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(yùn)河江蘇省徐州航道管理站,江蘇徐州2207)摘要:為減少占地、節(jié)省工程量,某電廠循環(huán)水流道初步設(shè)計(jì)選擇平面彎曲、總體長度相對(duì)較短的曲線形布置形式。應(yīng)用二維紊流模型進(jìn)行教值模擬,分析了流道曲線引水段彎道環(huán)流運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的不利影響,為遇制彎道環(huán)流運(yùn)動(dòng)、調(diào)整水流流速分布,對(duì)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(dǎo)流墩,用以控導(dǎo)引水段水流運(yùn)動(dòng)。模型試驗(yàn)表明,該項(xiàng)措施能夠有效梳理彎道段水流流向,均化流速分布,控導(dǎo)效奡可以滿足要求。關(guān)鍵詞:循環(huán)水流道;模型試驗(yàn);曲線形引水段;彎道環(huán)流;導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):Tv674;Tv675文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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冷卻塔集水池與循環(huán)水口前沿的支墩改造成導(dǎo)流墩用以梳理引水段彎道水流流向泵吸水池的過渡段,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?yàn)榱斯?jié)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(yùn)動(dòng)會(huì)使單寬動(dòng)量沿過流斷面分布不均勻,尤其在多臺(tái)水某擬建大形火電廠單臺(tái)機(jī)組裝機(jī)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(tǒng)為一臺(tái)機(jī)組配三臺(tái)循環(huán)水泵及一座自然通風(fēng)冷卻塔。以均衡流態(tài)不穩(wěn)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(shè)計(jì)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(見圖1)。其中引水段為圓弧形,平面轉(zhuǎn)角達(dá)50°進(jìn)口斷面采取控導(dǎo)措施調(diào)整過流斷面動(dòng)觸分布使之滿足水泵正常工作寬2583m末端斷面寬19.00m;前池及吸水池各泵室分開設(shè)的要求。另外,為滿足通風(fēng)對(duì)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(yùn)行方式為夏用開敞式結(jié)構(gòu);為支撐上部筒壁,沿冷卻塔集水池四周設(shè)置人季與春秋季三臺(tái)泵運(yùn)行單泵流量為10m3/s;冬季兩臺(tái)泵運(yùn)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)口寬度往往超過支墩間距在流道進(jìn)口前沿一般有若干個(gè)支墩根據(jù)支墩所在位置與間距,通過水力優(yōu)化,可以將其收稿日期:2011-0530改造成具有導(dǎo)流功能的導(dǎo)流墩用以調(diào)控彎道段的水流,實(shí)現(xiàn)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流條件力學(xué)教學(xué)與研究工作。THCNMHG筆者在某典型電廠循環(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(qū)域,計(jì)算網(wǎng)格采用0.25m×0.25m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域縱向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為541,橫向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為280。2.2流道數(shù)值模擬結(jié)果分析A-A選取夏季三泵運(yùn)行方式進(jìn)行水力數(shù)值模擬,可得到計(jì)算流場各節(jié)點(diǎn)的水位與流速矢量。分析整個(gè)流場流速矢量可以看出,流道進(jìn)口右邊墻轉(zhuǎn)角過大(超過135°),受慣性作用水流不能及時(shí)擴(kuò)散,在轉(zhuǎn)角下游水流與邊界分離,形成較大面積的回事流區(qū)。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(dǎo)致前池入流不03(0863)圖1初步設(shè)計(jì)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(dāng)水流進(jìn)入前池斜坡段時(shí),受來流偏其人字柱支墩等間距設(shè)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(cè)形成不對(duì)稱繞流旋圓周半徑為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(cè)面2個(gè),支墩為矩形復(fù)。進(jìn)入吸水池平坡段后,流速分布有所調(diào)整,但同一過水?dāng)鄶嗝?