沿海电厂循环水泵流道的水力特性及优化研究

水利水电技术第42卷2011 年第7期沿海电厂循环水泵流道的水力特性及优化研究韩敬钦，宫俊亭，高德申(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013)摘要:结合防城港电厂工程，对循环水泵流道进行了物理模型试验，重点研究了流道的水力特性，包括引水沟来水的扩散消能特性、旋转滤网及吸水室的水流流态特征、吸水喇叭口进水断面的流速分布规律等。针对原设计前池扩散不充分、出流不均、泵体管外环流等问题，提出在前池扩散段设置消能横梁和在循环水泵中心线上游设置淹没胸墙等整流措施。该优化方案能有效阻断吸水室内的表面回流通道，起到改善流态和消能的作用，从而满足循环水泵的运行要求，并且能够有效节省土建投资。关键词:循环水泵;流道;流态;模型试验;水力特性;优化设计中图分类号: TV675文献标识码: A文章编号: 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和汽蚀，造成性能下降，甚至无法运行3.41。同时，1研究背景合理的设计方案对降低循环水泵房的土建费用也有大量研究成果表明，电厂循环水泵房进水流道重要的水力性能设计对循环水泵的性能和可靠性有很大中国煤化工，量4x600 MW,采影响，吸水喇叭口进水断面水流均匀是保证循环水FYHCNMHG.泵稳定运行的重要条件[1,2。如果流道设计不合理，收稿日期: 2011-03-28容易发生水面涡流或水中涡带，以致水泵发生振动作者简介:韩敬钦(1967-),男，山东日照人，高级工程师。98Water Resoures and Hyrpower Engnering Vol 42 No.7韩敬钦,等//沿海电厂循环水泵流道的水力特性及优化研究用扩大单元制直流供水系统，每台机组配备2台循环附近分别均匀地布置8条丝线，以丝线左右摆动方水泵，4台机组共用一座循环水泵房，泵房中采用侧向的水平投影角不大于10作为判断流态好坏的标面进水旋转滤网(网外进水网内出水)。为保证循环准。水泵流道具有良好的进水流态，使循环水泵具有稳定水泵叶轮室内的水流预旋强度采用四桨叶涡流计的运行条件,本研究将通过物理模型对循环水泵进水定性测量，计算公式为流道进行系统的水力特性试验研究，并结合试验结A= tan'(πD'n)果，优化原设计方案，提出合理的改进措施，保证循(240Qm)环水泵的安全运行。式中，A为预旋角(°); D为吸水管直径(m); n为涡流计转速( r/min); Qm为流量( m'/s)。2物理模型设计按相关文献601的要求,将A≤3°作为水流均匀分2.1相似条件布的标准。循环水泵流道模型试验选用比尺为1:10(λ,=3流道试验分析及优化设计10)的几何正态模型。试验模型范围包括部分引水沟及泵房前池、循环水泵房两流道、循环水泵出水在97%设计低潮位下，两机三泵运行工况的总管道三部分，其中循环水泵房前池及两流道按实际流量最大、水深小、Fr较大、水流相对较难调整，模拟，循环水泵出水管道进行简化模拟。初步设计本文即选取该工况作为原设计方案与优化设计方案的方案见图1。比选工况。3.1原方 案水力特性旋转滤网循环水泵原方案水流自引人沟进人循环水泵房前池后,<----海已虽然在前池扩散段没有形成明显的问流,但由于未能充分扩散，流速分布在横向上有所偏置，在进入旋转滤网间之前，呈外侧大、内侧小的分布，造成滤网后出口水流明显偏向一侧，在吸水室内形成绕图1初步设计方案流道平 面布置水泵泵体的管外环流。在低水位加大流量情况下，吸水室后墙角出现大于二级的表面涡。表面出现间根据试验特点，相似准则主要考虑重力相似(佛歇性吸气涡，底部未加导流设施时，出现吸气水内汝德数相似)和阻力相似，即涡，可以观察到明显的空心涡管，加导流设施后,(Pr),=(u/J(gh),=1吸气水内涡消失。从喇叭口和叶轮室进口附近的丝λn=λL%线来看，两侧及后部丝线摆动强烈，吸水口附近的另外，为保证模型中涡流的相似，采用增大模型流态较差。