燃煤電廠循環水進水流道布置形式分析

李鎖莊 張海勇 禹勝穎 王英偉

循環水泵是火電廠最重要的輔機之一,對電廠的安全運行起著十分關鍵的作用。而循環水泵站進水流道形式的合理選擇和設計,直接關系到流道內水頭損失的大小和流態的好壞,對循環水泵的安全高效運行和投資較省的泵房工程布置方案,起著非常重要的作用。優化的進水流道形式應該盡可能地減少吸水室內部的水力損失,盡可能地消除吸水池室內部的各種漩渦,能使循環水泵的水力性能得到充分發揮。同時,進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應滿足以下條件。

(1)機組各種不同運行組合工況下,水流平穩,水頭損失較小。

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

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

(4)不出現大于二級的表面凹陷漩渦、各種水內渦和邊壁渦。

本文從取水流道的進水前池、濾網室、吸水室3個方面入手,結合模型試驗成果對國內某些火電廠的取水流道布置形式進行分析研究。

1 進水前池

泵房進水前池的設置是保證水流能夠均勻平穩地進入吸水室,避免回流和漩渦的產生,進水前池的布置要求吸水室從前池正面取水、前池平面擴散較緩、底坡坡度較小。

臺山發電廠原設計方案進水池進口為圓弧形,在從較窄復式引水明渠進入較寬的泵站進水前池時,由于慣性力作用水流不能及時擴散,在兩側產生較大范圍的回流,在流道前不能形成均勻的進流條件。校核低潮位時,回流的最大負流流速達-0.74 m/s,伴隨著回流的產生,使部分進水流道前出現橫向流速,導致水流發生剪切作用,進一步誘導流道胸墻前形成漏斗形漩渦,回流和漩渦的存在使進水池的流態較為混亂。模型試驗優化方案將原復合明渠的出口圓弧連接改為扭曲面連接,并在出口下游設置3個品字形布置的三角形導流墩,使進水前池的流速分布比較平穩均勻,基本消除了回流和流道進口前的橫向流,流道的進流趨于均勻。

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

2 濾網室

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

漢川電廠一期工程于1990年1月建成發電,鑒于取水流道攔污柵的攔污、清污效果較差,電廠擬將正向進水的攔污柵改造成側向進水的旋轉濾網,以改善清污效果。通過模型試驗發現,濾網改造后流道內水流條件惡化,吸水室內水流不對稱,有進氣漩渦產生。試驗在網前進水孔內加分流板,使過網水流對稱,并在泵室內加設2 m高導流墻,使底層水流平穩均勻,吸水室內沒有漩渦產生。漢川電廠在改造后的實際運行中,流道內水流流態良好,機組運行正常,也證明了改造方案的合理和試驗成果的準確可靠。

側向進水旋轉濾網的不同布置形式也可以造成吸水池內流態的差異。青島黃島電廠旋轉濾網采用側向進水全框架導軌結構,下噴式沖洗,旋轉濾網名義寬度為3.5 m,濾網凈孔尺寸為6.43 mm×6.43 mm,網板名義高度為500 mm。試驗針對旋轉濾網為外進內出和內進外出兩種形式(見圖1)進行分析比較,提出最優進出水形式。

圖1 黃島電廠流道旋轉濾網布置形式

兩種方案旋轉濾網后擴散段末斷面流速分布對比見圖2。試驗結果表明,在外進內出方案試驗中,水流經進水閘、攔污柵、旋轉濾網、擴散段對稱均勻地進入吸水池,閘前與吸水管前0.7 m處的水頭損失為0.10 m,水流進入濾網前的最大流速為0.80 m/s,水流從左向右繞過吸水管形成一個循環回流區,偶爾只在取水流道的擴散段末有細小的表面凹陷漩渦產生,漩渦產生的頻率比較低,力度也比較弱。在內進外出方案試驗中,水流同樣對稱均勻地進入吸水池,流道內沿程水位變化較小,閘前與吸水管前 0.7m處的水頭損失僅為0.08 m,水流進入濾網前的最大流速為0.78 m/s,吸水池內水面稍有波動,偶爾只在取水流道的擴散段末有細小的表面凹陷漩渦產生。可見內進外出方案流速分布更對稱均勻,回流范圍也小。綜合看,內進外出方案比外進內出方案有一定的優越性,試驗最終推薦旋轉濾網采用內進外出的布置形式。

