燃煤電廠循環(huán)水進(jìn)水流道布置形式分析

李鎖莊 張海勇 禹勝穎 王英偉

循環(huán)水泵是火電廠最重要的輔機(jī)之一,對電廠的安全運(yùn)行起著十分關(guān)鍵的作用。而循環(huán)水泵站進(jìn)水流道形式的合理選擇和設(shè)計,直接關(guān)系到流道內(nèi)水頭損失的大小和流態(tài)的好壞,對循環(huán)水泵的安全高效運(yùn)行和投資較省的泵房工程布置方案,起著非常重要的作用。優(yōu)化的進(jìn)水流道形式應(yīng)該盡可能地減少吸水室內(nèi)部的水力損失,盡可能地消除吸水池室內(nèi)部的各種漩渦,能使循環(huán)水泵的水力性能得到充分發(fā)揮。同時,進(jìn)水流道形式的選擇又直接影響到整個泵站的投資大小和施工難度。

水泵吸水室水流流態(tài)應(yīng)滿足以下條件。

(1)機(jī)組各種不同運(yùn)行組合工況下,水流平穩(wěn),水頭損失較小。

(2)水泵吸水喇叭口喉部斷面八點(diǎn)流速均勻,每點(diǎn)與八點(diǎn)平均值的偏差小于±10%。

(3)水泵吸水口的水流前旋角 α＜5°,短時間α＜7°(10～30 s出現(xiàn)幾率小于10%)。

(4)不出現(xiàn)大于二級的表面凹陷漩渦、各種水內(nèi)渦和邊壁渦。

本文從取水流道的進(jìn)水前池、濾網(wǎng)室、吸水室3個方面入手,結(jié)合模型試驗(yàn)成果對國內(nèi)某些火電廠的取水流道布置形式進(jìn)行分析研究。

1 進(jìn)水前池

泵房進(jìn)水前池的設(shè)置是保證水流能夠均勻平穩(wěn)地進(jìn)入吸水室,避免回流和漩渦的產(chǎn)生,進(jìn)水前池的布置要求吸水室從前池正面取水、前池平面擴(kuò)散較緩、底坡坡度較小。

臺山發(fā)電廠原設(shè)計方案進(jìn)水池進(jìn)口為圓弧形,在從較窄復(fù)式引水明渠進(jìn)入較寬的泵站進(jìn)水前池時,由于慣性力作用水流不能及時擴(kuò)散,在兩側(cè)產(chǎn)生較大范圍的回流,在流道前不能形成均勻的進(jìn)流條件。校核低潮位時,回流的最大負(fù)流流速達(dá)-0.74 m/s,伴隨著回流的產(chǎn)生,使部分進(jìn)水流道前出現(xiàn)橫向流速,導(dǎo)致水流發(fā)生剪切作用,進(jìn)一步誘導(dǎo)流道胸墻前形成漏斗形漩渦,回流和漩渦的存在使進(jìn)水池的流態(tài)較為混亂。模型試驗(yàn)優(yōu)化方案將原復(fù)合明渠的出口圓弧連接改為扭曲面連接,并在出口下游設(shè)置3個品字形布置的三角形導(dǎo)流墩,使進(jìn)水前池的流速分布比較平穩(wěn)均勻,基本消除了回流和流道進(jìn)口前的橫向流,流道的進(jìn)流趨于均勻。

因受到場地、取水條件、清污設(shè)備選擇等方面的限制,某些電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道不能完全遵循《火電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道及其布置設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DLGJ150—1999)進(jìn)行設(shè)計。永城電廠進(jìn)水流道受地形限制將前池斜坡段設(shè)計為23.14°的陡坡,大于設(shè)計技術(shù)規(guī)定一般不超過15°；流道進(jìn)口左側(cè)的翼墻與集水池邊墻成小于90°的銳角,但通過圓化邊墻、在前池內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流柵及分流墩、優(yōu)化進(jìn)口體型等措施,有效地改善了水流流態(tài),可以保證吸水池水面平穩(wěn)和進(jìn)流均勻。

2 濾網(wǎng)室

旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)對保障循環(huán)水泵和凝汽器等設(shè)備的安全運(yùn)行起著十分關(guān)鍵的作用。由于沿江沿海電廠一般采用敞開式循環(huán)水系統(tǒng),水中含有大量的垃圾、漂浮物等雜物,側(cè)向進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)攔截雜物的性能明顯優(yōu)于正向進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng),所以沿江、沿海新電廠的設(shè)計和舊電廠的改造大多采用側(cè)向進(jìn)水的布置方式。側(cè)向進(jìn)水與正向進(jìn)水的布置方式相比,其進(jìn)水水流條件和流態(tài)較差,為了改善流態(tài),保證進(jìn)水水流均勻穩(wěn)定,就必須加長泵房進(jìn)水流道長度或者增設(shè)整流消渦設(shè)施。

