沿海電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究

水利水電技術(shù)第42卷2011 年第7期沿海電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究韓敬欽，宮俊亭，高德申(山東電力工程咨詢(xún)院有限公司，山東濟南250013)摘要:結合防城港電廠(chǎng)工程，對循環(huán)水泵流道進(jìn)行了物理模型試驗，重點(diǎn)研究了流道的水力特性，包括引水溝來(lái)水的擴散消能特性、旋轉濾網(wǎng)及吸水室的水流流態(tài)特征、吸水喇叭口進(jìn)水斷面的流速分布規律等。針對原設計前池擴散不充分、出流不均、泵體管外環(huán)流等問(wèn)題，提出在前池擴散段設置消能橫梁和在循環(huán)水泵中心線(xiàn)上游設置淹沒(méi)胸墻等整流措施。該優(yōu)化方案能有效阻斷吸水室內的表面回流通道，起到改善流態(tài)和消能的作用，從而滿(mǎn)足循環(huán)水泵的運行要求，并且能夠有效節省土建投資。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;流道;流態(tài);模型試驗;水力特性;優(yōu)化設計中圖分類(lèi)號: TV675文獻標識碼: A文章編號: 1000-0860(2011)07-0098-04Study on hydraulic characteristics and optimum design of flow passage in water circulating pumpfor coastal thermal power plantHAN Jingqin, GONG Junting, GAO Deshen(Shandong Electric Power Engineering Consuling Institute Co. LTD. , Jinan 250013, Shandong, China)Abstract: Based on the construction project of Fangchenggang Power Plant, a physical model test on the flow passage in watercirculating pump is made; in which the hydraulic characteristics of the flow passage is emphatically studied, including the per-formance of energy disipation from difusion of the water inflow from the waler intake- channel, the flow pattemn of the suctionchamber and side-inlet rotating fiter net, the law of flow velocity distributin around the section of water uptake bell mouth,tc. In light of the problems from the original design, such as insufficient diffusion in forebay, uneven outflow, circulation a-round the outside of pump body, etc. ，the treatment measures of arranging an energy-dissipation crossbeam at the diffusionsection of the forebay and a submerged parapet wall on the upstream of the centerline of the circulating pumps. With this opti-mum scheme, not only the surface back-flow passage in the suction chamber can be efctiveley shut off for improving the flowpatterm and energy-dissipation and meeting the operation requirement of the pump, but the investment for the earthwork can alsobe largely saved.Key words: water circulating pump; flow passage; flow pattem; model test; hydraulic characteristic; optimizing design和汽蝕，造成性能下降，甚至無(wú)法運行3.41。