电厂循环水流道进口水力优化研究

第34卷第3期人民黄河Vol 34. No. 32012年3月YELLOW RIVERMar.,2012水剎水电工程】电厂循环水流道进口水力优化研究王二平,方进2,黄尊新(1华北水利水电学院水利学院,河南郑州450011:2.华北水利水电学院水利职业学院,河南郑州45001l3.京杭运河江苏省徐州航道管理站,江苏徐州221007)摘要:为减少占地、节省工程量,某电厂循环水流道初步设计选择平面弯曲、总体长度相对较短的曲线形布置形式。应用二维紊流模型进行敷值模拟,分析了流道曲线引水段弯道环流运动所产生的不利响,为遢制弯道环流运动、调整水流流速分布,对流道进口进行水力优化,将进口前沿冷却塔人宇柱支墩改造成导流墩,用以控导引水段水流运动。模型试验表明,该项措施能够有效梳理弯道段水流流向,均化流速分布,控导效奡可以满足要求。关键词:循环水流道;模型试验;曲线形引水段;弯道环流;导流墩设计中图分类号:TV674;Tv675文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2012.03.037Hydraulic Optimization Research on the Inlet of Circulating Water Channel of Power PlantWANG Er-ping, FANG Jin', HUANG Zun-xin(1. North China University of Water Resouroes and Electric Power, Zhengzhou 450011, China;2. Vocational College, North China University of Water Resouroes and Electric Power, Zhengzhou 450011, China;3. Xuzhou Electric Channel Management Station of Beyung-Hangzhou Grand Canal, Xuzhou 221007, ChinaAbstract: In order to reduce the area and save the amount of engineening, the form of large plane bending and relatively short overall length were比pqm+lant. Two-dimensional turbulent model was used to simulate, antrance 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 transformed into the diversion pier to control the water low 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 cotrol effect can meet the requirements.Key words: cyclical water flow channel; model test; curved diversion section: helical dlow; diversion pier design循环水泵进水流道是连接火电厂冷却塔集水池与循环水口前沿的支墩改造成导流墩用以梳理引水段弯道水流流向泵吸水池的过渡段,一般由引水段前池段及吸水池段等部分均化水流单宽动量分布。组成。在循环水流道布置时,受地形、建筑物等条件限制,或为了节约用地有时需要将其布置成弯道形式。此时弯道水流的1工程概况环流运动会使单宽动量沿过流断面分布不均匀,尤其在多台水某拟建大形火电厂单台机组装机容量为1000MW,循环泵共用同一引水段的情况下,进入各泵室吸水池的单宽动量难水系统为一台机组配三台循环水泵及一座自然通风冷却塔。以均衡流态不稳定,水位波动大,将影响水泵正常工作。为改为了减少占地便于管理初步设计将循环水流道布置呈倒L善弯道水流流态促使各泵室吸水池均衡人流需要在引水段形(见图1)。其中引水段为圆弧形,平面转角达50°,进口断面采取控导措施调整过流断面动献分布使之满足水泵正常工作宽2583m,末端断面宽1.00m:前池及吸水池各泵室分开设的要求。另外,为满足通风对流需要,冷却塔筒壁底部通常采置。吸水池正常工作水深为785m。循环水泵运行方式为夏用开敞式结构;为支撑上部筒壁沿冷却塔集水池四周设置人季与春秋季三台泵运行单泵流量为10m3/s冬季两台泵运字柱及支墩支墩高度一般大于集水池水深间距5-9m不等。行单泵流量为1lm3/而流道进口宽度往往超过支墩间距,在流道进口前沿一般有若干个支墩根据支墩所在位置与间距,通过水力优化,可以将其收稿日期:2011-0530改造成具有导流功能的导流墩,用以调控弯道段的水流,实现作者篇介:王二平(1960一),男,河南瘁州人,教投,主要以事水力学及河流动各泵室吸水池均衡来流条件。