直流冷卻水系統(tǒng)虹吸井工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析

沈冬梅，余才銳，吳少揚

（1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安237012；

2.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北武漢430071）

虹吸井是電廠冷卻水排水系統(tǒng)中重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)的合理性不僅與其自身功能的實現(xiàn)息息相關(guān)，更直接影響到整個系統(tǒng)的安全高效運行[1]。虹吸井的堰頂高程和斷面面積是影響其自身功能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。堰頂高程若過高，虹吸作用減弱，運行和維護費用增加，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的泡沫污染；過低，則極易導(dǎo)致負壓過低，甚至?xí)霈F(xiàn)水錘破壞情況。斷面面積若設(shè)計過大，將加大工程建設(shè)成本；若過小，如突遇水泵斷電，將很可能出現(xiàn)較大的負壓水錘現(xiàn)象[2-5]。目前虹吸井結(jié)構(gòu)設(shè)計多是參照相關(guān)設(shè)計手冊得出，對設(shè)計計算也是僅從經(jīng)濟效益單方面分析。但就具體工程而言，由于特定場地條件不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)在初始確定時未必能與實際工程相符，同時由于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不當(dāng)產(chǎn)生嚴(yán)重的泡沫污染，對環(huán)境破壞極大。物理模型是基于相似性原理，將原型按比例縮小，通過水工試驗，可以克服單純依靠理論計算的缺陷，不僅可以驗證理論計算參數(shù)的合理性，還能觀察其水力特性、水流流態(tài)和泡沫污染，因此在實際工程設(shè)計中，結(jié)合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅考慮了經(jīng)濟性，更能兼顧環(huán)保性和安全性，有著其他方法不可替代的優(yōu)勢。

1 工程基本資料

某燃煤發(fā)電廠，靠近長江，廠址所處地區(qū)為北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，一般年平均氣溫15.8℃～17.5℃。雨量充沛、日照充足，夏季酷熱、冬季寒冷。裝機容量600MW，設(shè)兩組。以電廠主廠房為零米層，凝汽器頂端相對高程為＋5.50m。一臺機組的循環(huán)水量夏季Q=17.04m3/s，冬季Q=12.26m3/s，冷卻水排出口臨江處水位：夏季約56.58m，冬季約55.66m。

2 工程設(shè)計分析

2.1 水力特性物理模型試驗

交角的選擇：虹吸井的斷面面積是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要參數(shù)，實際工程中受場地的局限性影響較大。本工程循環(huán)水量相對較小，所以虹吸井的尺寸也較小，考慮薄壁堰占地少的特點，確定采用薄壁堰作為過水構(gòu)筑物。常見的薄壁堰有正交堰、斜交堰和折堰3種，本工程受場地限制，考慮采用斜交堰。斜交堰的交角是影響其泄洪能力的一個主要因素，因此確定一個合適的交角是虹吸井設(shè)計的關(guān)鍵。為確定合適的交角，在實驗室建立薄壁堰泄流模型，如圖1所示。實驗研究斜交堰在交角為15°、30°、45°、60°時的泄流實驗，通過測量不同工況流量下堰上水頭值，繪出過水流量（Q）和堰上水頭（H）的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，在相同流量下，隨著交角的增大，堰上水頭減小，堰的泄流能力越強。但交角不是越大越好，在流量增大的情況下，堰上水頭增加較平緩，但下游水流流態(tài)如何，是否會產(chǎn)生較大的泡沫污染，要進一步結(jié)合下游水流流態(tài)分析。水流流態(tài)分析：若堰頂高程較高，水流在虹吸井堰后大量氣體摻雜，形成大量泡沫，對環(huán)境影響極大[5]。針對上述問題，結(jié)合薄壁堰泄流試驗，試驗裝置和結(jié)果見圖1和圖2，分析虹吸井內(nèi)的水流形態(tài)及泡沫輸移情況，優(yōu)化虹吸井的水力性能。觀察薄壁堰泄流試驗出水水流狀態(tài)，在自由出流情況下，斜交堰交角由30°增大到60°時，水流沖刷趨于劇烈，下游水流紊動性增強，產(chǎn)生的泡沫量也越多。結(jié)合流量-水頭曲線，從泄流能力和泡沫污染綜合考慮，初步擬定交角略大于30°的斜交堰。

圖1 薄壁堰泄流模型示意圖

圖2 不同交角過水流量與堰上水頭關(guān)系

2.2 設(shè)計計算

堰高CH：根據(jù)火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范（DL/T 5339-2006），取堰上水頭H=0.6m，初步設(shè)定虹吸高度為7.0m，已知凝汽器頂端水面高程為＋5.5m，則可假定虹吸井內(nèi)的水面標(biāo)高為1.5m，則堰高（CH）＋堰上水頭（H）＝7.5m，得出堰高CH＝7.5－0.6＝6.9m。