佛汝德数的方法进行观测，参考日本TSJ涡轮机协会分析流道内的流速分布可知，水泵吸水喇叭口附标准(2005年版)[5]的规定，表面涡流相似条件为近悬空高度处的流速分布非常不均匀，横向流速梯度λ,=λQ2较大。吸水喇叭口前缘八点的流速见表1,可以看λq=λZ2出，该剖面的相对流速偏差最大可达- 28% (测点试验中，考虑到模型比尺较小，并且采用该相似3)，该测点与平均流速的绝对偏差为-0. 28 m/s。并条件后，模型流量已放大到2倍,这与一-般水工模型且，喇叭口各测点流速的波动也较大,说明水流非常试验中通常采用的增大流量1.5~3倍(即1.5~3倍不稳定。的佛汝德数流速)一致，可以保证涡流模拟具有一定上述分析表明，在原设计方案下，循环水泵房流的安全裕度。道内的流速分布形态较差，旋转滤网后水流发生强烈2.2 量测仪器及方法和管外环流，水流试验供排水为一自 循环系统。流量由矩形量水的稳IYH中国煤化工足循环水泵的稳定堰测定，流速的测量采用红外光纤流速传感器，吸运行夏CNMHG水喇叭口内的流速则采用毕托管测量。采用丝线法3.2优化方 案设计及水力特性观察流态，即在吸水喇叭口周围及水泵叶轮室进口针对原设计方案在试验中发现的问题，优化方案水利水势券藪誊2011年第7期9韩敬钦,等//沿海电厂循环水泵流道的水力特性及优化研究表1原方案喇叭口前缘八点流速吸水喇叭口前缘八点的流速如表2所列，可以看测点编号流速/m.g-!相对偏差/%出，优化方案下相对流速最大偏差为-12%(测点4),该测点与平均流速的绝对偏差仅为-0.09 m/s,二者0.79-181. 083均远小于原方案的偏差值( -28%，-0. 28 m/s)。0.68-28表2优化方案喇叭口前缘八点流速1.011.00流速/m.g-'1.20260.98-30.75220.95 .-6190. 89-1平均0.960.90主要从以下两方面进行改进:一是在前池设置消能均1.041.11流的辅助设施以改善扩散不充分、出流不均匀等问.1. 121题;二是根据工程需要在循环水泵前部流道内设置相0.99关整流设施以进-步改善流态和消能。通过- - 系列的改进，最终形成了以下优化方案: -是在前池扩散段选取吸水喇叭口上游距喇叭口中心线1. 0D、设置消能横梁，横梁高1.40m,宽0.5m,顶部安装2.OD断面的流速分布作为比较，两断面不同高度测高程-6.50 m,该措施可以起到较好的消能作用，以点的流速分布比较可见图3和图4，两断面喇叭口悬使引水沟来水在进人循环水泵房前池前均匀扩散;二空高度处的流速比较如表3和表4所列。是在距循环水泵中心线上游2 OD处(D为喇叭口直径,由图3和图4看出，原方案中两断面的流速分布下同)设置一道淹没胸墙，胸墙开孔高程-4.00 m,都比较杂乱，且偏差较大，而优化方案的流速分布更该措施可以有效阻断吸水室内的表面回流通道，降为均匀与稳定。低表面涡发生的机会。优化设计方案的平面布置见此外，对优化设计方案进行了其他工况的试验,图2。结果表明，吸水室内水面平稳，水位波动较小，双泵消能横梁旋转滤网淹没胸墙循环水泵运行工况下吸水室内没有出现明显的回流和管外环流，单泵运行工况下表面有回流存在，但并没有明显影响到水泵吸人口。从流速分布情况看,循环水泵房..8 r? 0.6-0.第02图2优化设计方案流道平 面布置-3.0-2.0-1.00102.0 3.0优化方案的试验结果表明，流道进口流速分布水平距离/m(a)原方案基本对称，滤网前内外侧进口垂向流速分布比较接0.8近，网后水流对称性也较好,吸水室内水面平稳，, 0.6水位波动较小，没有出现明显的回流和管外环流,也未发现大于二级的表面涡和水内涡。从示踪丝线02来看，无论是喇叭口周边还是叶轮室进口附近，丝3.0-20-10010203.0线摆动幅度均不大于10°,双泵运行时，两流道内丝线摆动基本对称且时间上也基本同步。