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平均流速與斷面平均流速之差達(dá)0.4m/s,超過了吸水池內(nèi)流速限制要求42初步設(shè)計(jì)方案水流特性分析水深計(jì)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(duì)比常規(guī)電廠流道布置形式,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(duì)較短彎道段與前池之間缺少直線過處也出現(xiàn)較大的繞流旋渦使下游較大范圍出現(xiàn)水面波動(dòng)增渡段同時(shí)通過的流量較大,水流寬淺。結(jié)合類似流道布置方強(qiáng)了水流的紊動(dòng)性。案研究的經(jīng)驗(yàn)2),初步認(rèn)為水流流經(jīng)彎道時(shí),在離心慣性力的數(shù)值模擬結(jié)果說明典型電廠流道布置方案不滿足吸水池作用下可能會(huì)顯著影響單寬動(dòng)量分布進(jìn)而影響與前池段的順均衡來流要求,無法保證循環(huán)水泵正常、高效運(yùn)行。若要改善暢銜接導(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)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表示,因此擬采取平面二維紊流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)引水段彎道水流運(yùn)動(dòng)特性結(jié)合循環(huán)水泵正常運(yùn)行所2.1平面二維紊流數(shù)學(xué)模型要求的水流條件,若采用導(dǎo)流墩控導(dǎo)水流,則應(yīng)達(dá)到以下要求二維紊流數(shù)學(xué)模型的控制方程包括水流連續(xù)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(dǎo)流運(yùn)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(fù)正運(yùn)動(dòng)方程中以混長紊流模型求解紊動(dòng)切應(yīng)力。模型計(jì)算區(qū)常,單寬動(dòng)量分布比較均勻;④結(jié)構(gòu)簡單,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(dǎo)流墩,而位于進(jìn)口兩側(cè)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(shè)計(jì)水深18m控制;固體(左側(cè)墩),不宜作為導(dǎo)流墩進(jìn)行改造。同時(shí),改造支墩還應(yīng)以出口邊界采用水泵運(yùn)行流控制。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計(jì)不降低其原有的支擦能力為原則,即在保持支墩距不變結(jié)算區(qū)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(gòu)面積不減少的前提下,通過延伸支墩墩體沿水流方向的長道邊界,滿足計(jì)算精度要求,對(duì)于一般計(jì)算區(qū)域,計(jì)算網(wǎng)格可以度,塑造流線形體形,使其具有控導(dǎo)彎道水流的功能。下面對(duì)圖2中A墩、B墩的體形及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用0.5mx0.5m或0.25mx0.50m;對(duì)于模擬精度要求較高的計(jì)引水段射池段吸水池段圓心華標(biāo)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(dǎo)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(shè)計(jì)成首端大、尾端股雖然沒有受到導(dǎo)流墩的作用,但流線曲率半徑大,受到的離小的流線形其目的是通過墩體對(duì)水流施加側(cè)向作用力控導(dǎo)心慣性力作用較小橫向運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱。流過導(dǎo)流墩后,三股水流以漸變方式改變流向,遢制水流橫向運(yùn)動(dòng)使彎道段末端水流匯合,右側(cè)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(dǎo)流墩的上游端為矩形支墩的外接圓弧,力引起的橫向運(yùn)動(dòng),水流流動(dòng)過程中流向及流速分布逐步調(diào)直徑為336m(支墩矩形截面對(duì)角線長度);導(dǎo)流墩墩體為實(shí)整,至引水段末端流態(tài)已基本恢復(fù)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(gòu)成。其中A墩外側(cè)圓弧段半徑為1784水段末端斷面實(shí)測(cè)左右岸水深分別為1.67m與1.70m,兩者內(nèi)側(cè)圓弧段半徑為11.50m;B墩外側(cè)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)量內(nèi)側(cè)圓弧段半徑為13.52m。這4段圓弧的圓心位置由通過1·分布趨于均勻。導(dǎo)流角方案二的流速觀測(cè)結(jié)果見圖4。由圖4流道外邊墻壁面與前池分流墩前沿?cái)嗝嫠⒌钠矫嬷苯亲梢?夏季三泵運(yùn)行時(shí),水流進(jìn)入前池比較順暢,吸水池來流均標(biāo)系來確定。墩的末端均為半徑為0.77m的圓弧衡流速分布基本對(duì)稱。從前池入口至濾網(wǎng)前,斷面平均流速(2)墩體長度。從導(dǎo)流墩對(duì)水流的控導(dǎo)作用來看加大墩由1.6m/s左右逐漸降低至08ms左右。