同時(shí)，1研究背景合理的設計方案對降低循環(huán)水泵房的土建費用也有大量研究成果表明，電廠(chǎng)循環(huán)水泵房進(jìn)水流道重要的水力性能設計對循環(huán)水泵的性能和可靠性有很大中國煤化工，量4x600 MW,采影響，吸水喇叭口進(jìn)水斷面水流均勻是保證循環(huán)水FYHCNMHG.泵穩定運行的重要條件[1,2。如果流道設計不合理，收稿日期: 2011-03-28容易發(fā)生水面渦流或水中渦帶，以致水泵發(fā)生振動(dòng)作者簡(jiǎn)介:韓敬欽(1967-),男，山東日照人，高級工程師。98Water Resoures and Hyrpower Engnering Vol 42 No.7韓敬欽,等//沿海電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究用擴大單元制直流供水系統，每臺機組配備2臺循環(huán)附近分別均勻地布置8條絲線(xiàn)，以絲線(xiàn)左右擺動(dòng)方水泵，4臺機組共用一座循環(huán)水泵房，泵房中采用側向的水平投影角不大于10作為判斷流態(tài)好壞的標面進(jìn)水旋轉濾網(wǎng)(網(wǎng)外進(jìn)水網(wǎng)內出水)。為保證循環(huán)準。水泵流道具有良好的進(jìn)水流態(tài)，使循環(huán)水泵具有穩定水泵葉輪室內的水流預旋強度采用四槳葉渦流計的運行條件,本研究將通過(guò)物理模型對循環(huán)水泵進(jìn)水定性測量，計算公式為流道進(jìn)行系統的水力特性試驗研究，并結合試驗結A= tan'(πD'n)果，優(yōu)化原設計方案，提出合理的改進(jìn)措施，保證循(240Qm)環(huán)水泵的安全運行。式中，A為預旋角(°); D為吸水管直徑(m); n為渦流計轉速( r/min); Qm為流量( m'/s)。2物理模型設計按相關(guān)文獻601的要求,將A≤3°作為水流均勻分2.1相似條件布的標準。循環(huán)水泵流道模型試驗選用比尺為1:10(λ,=3流道試驗分析及優(yōu)化設計10)的幾何正態(tài)模型。試驗模型范圍包括部分引水溝及泵房前池、循環(huán)水泵房?jì)闪鞯?、循環(huán)水泵出水在97%設計低潮位下，兩機三泵運行工況的總管道三部分，其中循環(huán)水泵房前池及兩流道按實(shí)際流量最大、水深小、Fr較大、水流相對較難調整，模擬，循環(huán)水泵出水管道進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬。初步設計本文即選取該工況作為原設計方案與優(yōu)化設計方案的方案見(jiàn)圖1。比選工況。3.1原方 案水力特性旋轉濾網(wǎng)循環(huán)水泵原方案水流自引人溝進(jìn)人循環(huán)水泵房前池后,<----海已雖然在前池擴散段沒(méi)有形成明顯的問(wèn)流,但由于未能充分擴散，流速分布在橫向上有所偏置，在進(jìn)入旋轉濾網(wǎng)間之前，呈外側大、內側小的分布，造成濾網(wǎng)后出口水流明顯偏向一側，在吸水室內形成繞圖1初步設計方案流道平 面布置水泵泵體的管外環(huán)流。在低水位加大流量情況下，吸水室后墻角出現大于二級的表面渦。表面出現間根據試驗特點(diǎn)，相似準則主要考慮重力相似(佛歇性吸氣渦，底部未加導流設施時(shí)，出現吸氣水內汝德數相似)和阻力相似，即渦，可以觀(guān)察到明顯的空心渦管，加導流設施后,(Pr),=(u/J(gh),=1吸氣水內渦消失。從喇叭口和葉輪室進(jìn)口附近的絲λn=λL%線(xiàn)來(lái)看，兩側及后部絲線(xiàn)擺動(dòng)強烈，吸水口附近的另外，為保證模型中渦流的相似，采用增大模型流態(tài)較差。佛汝德數的方法進(jìn)行觀(guān)測，參考日本TSJ渦輪機協(xié)會(huì )分析流道內的流速分布可知，水泵吸水喇叭口附標準(2005年版)[5]的規定，表面渦流相似條件為近懸空高度處的流速分布非常不均勻，橫向流速梯度λ,=λQ2較大。吸水喇叭口前緣八點(diǎn)的流速見(jiàn)表1,可以看λq=λZ2出，該剖面的相對流速偏差最大可達- 28% (測點(diǎn)試驗中，考慮到模型比尺較小，并且采用該相似3)，該測點(diǎn)與平均流速的絕對偏差為-0. 28 m/s。