m3/s;冬季兩臺泵運字柱及支墩支墩高度一般大于集水池水深間距5-9m不等。行,單泵流量為1lm/而流道進(jìn)口寬度往往超過(guò)支墩間距在流道進(jìn)口前沿一般有若干個(gè)支墩根據支墩所在位置與間距,通過(guò)水力優(yōu)化,可以將其收稿日期:2011-0530改造成具有導流功能的導流墩用以調控彎道段的水流,實(shí)現作者篇介:王二平(1960中國煤化工力季及河流動(dòng)各泵室吸水池均衡來(lái)流條件力學(xué)教學(xué)與研究工作。THCNMHG筆者在某典型電廠(chǎng)循環(huán)水流道布置方案研究中將流道進(jìn)人民黃河2012年第3期算區域,計算網(wǎng)格采用0.25m×0.25m。整個(gè)計算區域縱向網(wǎng)格節點(diǎn)數為541,橫向網(wǎng)格節點(diǎn)數為280。2.2流道數值模擬結果分析A-A選取夏季三泵運行方式進(jìn)行水力數值模擬,可得到計算流場(chǎng)各節點(diǎn)的水位與流速矢量。分析整個(gè)流場(chǎng)流速矢量可以看出,流道進(jìn)口右邊墻轉角過(guò)大(超過(guò)135°),受慣性作用水流不能及時(shí)擴散,在轉角下游水流與邊界分離,形成較大面積的回事流區。同時(shí)整個(gè)引水段水流流態(tài)受彎道環(huán)流的影響比較顯著(zhù)冷卻塔集水池在引水段末端流態(tài)素亂,流速分布很不均勻,導致前池入流不03(0863)圖1初步設計方案流道布置(單位:m)順暢,水流進(jìn)入前池的流向與流道軸向不一致,存在夾角,尤其冷卻塔集水池半徑為71.15m,正常工作水深為1.80m。是與1·流道的夾角較大。當水流進(jìn)入前池斜坡段時(shí),受來(lái)流偏其人字柱支墩等間距設置在與邊界相距385m的圓周上,該向及流速分布不均勻的影響在分流墩兩側形成不對稱(chēng)繞流旋圓周半徑為6730m,相鄰支墩中心點(diǎn)間距為880m。在流道渦,其中1·3·流道的繞流旋渦較大在墩后8-10m才基本恢進(jìn)口前沿共有4個(gè)支墩,其中正面2個(gè)、側面2個(gè),支墩為矩形復。進(jìn)入吸水池平坡段后,流速分布有所調整,但同一過(guò)水斷斷面,尺寸為2.0mx2.7m,高2.5m面流速分布仍很不均勻,在水泵前沿最大垂線(xiàn)平均流速與斷面平均流速之差達0.4m/s,超過(guò)了吸水池內流速限制要求42初步設計方案水流特性分析水深計箅值表明,引水段凹岸水深普遍高于凸岸,在引水段末端兩岸水深相差0.16m,造成各個(gè)吸水池水深不一致,其中3對比常規電廠(chǎng)流道布置形式,以上流道布置方案的引水段吸水池前沿水深高于吸水池0.09m。此外,在流道進(jìn)口支墩彎曲角度較大流道相對較短彎道段與前池之間缺少直線(xiàn)過(guò)處也出現較大的繞流旋渦使下游較大范圍出現水面波動(dòng)增渡段同時(shí)通過(guò)的流量較大,水流寬淺。結合類(lèi)似流道布置方強了水流的紊動(dòng)性。案研究的經(jīng)驗2),初步認為水流流經(jīng)彎道時(shí),在離心慣性力的數值模擬結果說(shuō)明典型電廠(chǎng)流道布置方案不滿(mǎn)足吸水池作用下可能會(huì )顯著(zhù)影響單寬動(dòng)量分布進(jìn)而影響與前池段的順均衡來(lái)流要求,無(wú)法保證循環(huán)水泵正常、高效運行。若要改善暢銜接導致泵室吸水池入流不均衡。為了定量分析流道水流流態(tài)則必須采取控導措施。的流動(dòng)狀況及其影響,同時(shí)考慮到流道寬淺,水力要素沿垂直方向的變化要遠小于水平方向的變化,其流態(tài)水力要素可用3流道進(jìn)口水力優(yōu)化沿水深的平均值來(lái)表示,因此擬采取平面二維紊流數學(xué)模型進(jìn)行模擬分析。根據引水段彎道水流運動(dòng)特性結合循環(huán)水泵正常運行所2.1平面二維紊流數學(xué)模型要求的水流條件,若采用導流墩控導水流,則應達到以下要求二維紊流數學(xué)模型的控制方程包括水流連續方程與水流①控制彎道水流流態(tài),消除或削弱彎道環(huán)流的影響;②使導流運動(dòng)方程?