進(jìn)入濾網(wǎng)后流速進(jìn)體長度將有效提高控導(dǎo)效果,但為了節(jié)省工程量也不宜過大。一步降低,垂線平均流速一般為0.35m/s左右,分布比較均為達(dá)到控導(dǎo)水流的預(yù)期效果彌補(bǔ)墩體長度的不足,在墩體長勻,未出現(xiàn)回流旋禍等不利流態(tài)。在冬季兩泵運(yùn)行時(shí),1與3度一定的情況下,可通過調(diào)整墩體與水流的夾角來實(shí)現(xiàn)。這流道過流流態(tài)與流速分布與前者基本相似。兩種工況下吸水里,A墩、B墩中心線弧長均取9.65m。池的流態(tài)、流速分布及斷面平均流速值均滿足規(guī)范要求。(3)導(dǎo)流角。導(dǎo)流墩為曲線形,來流與墩體的夾角處處都不相等為方便分析這里定義導(dǎo)流墩中心線在支墩原截面形B25心點(diǎn)的切線方向與來流方向的夾角a為導(dǎo)流角(見圖3),并近似認(rèn)為來流方向與通過流道進(jìn)口斷面中心點(diǎn)的徑向平行。同1x6日E16日18臺(tái)0890.392時(shí),考慮到流經(jīng)彎道內(nèi)側(cè)(凸岸)的水流因流線曲率半徑小,受到的離心慣性力大于流經(jīng)外側(cè)(凹岸)的水流,故位于內(nèi)側(cè)的A6524P086038p墩導(dǎo)流角應(yīng)適當(dāng)大一些。這里取A墩導(dǎo)流角大于B墩3.5°并分別考慮了3種導(dǎo)流角布置方案:方案一,A墩導(dǎo)流角為295°,B墩導(dǎo)流角為26°;方案二,A墩導(dǎo)流角為36°,B墩導(dǎo)流圖4方案二觀測(cè)斷面垂線平均流速分布(單位:m/s)角為325°;方案三,A墩導(dǎo)流角為425°,B墩導(dǎo)流角為39°。導(dǎo)流角方案一和方案三,或者墩體與來流夾角偏小,對(duì)水(4)進(jìn)口邊墻及兩側(cè)支墩的修改。將進(jìn)口右側(cè)邊墻上延至流施加的側(cè)向作用力度不夠,未能有效遏制引水段彎道環(huán)流運(yùn)右側(cè)支墩處,使其轉(zhuǎn)角不超過60°,以避免流線與邊界分離消動(dòng),水面橫比降及流速分布調(diào)整不充分,在3°流道前沿水深仍除回流現(xiàn)象。為了進(jìn)流順暢減小繞流阻力,對(duì)流道進(jìn)口兩側(cè)偏大流速偏小;或者墩體與來流夾角相對(duì)偏大導(dǎo)致!流道前的支墩斷面及左側(cè)邊墻進(jìn)行圓化處理。沿水深偏大,流速偏小。此外,對(duì)于導(dǎo)流角布置方案二還進(jìn)行了冷卻塔低水位運(yùn)行(1.5m<水深<1.8m)、水泵突然關(guān)停與突然開啟等非正常工況下的試驗(yàn)觀測(cè),內(nèi)容包括水流流態(tài)、水速分布、水位波動(dòng)等,觀測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范要求。A墩(或B撒)5結(jié)語在電廠循環(huán)水流道布置中,為減少占地選擇平面彎曲、總圖3導(dǎo)流角體長度相對(duì)較短的曲線形布置是有效途徑。研究表明,對(duì)曲線4導(dǎo)流墩控導(dǎo)水流的實(shí)際效果形流道在進(jìn)口處設(shè)置導(dǎo)流墩可以梳理彎道段水流流向,均化流速分布。該項(xiàng)措施挖導(dǎo)水流的效果能夠滿足要求。結(jié)合冷通過物理模型試驗(yàn)對(duì)導(dǎo)流措施的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn)與分卻塔人字柱支墩結(jié)構(gòu)布置的特點(diǎn)將流道進(jìn)口處支墩改造為導(dǎo)析。根據(jù)重力與紊動(dòng)阻力相似的原則進(jìn)行模型設(shè)計(jì),幾何比尺流墩,措施簡單,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(jī)玻璃制作模型。為研究冋題的需要從流行。以上水力優(yōu)化措施已經(jīng)應(yīng)用于典型電廠流道中。道前池到吸水池泵室前沿共布設(shè)了5個(gè)測(cè)速斷面,流速測(cè)量采用ADⅤ流速儀及旋槳流速儀。參考文獻(xiàn):按照夏季三臺(tái)泵運(yùn)行、冬季兩臺(tái)泵運(yùn)行分別進(jìn)行放水試(1]孫東坡,王二平,宋永軍,等100MW典型電廠循環(huán)水泵流道試驗(yàn)研究驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)流道的流態(tài)、特征斷面流速分布等進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)[R].鄭州:華北水利水電學(xué)院2007觀測(cè)表明在各種運(yùn)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循環(huán)水流道體形優(yōu)化研究[冂人民黃河,流動(dòng)過程中水流基本順暢,沒有出現(xiàn)水流與邊界分離現(xiàn)象。在3種導(dǎo)流角布置方案中,方案二的流態(tài)最佳。模型試驗(yàn)中看[3]金忠青.N-S方程的數(shù)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(dǎo)流墩分為三股位于右側(cè)及中鄙的4]國家電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總水股受導(dǎo)流墩體的側(cè)向作用沿著導(dǎo)流墩的控導(dǎo)方向流動(dòng)流向及其布置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)YH中國煤化工水泵房進(jìn)水流遭CNMHG偏于凸岸;而位于左側(cè)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