并條件后，模型流量已放大到2倍,這與一-般水工模型且，喇叭口各測點(diǎn)流速的波動(dòng)也較大,說(shuō)明水流非常試驗中通常采用的增大流量1.5~3倍(即1.5~3倍不穩定。的佛汝德數流速)一致，可以保證渦流模擬具有一定上述分析表明，在原設計方案下，循環(huán)水泵房流的安全裕度。道內的流速分布形態(tài)較差，旋轉濾網(wǎng)后水流發(fā)生強烈2.2 量測儀器及方法和管外環(huán)流，水流試驗供排水為一自 循環(huán)系統。流量由矩形量水的穩IYH中國煤化工足循環(huán)水泵的穩定堰測定，流速的測量采用紅外光纖流速傳感器，吸運行夏CNMHG水喇叭口內的流速則采用畢托管測量。采用絲線(xiàn)法3.2優(yōu)化方 案設計及水力特性觀(guān)察流態(tài)，即在吸水喇叭口周?chē)八萌~輪室進(jìn)口針對原設計方案在試驗中發(fā)現的問(wèn)題，優(yōu)化方案水利水勢券藪謄2011年第7期9韓敬欽,等//沿海電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究表1原方案喇叭口前緣八點(diǎn)流速吸水喇叭口前緣八點(diǎn)的流速如表2所列，可以看測點(diǎn)編號流速/m.g-!相對偏差/%出，優(yōu)化方案下相對流速最大偏差為-12%(測點(diǎn)4),該測點(diǎn)與平均流速的絕對偏差僅為-0.09 m/s,二者0.79-181. 083均遠小于原方案的偏差值( -28%，-0. 28 m/s)。0.68-28表2優(yōu)化方案喇叭口前緣八點(diǎn)流速1.011.00流速/m.g-'1.20260.98-30.75220.95 .-6190. 89-1平均0.960.90主要從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn):一是在前池設置消能均1.041.11流的輔助設施以改善擴散不充分、出流不均勻等問(wèn).1. 121題;二是根據工程需要在循環(huán)水泵前部流道內設置相0.99關(guān)整流設施以進(jìn)-步改善流態(tài)和消能。通過(guò)- - 系列的改進(jìn)，最終形成了以下優(yōu)化方案: -是在前池擴散段選取吸水喇叭口上游距喇叭口中心線(xiàn)1. 0D、設置消能橫梁，橫梁高1.40m,寬0.5m,頂部安裝2.OD斷面的流速分布作為比較，兩斷面不同高度測高程-6.50 m,該措施可以起到較好的消能作用，以點(diǎn)的流速分布比較可見(jiàn)圖3和圖4，兩斷面喇叭口懸使引水溝來(lái)水在進(jìn)人循環(huán)水泵房前池前均勻擴散;二空高度處的流速比較如表3和表4所列。是在距循環(huán)水泵中心線(xiàn)上游2 OD處(D為喇叭口直徑,由圖3和圖4看出，原方案中兩斷面的流速分布下同)設置一道淹沒(méi)胸墻，胸墻開(kāi)孔高程-4.00 m,都比較雜亂，且偏差較大，而優(yōu)化方案的流速分布更該措施可以有效阻斷吸水室內的表面回流通道，降為均勻與穩定。低表面渦發(fā)生的機會(huì )。優(yōu)化設計方案的平面布置見(jiàn)此外，對優(yōu)化設計方案進(jìn)行了其他工況的試驗,圖2。結果表明，吸水室內水面平穩，水位波動(dòng)較小，雙泵消能橫梁旋轉濾網(wǎng)淹沒(méi)胸墻循環(huán)水泵運行工況下吸水室內沒(méi)有出現明顯的回流和管外環(huán)流，單泵運行工況下表面有回流存在，但并沒(méi)有明顯影響到水泵吸人口。從流速分布情況看,循環(huán)水泵房..8 r? 0.6-0.第02圖2優(yōu)化設計方案流道平 面布置-3.0-2.0-1.00102.0 3.0優(yōu)化方案的試驗結果表明，流道進(jìn)口流速分布水平距離/m(a)原方案基本對稱(chēng)，濾網(wǎng)前內外側進(jìn)口垂向流速分布比較接0.8近，網(wǎng)后水流對稱(chēng)性也較好,吸水室內水面平穩，, 0.6水位波動(dòng)較小，沒(méi)有出現明顯的回流和管外環(huán)流,也未發(fā)現大于二級的表面渦和水內渦。從示蹤絲線(xiàn)02來(lái)看，無(wú)論是喇叭口周邊還是葉輪室進(jìn)口附近，絲3.0-20-10010203.0線(xiàn)擺動(dòng)幅度均不大于10°,雙泵運行時(shí)，兩流道內絲線(xiàn)擺動(dòng)基本對稱(chēng)且時(shí)間上也基本同步。加大流.中國煤化工量(2倍的佛汝德數流量)后，觀(guān)測吸水室內旋渦，MYH.CNMH G_-43m未發(fā)現大于二級的表面渦，也未觀(guān)察到吸氣水內+13 m。-3.3m→5.3m咼。圖31. 