力学教学与研究工作。笔者在某典型电厂循环水流道布置方案研究中将流道进人民黄河2012年第3期算区域,计算网格采用025mx0.25m。整个计算区域纵向网格节点数为541横向网格节点数为280。2.2流道数值模拟结果分析A-A选取夏季三泵运行方式进行水力数值模拟,可得到计算流场各节点的水位与流速矢量。分析整个流场流速矢量可以看出,流道进口右边墙转角过大(超过135°),受惯性作用水流不能及时扩散在转角下游水流与边界分离,形成较大面积的回女國面流区。同时整个引水段水流流态受弯道环流的影响比较显著冷却塔集水池在引水段末端流态素乱,流速分布很不均匀,导致前池入流不03(08563)图1初步设计方案流道布置(单位:m)顺畅,水流进入前池的流向与流道轴向不一致,存在夹角,尤其冷却塔集水池半径为71.15m,正常工作水深为1.80m。是与1·流道的夹角较大。当水流进入前池斜坡段时,受来流偏其人字柱支墩等间距设置在与边界相距3.85m的圆周上,该向及流速分布不均匀的影响,在分流墩两侧形成不对称绕流旋圆周半径为6730m,相邻支墩中心点间距为880m。在流道,其中13流道的绕流旋涡较大在墩后8-10m才基本恢进口前沿共有4个支墩,其中正面2个侧面2个,支墩为矩形复。进入吸水池平坡段后,流速分布有所调整,但同一过水断断面,尺寸为2.0mx2.7m,高2.5m。面流速分布仍很不均匀,在水泵前沿最大垂线平均流速与断面平均流速之差达0.4m/s,超过了吸水池内流速限制要求4。初步设计方案水流特性分析水深计算值表明,引水段凹岸水深普遍高于凸岸,在引水段末端两岸水深相差0.16m,造成各个吸水池水深不一致,其中3对比常规电厂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1·吸水池0.09m。此外,在流道进口支墩弯曲角度较大流道相对较短弯道段与前池之间缺少直线过处也出现较大的绕流旋涡使下游较大范围出现水面波动,增渡段同时通过的流量较大水流宽浅。结合类似流道布置方强了水流的紊动性案研究的经验2),初步认为水流流经弯道时,在离心惯性力的数值模拟结果说明典型电厂流道布置方案不满足吸水池作用下可能会显著影响单宽动量分布进而影响与前池段的顺均衡来流要求,无法保证循环水泵正常、高效运行。若要改善畅衔接导致泵室吸水池入流不均衡。为了定量分析流道水流流态则必须采取控导措施。的流动状况及其影响,同时考虑到流道宽浅,水力要素沿垂直方向的变化要远小于水平方向的变化其流态水力要素可用3流道进口水力优化沿水深的平均值来表示,因此拟采取平面二维紊流数学模型进行模拟分析。根据引水段弯道水流运动特性结合循环水泵正常运行所2.1平面二维紊流数学模型要求的水流条件,若采用导流墩控导水流,则应达到以下要求:二维紊流数学模型的控制方程包括水流连续方程与水流①控制弯道水流流态,消除或削弱弯道环流的影响;②使导流运动方程。基本方程由三维时均雷诺方程沿水深积分得到,在墩间的动量分配较均匀;③水流出弯后流速分布基本恢复正运动方程中以混长紊流模型求解紊动切应力。模型计算区常,单宽动量分布比较均匀;④结构简单便于施工。域由冷却塔集水池、流道引水段、前池段及吸水池段组成;模型典型电厂流道进口前沿共有4个支墩,分析支墩所处的位置,可以把位于流道进口前沿中部的2个支墩改造成导流墩,边界由流道固体边壁、自由水面、上游进口断面和流道出口断面组成。其中进口边界采用集水池设计水深18m控制;固体而位于进口两侧的支墩处于边缘甚至超出进口边界的外缘(左侧墩),不宜作为导流墩进行改造。同时,改造支墩还应以边界因为壁面速度为零,所以近壁区采用标准壁面函数模拟出口边界采用水泵运行流量控制。采用非结构化网格剖分计不降低其原有的支撑能力为原则,即在保持支墩间距不变、结算区域用有限体积法进行控制方程离散。为了较好地反映流构面积不减少的前提下,通过延伸支墩墩体沿水流方向的长道边界满足计算精度要求,对于一般计算区域,计算网格可以度,塑造流线形体形,使其具有控导弯道水流的功能。下面对图2中A墩B墩的体形及参数进行优化采用0.5mx0.5m或0.25mx0.50m;对于模拟精度要求较高的计前池段吸水池段R01t0110)0=(1486,760)0为2(01484)0h(1424,345)魯O1(0863)冷却塔集水池04(41814)R1500(6831395)2导流墩布置(单位:m)人民黄河202年第3期(1)体形。从平面上看A墩、B墩均设计成首端大尾端股虽然没有受到导流墩的作用但流线曲率半径大受到的离小的流线形其目的是通过墩体对水流施加侧向作用力控导心惯性力作用较小,横向运动相对较弱。流过导流墩后,三股水流以渐变方式改变流向遏制水流横向运动使弯道段末端水流汇合右侧及中部水股偏于凸岸的流动削弱了离心惯性流速分布基本正常。