流量系數(shù)m0：本工程排出口臨江，水頭損失小于2m，則堰后水位：56.58＋2＝58.58m，堰上水位：62.20＋0.6＝62.80m，堰上水位大于堰后水位，根據(jù)火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范（DL/T 5339-2006），則可得出此堰屬非淹沒堰，經(jīng)計算CH≥0.5H，H≥0.1m，則可得出堰的流量系數(shù)：

虹吸井尺寸確定：

其中，b為溢流堰的寬度，單位為m；k為修正系數(shù)；q為流量，單位為m3/s；g為重力加速度，單位為m/s2；其余參數(shù)同上。將上述參數(shù)結(jié)合（1）式和（2）式進行擬合試算，最終得出按夏季堰上水頭H=0.61m，CH=6.9m，確定斜交堰的角度α=34°，溢流堰的寬度b=21.633m，虹吸井長L=20m，寬B=9m。虹吸井平剖面圖如圖3和圖4所示。

圖3 某電廠廠區(qū)虹吸井平面布置圖

2.3 設(shè)計優(yōu)化分析

經(jīng)濟性優(yōu)化分析：在非淹沒出流條件下對不同角度的堰型進行比較，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，隨著角度的增加，虹吸井的寬度逐漸增大。受實際場地影響，井寬過大，虹吸井占用場地太多，施工量和成本增加，從工程的經(jīng)濟性考慮不宜采用大角度斜交堰。

環(huán)保性優(yōu)化分析：虹吸井自由出流時，產(chǎn)生劇烈的水汽摻雜現(xiàn)象，排水口泡沫污染嚴(yán)重。從水力特性物理模型試驗看出，當(dāng)斜交堰交角逐漸增大時，水流紊動性增強，堰后水流恢復(fù)常態(tài)的距離逐漸加大，產(chǎn)生的泡沫量加大。許多電廠為了消除泡沫引起的感官污染，常在排水系統(tǒng)中投加消泡劑。這樣不僅增加了電廠的運行費用，而且消泡劑又會對受納水體環(huán)境產(chǎn)生二次污染[6]。從環(huán)境保護的方面考慮，虹吸井交角不宜過大。

圖4 某電廠廠區(qū)虹吸井剖面圖

表1 虹吸井設(shè)計尺寸比較

安全性優(yōu)化分析：虹吸利用高度越高，經(jīng)濟效益越顯著。如虹吸井其他尺寸不變，將該電廠虹吸井的虹吸利用高度增加1m，則水泵揚程勢必要減少1m。按年利用小時數(shù)5 000計算，廠用電價取0.4元/千瓦時，則兩臺機組水泵年運行節(jié)約的費用：，其中，K為安全系數(shù)；γ為水的容重，kg/m2/s2；Q為水泵流量，m3/s；H為水泵揚程，m；η為水泵軸效率。由此可以看出，虹吸高度增加1m，該電廠年運行費用可節(jié)約約72.90萬元。但從安全性考慮，虹吸利用高度并非越高越好。由于循環(huán)水管是封閉空間，循環(huán)水排水口離凝汽器排水口距離超過10m（一個大氣壓的水柱），就會導(dǎo)致循環(huán)水回水管路斷流，后果很嚴(yán)重。為使回水能夠順暢流動，循環(huán)水泵就會多做功，從而多耗費電量，效果適得其反。根據(jù)以往工程實際效果來看，從安全性分析，虹吸利用高度一般采用7m。

綜合上述3方面優(yōu)化分析，斜交堰的角度α=34o，虹吸高度7m的設(shè)計是合理的。

3 工程驗證與總結(jié)

虹吸井是電廠冷卻水排水系統(tǒng)中重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)的合理性不僅與其自身功能的實現(xiàn)息息相關(guān)，更直接影響到整個系統(tǒng)的安全高效運行。僅參照設(shè)計手冊得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)往往與工程實際場地不符，且對環(huán)境破壞大。本工程設(shè)計先在實驗室進行水力特性物理模型試驗，從泄流能力和泡沫污染綜合考慮，初步擬定交角略大于30o的斜交堰，在設(shè)計過程中從經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性對各設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化分析，確定虹吸井尺寸。本設(shè)計已完成施工并運行，經(jīng)過一段時間的觀察，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，泡沫污染小。采用虹吸井后，年運行費用可減少72.90×7=510.3萬元，說明本工程結(jié)合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是合理可行的，綜合設(shè)計布局合理。本工程設(shè)計結(jié)合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法避免了單純理論計算的缺陷，有較強的參考價值。