；痉匠逃扇S時(shí)均雷諾方程沿水深積分得到,在墩間的動(dòng)量分配較均勻;③水流出彎后流速分布基本恢復正運動(dòng)方程中以混長(cháng)紊流模型求解紊動(dòng)切應力。模型計算區常,單寬動(dòng)量分布比較均勻;④結構簡(jiǎn)單,便于施工。域由冷卻塔集水池、流道引水段、前池段及吸水池段組成;模型典型電廠(chǎng)流道進(jìn)口前沿共有4個(gè)支墩,分析支墩所處的位邊界由流道固體邊壁、自由水面、上游進(jìn)口斷面和流道出口斷置,可以把位于流道進(jìn)口前沿中部的2個(gè)支墩改造成導流墩,而位于進(jìn)口兩側的支墩處于邊緣,甚至超出進(jìn)口邊界的外緣面組成。其中進(jìn)口邊界采用集水池設計水深18m控制;固體(左側墩),不宜作為導流墩進(jìn)行改造。同時(shí),改造支墩還應以出口邊界采用水泵運行流控制。采用非結構化網(wǎng)格剖分計不降低其原有的支擦能力為原則,即在保持支墩距不變結算區域用有限體積法進(jìn)行控制方程離散。為了較好地反映流構面積不減少的前提下,通過(guò)延伸支墩墩體沿水流方向的長(cháng)道邊界,滿(mǎn)足計算精度要求,對于一般計算區域,計算網(wǎng)格可以度,塑造流線(xiàn)形體形,使其具有控導彎道水流的功能。下面對圖2中A墩、B墩的體形及參數進(jìn)行優(yōu)化。采用0.5mx0.5m或0.25mx0.50m;對于模擬精度要求較高的計引水段射池段吸水池段圓心華標01t0110s)0=(1486,760)0h(01484)Oh=(1424,345冷卻塔集水池H中國煤化工CNMHG圖2導流墩布置(單位:m)105人民黃河2012年第3期(1)體形。從平面上看,A墩、B墩均設計成首端大、尾端股雖然沒(méi)有受到導流墩的作用,但流線(xiàn)曲率半徑大,受到的離小的流線(xiàn)形其目的是通過(guò)墩體對水流施加側向作用力控導心慣性力作用較小橫向運動(dòng)相對較弱。流過(guò)導流墩后,三股水流以漸變方式改變流向,遢制水流橫向運動(dòng)使彎道段末端水流匯合,右側及中部水股偏于凸岸的流動(dòng),削弱了離心慣性流速分布基本正常。導流墩的上游端為矩形支墩的外接圓弧,力引起的橫向運動(dòng),水流流動(dòng)過(guò)程中流向及流速分布逐步調直徑為336m(支墩矩形截面對角線(xiàn)長(cháng)度);導流墩墩體為實(shí)整,至引水段末端流態(tài)已基本恢復正常。尤其1流道的進(jìn)流條心墻,支墩包含其中,其體形由兩段不同半徑且與曲線(xiàn)引水段件大為改善。伴隨流態(tài)改善引水段水面橫比降有效降低,在引基本相似的圓弧構成。其中A墩外側圓弧段半徑為1784水段末端斷面實(shí)測左右岸水深分別為1.67m與1.70m,兩者內側圓弧段半徑為11.50m;B墩外側圓弧段半徑為16.06m,相差小于3%。流態(tài)及水深的改善使水流進(jìn)入前池的單寬動(dòng)量?jì)葌葓A弧段半徑為13.52m。這4段圓弧的圓心位置由通過(guò)1·分布趨于均勻。導流角方案二的流速觀(guān)測結果見(jiàn)圖4。由圖4流道外邊墻壁面與前池分流墩前沿斷面所建立的平面直角坐可見(jiàn),夏季三泵運行時(shí),水流進(jìn)入前池比較順暢,吸水池來(lái)流均標系來(lái)確定。墩的末端均為半徑為0.77m的圓弧衡流速分布基本對稱(chēng)。從前池入口至濾網(wǎng)前,斷面平均流速(2)墩體長(cháng)度。從導流墩對水流的控導作用來(lái)看加大墩由1.6m/s左右逐漸降低至08ms左右。進(jìn)入濾網(wǎng)后流速進(jìn)體長(cháng)度將有效提高控導效果,但為了節省工程量也不宜過(guò)大。一步降低,垂線(xiàn)平均流速一般為0.35m/s左右,分布比較均為達到控導水流的預期效果彌補墩體長(cháng)度的不足,在墩體長(cháng)勻,未出現回流旋禍等不利流態(tài)。在冬季兩泵運行時(shí),1與3度一定的情況下,可通過(guò)調整墩體與水流的夾角來(lái)實(shí)現。這流道過(guò)流流態(tài)與流速分布與前者基本相似。兩種工況下吸水里,A墩、B墩中心線(xiàn)弧長(cháng)均取9.65m。池的流態(tài)、流速分布及斷面平均流速值均滿(mǎn)足規范要求。(3)導流角。