漢川電廠一期工程于1990年1月建成發(fā)電,鑒于取水流道攔污柵的攔污、清污效果較差,電廠擬將正向進(jìn)水的攔污柵改造成側(cè)向進(jìn)水的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng),以改善清污效果。通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),濾網(wǎng)改造后流道內(nèi)水流條件惡化,吸水室內(nèi)水流不對稱,有進(jìn)氣漩渦產(chǎn)生。試驗(yàn)在網(wǎng)前進(jìn)水孔內(nèi)加分流板,使過網(wǎng)水流對稱,并在泵室內(nèi)加設(shè)2 m高導(dǎo)流墻,使底層水流平穩(wěn)均勻,吸水室內(nèi)沒有漩渦產(chǎn)生。漢川電廠在改造后的實(shí)際運(yùn)行中,流道內(nèi)水流流態(tài)良好,機(jī)組運(yùn)行正常,也證明了改造方案的合理和試驗(yàn)成果的準(zhǔn)確可靠。

側(cè)向進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的不同布置形式也可以造成吸水池內(nèi)流態(tài)的差異。青島黃島電廠旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)采用側(cè)向進(jìn)水全框架導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),下噴式?jīng)_洗,旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)名義寬度為3.5 m,濾網(wǎng)凈孔尺寸為6.43 mm×6.43 mm,網(wǎng)板名義高度為500 mm。試驗(yàn)針對旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)為外進(jìn)內(nèi)出和內(nèi)進(jìn)外出兩種形式(見圖1)進(jìn)行分析比較,提出最優(yōu)進(jìn)出水形式。

圖1 黃島電廠流道旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)布置形式

兩種方案旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后擴(kuò)散段末斷面流速分布對比見圖2。試驗(yàn)結(jié)果表明,在外進(jìn)內(nèi)出方案試驗(yàn)中,水流經(jīng)進(jìn)水閘、攔污柵、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)、擴(kuò)散段對稱均勻地進(jìn)入吸水池,閘前與吸水管前0.7 m處的水頭損失為0.10 m,水流進(jìn)入濾網(wǎng)前的最大流速為0.80 m/s,水流從左向右繞過吸水管形成一個循環(huán)回流區(qū),偶爾只在取水流道的擴(kuò)散段末有細(xì)小的表面凹陷漩渦產(chǎn)生,漩渦產(chǎn)生的頻率比較低,力度也比較弱。在內(nèi)進(jìn)外出方案試驗(yàn)中,水流同樣對稱均勻地進(jìn)入吸水池,流道內(nèi)沿程水位變化較小,閘前與吸水管前 0.7m處的水頭損失僅為0.08 m,水流進(jìn)入濾網(wǎng)前的最大流速為0.78 m/s,吸水池內(nèi)水面稍有波動,偶爾只在取水流道的擴(kuò)散段末有細(xì)小的表面凹陷漩渦產(chǎn)生?？梢妰?nèi)進(jìn)外出方案流速分布更對稱均勻,回流范圍也小。綜合看,內(nèi)進(jìn)外出方案比外進(jìn)內(nèi)出方案有一定的優(yōu)越性,試驗(yàn)最終推薦旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)采用內(nèi)進(jìn)外出的布置形式。

圖2 兩方案擴(kuò)散段末斷面流速分布比較

3 吸水室

3.1 吸水室長度

為使水泵吸水口有較好的流態(tài),水泵吸水室應(yīng)有一定長度,根據(jù)側(cè)向進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式和《火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道及其布置設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的要求:吸水室長度(旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口至水泵吸水管軸線的距離)在沒有整流措施時應(yīng)為9D(D為喇叭口直徑),有整流措施時可縮短至6D。

可門火電廠原設(shè)計方案吸水室長度為9.26D,水流經(jīng)旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后,表面流速隨機(jī)性強(qiáng),水流比較紊亂,經(jīng)試驗(yàn)優(yōu)化后,吸水室長度縮短為5.7D,增設(shè)的整流設(shè)施和吸水室胸墻有效地使流速分布均趨于均勻。印尼百通電廠原設(shè)計方案吸水室長度為8D,通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證,因吸水管入口處淹沒深度較大,在10.7～13.9 m之間,設(shè)計工況下吸水室內(nèi)水流比較平順,水面平穩(wěn)基本無波動,即使在吸水室長度縮短為6D,不加整流設(shè)施的情況下,吸水室內(nèi)水面波動也很小,偶有表面凹陷漩渦形成,不會對電廠的正常運(yùn)行帶來不利影響,完全可以滿足機(jī)組引水要求。