导流墩的上游端为矩形支墩的外接圆弧,力引起的横向运动,水流流动过程中流向及流速分布逐步调直径为3.36m(支墩矩形截面对角线长度);导流墩墩体为实整,至引水段末端流态已基本恢复正常。尤其1流道的进流条心墙,支墩包含其中,其体形由两段不同半径且与曲线引水段件大为改善。伴随流态改善引水段水面横比降有效降低,在引基本相似的圆弧构成。其中A墩外侧圆弧段半径为1784m,水段末端断面实测左右岸水深分别为1.67m与1.70m,两者内侧圆弧段半径为1.50m;B墩外侧圆弧段半径为16.06m,相差小于3%。流态及水深的改善使水流进入前池的单宽动量内侧圆弧段半径为1352m。这4段圆弧的圆心位置由通过1分布趋于均匀。导流角方案二的流速观测结果见图4。由图4流道外边墙壁面与前池分流墩前沿断面所建立的平面直角坐可见,夏季三泵运行时,水流进入前池比较顺畅,吸水池来流均标系来确定。墩的末端均为半径为077m的圆弧。衡流速分布基本对称。从前池入口至滤网前,断面平均流速(2)增体长度。从导流墩对水流的控导作用来看,加大墩由1.6m/s左右逐渐降低至0.8m/s左右。进入滤网后流速进体长度将有效提高控导效果但为了节省工程量也不宜过大。一步降低垂线平均流速一般为0.35m/s左右,分布比较均为达到控导水流的预期效果,弥补墩体长度的不足,在墩体长匀未出现回流旋涡等不利流态。在冬季两泵运行时,1°与3度一定的情况下,可通过调整墩体与水流的夹角来实现。这流道过流流态与流速分布与前者基本相似。两种工况下吸水里,A墩、B墩中心线弧长均取9.65m。池的流态、流速分布及断面平均流速值均满足规范要求。(3)导流角。导流墩为曲线形来流与墩体的夹角处处都①②不相等为方便分析这里定义导流墩中心线在支墩原截面形心点的切线方向与来流方向的夹角a为导流角(见图3),并近似认为来流方向与通过流道进口断面中心点的径向平行。同039时,考虑到流经弯道内侧(凸岸)的水流因流线曲率半径小,受到的离心惯性力大于流经外侧(凹岸)的水流故位于内侧的A朋网日038墩导流角应适当大一些。这里取A墩导流角大于B墩3.5°并分别考虑了3种导流角布置方案:方案一,A墩导流角为295°,B墩导流角为26°;方案二,A墩导流角为36°,B墩导流图4方案二观测断面垂线平均流速分布(单位:m/s)角为325°;方案三,A墩导流角为425°,B墩导流角为39°导流角方案一和方案三,或者墩体与来流夹角偏小,对水(4)进口边墙及两侧支墩的修改。将进口右侧边墙上延至流施加的侧向作用力度不够,未能有效遏制引水段弯道环流运右侧支墩处使其转角不超过60°,以避免流线与边界分离,消动水面横比降及流速分布调整不充分在3流道前沿水深仍除回流现象。为了进流顺畅减小绕流阻力,对流道进囗两侧偏大,流速偏小;或者墩体与来流夹角相对偏大,导致流道前的支墩断面及左侧边墙进行圆化处理。沿水深偏大,流速偏小。此外,对于导流角布置方案二还进行了冷却塔低水位运行(15m<水深<1.8m)、水泵突然关停与突然开启等非正常工况下的试验观测,内容包括水流流态、水速分布、水位波动等,观测结果均满足规范要求。人A撒(或B5结语图3导流角在电厂循环水流道布置中,为减少占地选择平面弯曲、总体长度相对较短的曲线形布置是有效途径。研究表明对曲线4导流墩控导水流的实际效果形流道在进口处设置导流墩,可以梳理弯道段水流流向,均化流速分布。该项措施挖导水流的效果能够满足要求。结合冷通过物理模型试验对导流措施的实际效果进行检验与分却塔人字柱支墩结构布置的特点将流道进口处支墩改造为导析。根据重力与紊动阻力相似的原则进行模型设计,几何比尺流墩,措施简单,同时不降低支墩原有的支撑能力技术上可取λ=17,釆用有机玻璃制作模型。为研究问题的需要从流行。以上水力优化措施已经应用于典型电厂流道中。道前池到吸水池泵室前沿共布设了5个测速断面流速测量采用ADⅤ流速仪及旋桨流速仪。参考文献:按照夏季三台泵运行、冬季两台泵运行分别进行放水试(1】孙东坡,王二平,宋永军,寧100W典型电厂循环水泵渡道试验研究验重点对流道的流态、特征断面流速分布等进行观测。试验[R].郑州:华北水利水电学院,2007观测表明,在各种运行工况下,从流道进口直至吸水池的整个[2]王二平丁泽,王靖新密电厂诵环水流道体形优化研究[J].人民黄河流动过程中,水流基本顺畅,没有出现水流与边界分离现象在3种导流角布置方案中,方案二的流态最佳。模型试验中看[3]金忠青N-S方程的数值解和素流模型[M].南京:河海大学出版社到水流在流道进口处被导流墩分为三股位于右侧及中部的(41)国家电力规划设计总院DLC10-19火力发电厂循环水泵房进水流通水股受导流墩体的侧向作用沿着导流墩的控导方向流动流向及其布置设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,199偏于凸岸;而位于左侧的水股受边墙的约束沿边墙流动该水【责任编辑张华岩】