導流墩為曲線(xiàn)形,來(lái)流與墩體的夾角處處都不相等為方便分析這里定義導流墩中心線(xiàn)在支墩原截面形B25心點(diǎn)的切線(xiàn)方向與來(lái)流方向的夾角a為導流角(見(jiàn)圖3),并近似認為來(lái)流方向與通過(guò)流道進(jìn)口斷面中心點(diǎn)的徑向平行。同1x6日E16日18臺0890.392時(shí),考慮到流經(jīng)彎道內側(凸岸)的水流因流線(xiàn)曲率半徑小,受到的離心慣性力大于流經(jīng)外側(凹岸)的水流,故位于內側的A6524P086038p墩導流角應適當大一些。這里取A墩導流角大于B墩3.5°并分別考慮了3種導流角布置方案:方案一,A墩導流角為295°,B墩導流角為26°;方案二,A墩導流角為36°,B墩導流圖4方案二觀(guān)測斷面垂線(xiàn)平均流速分布(單位:m/s)角為325°;方案三,A墩導流角為425°,B墩導流角為39°。導流角方案一和方案三,或者墩體與來(lái)流夾角偏小,對水(4)進(jìn)口邊墻及兩側支墩的修改。將進(jìn)口右側邊墻上延至流施加的側向作用力度不夠,未能有效遏制引水段彎道環(huán)流運右側支墩處,使其轉角不超過(guò)60°,以避免流線(xiàn)與邊界分離消動(dòng),水面橫比降及流速分布調整不充分,在3°流道前沿水深仍除回流現象。為了進(jìn)流順暢減小繞流阻力,對流道進(jìn)口兩側偏大流速偏小;或者墩體與來(lái)流夾角相對偏大導致!流道前的支墩斷面及左側邊墻進(jìn)行圓化處理。沿水深偏大,流速偏小。此外,對于導流角布置方案二還進(jìn)行了冷卻塔低水位運行(1.5m<水深<1.8m)、水泵突然關(guān)停與突然開(kāi)啟等非正常工況下的試驗觀(guān)測,內容包括水流流態(tài)、水速分布、水位波動(dòng)等,觀(guān)測結果均滿(mǎn)足規范要求。A墩(或B撒)5結語(yǔ)在電廠(chǎng)循環(huán)水流道布置中,為減少占地選擇平面彎曲、總圖3導流角體長(cháng)度相對較短的曲線(xiàn)形布置是有效途徑。研究表明,對曲線(xiàn)4導流墩控導水流的實(shí)際效果形流道在進(jìn)口處設置導流墩可以梳理彎道段水流流向,均化流速分布。該項措施挖導水流的效果能夠滿(mǎn)足要求。結合冷通過(guò)物理模型試驗對導流措施的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗與分卻塔人字柱支墩結構布置的特點(diǎn)將流道進(jìn)口處支墩改造為導析。根據重力與紊動(dòng)阻力相似的原則進(jìn)行模型設計,幾何比尺流墩,措施簡(jiǎn)單,同時(shí)不降低支墩原有的支撐能力技術(shù)上可取λ=17、采用有機玻璃制作模型。為研究?jì)疹}的需要從流行。以上水力優(yōu)化措施已經(jīng)應用于典型電廠(chǎng)流道中。道前池到吸水池泵室前沿共布設了5個(gè)測速斷面,流速測量采用ADⅤ流速儀及旋槳流速儀。參考文獻:按照夏季三臺泵運行、冬季兩臺泵運行分別進(jìn)行放水試(1]孫東坡,王二平,宋永軍,等100MW典型電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道試驗研究驗重點(diǎn)對流道的流態(tài)、特征斷面流速分布等進(jìn)行觀(guān)測。試驗[R].鄭州:華北水利水電學(xué)院2007觀(guān)測表明在各種運行工況下,從流道進(jìn)口直至吸水池的整個(gè)[2]王二平,丁澤霖王靖新密電廠(chǎng)循環(huán)水流道體形優(yōu)化研究[冂人民黃河,流動(dòng)過(guò)程中水流基本順暢,沒(méi)有出現水流與邊界分離現象。在3種導流角布置方案中,方案二的流態(tài)最佳。模型試驗中看[3]金忠青.N-S方程的數值解和素流模型[M]南京:河海大學(xué)出版社,到,水流在流道進(jìn)口處被導流墩分為三股位于右側及中鄙的4]國家電力規劃設計總水股受導流墩體的側向作用沿著(zhù)導流墩的控導方向流動(dòng)流向及其布置設計技術(shù)規YH中國煤化工水泵房進(jìn)水流遭CNMHG偏于凸岸;而位于左側的水股受邊墻的約束沿邊墻流動(dòng)該水【赍任編輯張華巖】106