加大流.中国煤化工量(2倍的佛汝德数流量)后，观测吸水室内旋涡，MYH.CNMH G_-43m未发现大于二级的表面涡，也未观察到吸气水内+13 m。-3.3m→5.3m呙。图31. 0D断面垂向各测点流速比较100_水利水电技术第42卷2011 年第7期韩敬钦,等//沿海电厂循环水泵流道的水力特性及优化研究0.8布横向偏差很小，最大偏差14%(2.0D断面，5号; 0.6点)，此时流速的绝对偏差仅为0. 04 m/s。0.4-3.3经济效益分析第0.根据循环水泵房进水流道的设计规范["”,对于0 -20-100 1.0 20 3.0网外进水网内出水、侧向布置的旋转滤网，若不采水平距离/m取合适的整流措施，清污设备至吸水池后墙的距离(a)原方案宜采用9倍喇叭口直径，使流道中水流有一个稳定过程。这样，本工程前池的长度应比优化方案长.的05.75 m。经计算，与优化方案相比，非整流方案的。0.40.4态循环水泵房及前池需多用混凝土约3000 m',土方第02开挖约多10 000 m'，土建工程投资约多500万元3.0 -2.0 -1.001.0 20 3.0(不包括占地费用)。(b)优化方案4结论→底部→23m -←4.3m-1.3m -3.3m- + - 5.3m(1)通过循环水泵流道的物理模型试验，对引水沟来水的扩散消能、旋转滤网及吸水室的水流流态、图4 2. 0D断面垂向各测点流速比较吸水喇叭口进水断面的流速分布等水力特性进行了试验研究与分析，提出了在前池扩散段设置消能横梁和表31. 0D断面喇叭口悬空高度处流速比较在循环水泵中心线上游设置淹没胸墙等整流措施,并方案测.原方案优化方案给出了优化方案。点编号流速/m.g-1偏差/%流速/m.g-1偏差/%(2)试验研究结果表明，优化方案不仅可以有效0.16-560.40地解决原设计方案的不足，有利于循环水泵的安全稳0. 165定运行,并诃节省循环水泵房的土建投资约500万0.350.33-10.57560.37-元。该试验成果可为类似工程的设计提供参考。0.59510.39(3)该电厂一期工程2台机组已于2007年全部平均0. 38投产，截止目前运行良好。2009年，该地区发生风暴潮，最大波高达3.40 m，循环水泵房前池波高不表42.0D 断面喇叭口悬空高度处流速比较到0. 20 m,吸水室内水流的稳定性较好，能够满足方案测循环水泵的运行要求。流速/m.s-1偏差/%|流速/m.s-'参考文献:-440.32100.300. 26[1]西北电力设计院。 电力工程水务设计手册[M].北京:中国电0.270. 25力出版社，2005: 331-332.363[2]吴持恭. 水力学(第4版)[M].北京:高等教育出版, 2008.14[3陆林广,张仁田，泵站进水流道优化水力设计[M].北京:中0.280.29国水利水电出版社, 1997[4刘丽君，谢伟东，江树荣，等.南水北调东线T.程刘山泵站进进水流道吸水室内水流基本均匀，吸水喇叭口附近流水流态整体模型试验研究[J].水利水电技术，2004(10): 70-速分布横向偏差较小，喇叭口前缘径向流速分布偏差73.小于17. 0%，喇叭口喉部轴向流速偏差小于5. 0% ,Japanese Mechanieal Engineer Asociation Pump House Intake Chan-nel Test Sundard[ M]. Japan: Japan Industy Pess, 2005.叶轮室内水流的预旋强度基本满足小于3°的要求。[6中国煤化工Sundard for Pump Intake总体来说，循环水泵房进水流道的优化设计方案可以很好地满足循环水泵的运行要求。fYHC N M H G聚房进水流道及其布置设可以看出，原方案的流速分布偏差较大，最大可计技术规定[S].达61%(1.0D断面，5号点)，而优化方案的流速分(责任编辑陈 小敏)水利水电技术第42卷2011年第7期101