3.2 整流消渦設(shè)施

漩渦運(yùn)動是最復(fù)雜的水流現(xiàn)象之一,如果在火電廠取水流道中,產(chǎn)生吸氣漏斗漩渦會給工程帶來危害。比如:降低循環(huán)泵引水能力、影響機(jī)組效率、加劇水流脈動、發(fā)生氣蝕、產(chǎn)生噪音以及吸入水面漂浮物等。流道泵室一般要求不允許出現(xiàn)大于二級的表面凹陷漩渦以及各種水內(nèi)渦和邊壁渦,在試驗(yàn)中一些電廠取水流道中往往出現(xiàn)回流和漩渦等不利于工程安全的水流現(xiàn)象,這就需要布設(shè)整流消渦設(shè)施來調(diào)整改善水流流態(tài)。

臺山電廠取水流道旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口寬2 m,其下游以45°的擴(kuò)散角與長14.8 m,寬6.5 m的吸水室相連。原設(shè)計方案吸水室內(nèi)沒有整流消渦設(shè)施,水流在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)以0.85 m/s的平均流速在2m寬的出口進(jìn)入吸水室,在慣性力的驅(qū)使下,中間流速大兩側(cè)流速小,流速大的水體與流速小的水體發(fā)生剪切,在流道的兩側(cè)形成較強(qiáng)的回流,回流又進(jìn)一步壓迫主流,使吸水室的水流更集中,加劇了水面的紊動。渦流試驗(yàn)表明,水流在流道中部產(chǎn)生脈動吸氣漏斗漩渦,這將會引起水泵效率降低,產(chǎn)生氣蝕和機(jī)組震動。優(yōu)化試驗(yàn)根據(jù)原方案吸水室內(nèi)水流特點(diǎn),將旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口的擴(kuò)散角由45°改為30°,針對原方案吸水室內(nèi)上層水流的回流流速較大,下層流速分布中間大兩邊小,在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)出口擴(kuò)散段尾的-3.5 m高程以上設(shè)置實(shí)體胸墻,以下設(shè)置5個中間密兩邊疏大小不一的分流墩。優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明,水流通過旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后,經(jīng)30°擴(kuò)散角均勻擴(kuò)散,回流區(qū)域和強(qiáng)度都明顯見?。粚?dǎo)流墩和胸墻的合理設(shè)置,使下層較集中的水流,經(jīng)分流墩的作用,相對較均勻地進(jìn)入吸水室；胸墻后形成回流,水流有一定紊動,但影響不大,吸水室內(nèi)出現(xiàn)有二級表面凹陷漩渦,沒有水內(nèi)渦及邊壁渦出現(xiàn),可見優(yōu)化方案比較合理。

吸水管喇叭口區(qū)域?qū)λ鞯姆€(wěn)定性和對稱性要求更高,通常要求吸水喇叭口喉部斷面八點(diǎn)流速均勻,每點(diǎn)與八點(diǎn)平均值的偏差小于±10%；吸水口的水流前旋角小于5°；不能出現(xiàn)水內(nèi)渦和底部渦等。為了使吸水管喇叭口水流對稱均勻,防止漩渦的產(chǎn)生,通常在喇叭口附近布置導(dǎo)流消渦設(shè)施。青島黃島電廠吸水管下設(shè)置分流錐和導(dǎo)流隔板(見圖3),能夠減少吸水管前旋流強(qiáng)度,有效地緩解漩渦的影響。印尼百通電廠采用三角形阻渦板(見圖4),試驗(yàn)證明也起到了良好的消渦作用。

圖3 導(dǎo)流隔板和分流錐

圖4 三角形阻渦板

4 結(jié) 語

(1)受自然條件制約某些電廠流道設(shè)計不能完全符合技術(shù)規(guī)定,但通過優(yōu)化建筑物體型及增設(shè)整流設(shè)施,也可以滿足循環(huán)水泵取水要求。

(2)進(jìn)水前池的布置通常以吸水室從前池正面取水、前池平面擴(kuò)散較緩、底坡坡度較小為宜；側(cè)面進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)有較好的攔污性能,與正面進(jìn)水式濾網(wǎng)相比,水流條件相對較差；吸水池長度在循環(huán)水泵淹沒深度較大、吸水室內(nèi)整流消渦設(shè)施布設(shè)合理等因素的綜合作用下可以適當(dāng)縮短；吸水室內(nèi)若出現(xiàn)大于二級的表面凹陷漩渦、各種水內(nèi)渦和邊壁渦,必須增設(shè)整流消渦設(shè)施來調(diào)整水流。

(3)受引水工況、流道布置邊界條件、循環(huán)泵出力等因素作用,電廠取水流道內(nèi)水流流態(tài)往往比較復(fù)雜,不利的水流現(xiàn)象可能對電廠的安全運(yùn)行有很大的影響,必須通過物理模型試驗(yàn)這一科學(xué)直觀的工具對設(shè)計方案加以驗(yàn)證。