0D斷面垂向各測點(diǎn)流速比較100_水利水電技術(shù)第42卷2011 年第7期韓敬欽,等//沿海電廠(chǎng)循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究0.8布橫向偏差很小，最大偏差14%(2.0D斷面，5號; 0.6點(diǎn))，此時(shí)流速的絕對偏差僅為0. 04 m/s。0.4-3.3經(jīng)濟效益分析第0.根據循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的設計規范["”,對于0 -20-100 1.0 20 3.0網(wǎng)外進(jìn)水網(wǎng)內出水、側向布置的旋轉濾網(wǎng)，若不采水平距離/m取合適的整流措施，清污設備至吸水池后墻的距離(a)原方案宜采用9倍喇叭口直徑，使流道中水流有一個(gè)穩定過(guò)程。這樣，本工程前池的長(cháng)度應比優(yōu)化方案長(cháng).的05.75 m。經(jīng)計算，與優(yōu)化方案相比，非整流方案的。0.40.4態(tài)循環(huán)水泵房及前池需多用混凝土約3000 m',土方第02開(kāi)挖約多10 000 m'，土建工程投資約多500萬(wàn)元3.0 -2.0 -1.001.0 20 3.0(不包括占地費用)。(b)優(yōu)化方案4結論→底部→23m -←4.3m-1.3m -3.3m- + - 5.3m(1)通過(guò)循環(huán)水泵流道的物理模型試驗，對引水溝來(lái)水的擴散消能、旋轉濾網(wǎng)及吸水室的水流流態(tài)、圖4 2. 0D斷面垂向各測點(diǎn)流速比較吸水喇叭口進(jìn)水斷面的流速分布等水力特性進(jìn)行了試驗研究與分析，提出了在前池擴散段設置消能橫梁和表31. 0D斷面喇叭口懸空高度處流速比較在循環(huán)水泵中心線(xiàn)上游設置淹沒(méi)胸墻等整流措施,并方案測.原方案優(yōu)化方案給出了優(yōu)化方案。點(diǎn)編號流速/m.g-1偏差/%流速/m.g-1偏差/%(2)試驗研究結果表明，優(yōu)化方案不僅可以有效0.16-560.40地解決原設計方案的不足，有利于循環(huán)水泵的安全穩0. 165定運行,并訶節省循環(huán)水泵房的土建投資約500萬(wàn)0.350.33-10.57560.37-元。該試驗成果可為類(lèi)似工程的設計提供參考。0.59510.39(3)該電廠(chǎng)一期工程2臺機組已于2007年全部平均0. 38投產(chǎn)，截止目前運行良好。2009年，該地區發(fā)生風(fēng)暴潮，最大波高達3.40 m，循環(huán)水泵房前池波高不表42.0D 斷面喇叭口懸空高度處流速比較到0. 20 m,吸水室內水流的穩定性較好，能夠滿(mǎn)足方案測循環(huán)水泵的運行要求。流速/m.s-1偏差/%|流速/m.s-'參考文獻:-440.32100.300. 26[1]西北電力設計院。 電力工程水務(wù)設計手冊[M].北京:中國電0.270. 25力出版社，2005: 331-332.363[2]吳持恭. 水力學(xué)(第4版)[M].北京:高等教育出版, 2008.14[3陸林廣,張仁田，泵站進(jìn)水流道優(yōu)化水力設計[M].北京:中0.280.29國水利水電出版社, 1997[4劉麗君，謝偉東，江樹(shù)榮，等.南水北調東線(xiàn)T.程劉山泵站進(jìn)進(jìn)水流道吸水室內水流基本均勻，吸水喇叭口附近流水流態(tài)整體模型試驗研究[J].水利水電技術(shù)，2004(10): 70-速分布橫向偏差較小，喇叭口前緣徑向流速分布偏差73.小于17. 0%，喇叭口喉部軸向流速偏差小于5. 0% ,Japanese Mechanieal Engineer Asociation Pump House Intake Chan-nel Test Sundard[ M]. Japan: Japan Industy Pess, 2005.葉輪室內水流的預旋強度基本滿(mǎn)足小于3°的要求。[6中國煤化工Sundard for Pump Intake總體來(lái)說(shuō)，循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的優(yōu)化設計方案可以很好地滿(mǎn)足循環(huán)水泵的運行要求。fYHC N M H G聚房進(jìn)水流道及其布置設可以看出，原方案的流速分布偏差較大，最大可計技術(shù)規定[S].達61%(1.0D斷面，5號點(diǎn))，而優(yōu)化方案的流速分(責任編輯陳 小敏)水利水電技術(shù)第42卷2011年第7期101