圖2 兩方案擴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,水泵吸水室應有一定長度,根據側向進水旋轉濾網的結構形式和《火力發電廠循環水泵房進水流道及其布置設計技術規定》的要求:吸水室長度(旋轉濾網出口至水泵吸水管軸線的距離)在沒有整流措施時應為9D(D為喇叭口直徑),有整流措施時可縮短至6D。

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

3.2 整流消渦設施

漩渦運動是最復雜的水流現象之一,如果在火電廠取水流道中,產生吸氣漏斗漩渦會給工程帶來危害。比如:降低循環泵引水能力、影響機組效率、加劇水流脈動、發生氣蝕、產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大于二級的表面凹陷漩渦以及各種水內渦和邊壁渦,在試驗中一些電廠取水流道中往往出現回流和漩渦等不利于工程安全的水流現象,這就需要布設整流消渦設施來調整改善水流流態。

臺山電廠取水流道旋轉濾網出口寬2 m,其下游以45°的擴散角與長14.8 m,寬6.5 m的吸水室相連。原設計方案吸水室內沒有整流消渦設施,水流在旋轉濾網以0.85 m/s的平均流速在2m寬的出口進入吸水室,在慣性力的驅使下,中間流速大兩側流速小,流速大的水體與流速小的水體發生剪切,在流道的兩側形成較強的回流,回流又進一步壓迫主流,使吸水室的水流更集中,加劇了水面的紊動。渦流試驗表明,水流在流道中部產生脈動吸氣漏斗漩渦,這將會引起水泵效率降低,產生氣蝕和機組震動。優化試驗根據原方案吸水室內水流特點,將旋轉濾網出口的擴散角由45°改為30°,針對原方案吸水室內上層水流的回流流速較大,下層流速分布中間大兩邊小,在旋轉濾網出口擴散段尾的-3.5 m高程以上設置實體胸墻,以下設置5個中間密兩邊疏大小不一的分流墩。優化試驗結果表明,水流通過旋轉濾網后,經30°擴散角均勻擴散,回流區域和強度都明顯見小；導流墩和胸墻的合理設置,使下層較集中的水流,經分流墩的作用,相對較均勻地進入吸水室；胸墻后形成回流,水流有一定紊動,但影響不大,吸水室內出現有二級表面凹陷漩渦,沒有水內渦及邊壁渦出現,可見優化方案比較合理。

吸水管喇叭口區域對水流的穩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流速均勻,每點與八點平均值的偏差小于±10%；吸水口的水流前旋角小于5°；不能出現水內渦和底部渦等。為了使吸水管喇叭口水流對稱均勻,防止漩渦的產生,通常在喇叭口附近布置導流消渦設施。青島黃島電廠吸水管下設置分流錐和導流隔板(見圖3),能夠減少吸水管前旋流強度,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),試驗證明也起到了良好的消渦作用。

圖3 導流隔板和分流錐

圖4 三角形阻渦板

4 結 語

(1)受自然條件制約某些電廠流道設計不能完全符合技術規定,但通過優化建筑物體型及增設整流設施,也可以滿足循環水泵取水要求。

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

(3)受引水工況、流道布置邊界條件、循環泵出力等因素作用,電廠取水流道內水流流態往往比較復雜,不利的水流現象可能對電廠的安全運行有很大的影響,必須通過物理模型試驗這一科學直觀的工具對設計方案加以驗證。