火電廠循環水系統高位集水池水面波動數值模擬研究

杜晨曲， 徐國賓， 翟 晶

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092)

1 研究背景

高位集水池是火電廠高位收水冷卻塔的一個重要組成部分，其主要作用是將冷卻水收集并平順地引至循環水泵房，為循環水系統創造良好的水力條件。當水泵同時啟動或同時事故停泵時，高位集水池水面會產生快速波動，若循環水系統設計方案不當，會造成水面迅速降低或水流溢出，嚴重影響循環水系統安全運行[1-5]。因此需要對循環水系統高位集水池在極端工況下的水面波動進行研究，通過對不同方案的結果進行分析，提出優選方案，以保證循環水系統安全運行[6]。

在對循環水系統進水流道進行三維流場模擬時，由于高位集水池段水面波動明顯，因此采用能夠反映自由液面波動情況的VOF法來追蹤自由液面的變化[7]。許兆豐等[8]在2007年利用VOF法對吸水池內后臺階流動進行模擬，模擬結果與實驗數據基本吻合；韓敬欽等[9]在2012年利用RNG 紊流模型模擬了泵房前池在極端工況下的水面波動；馬濤等[10]在2013年基于VOF法對泵站3泵運行1臺泵啟動的動態過程進行了模擬；高傳昌等[11]在2015年采用VOF模型對田山泵站進水池進行了三維流場計算，分析了不同水位及開機組合情況下泵站進水池的水流流態；楊震[12]在2015年利用VOF方法模擬了船舶進出船廂內的水體運動；戴熙武等[13]在2017年采用Realizablek-ε紊流模型耦合VOF法對分段低壓輸水系統進行二維數值模擬，分析了堰后水深對水面波動規律的影響，探討了在外加擾動作用下水面波動的規律。

綜合近幾年的研究，對于電廠循環水系統高位集水池段極端工況下的水面波動研究較少，因此有必要進行相關研究[14-17]。本文通過對某電廠新建循環水泵房入口流道的兩種方案進行三維流場模擬，分析啟動工況與事故工況下兩種方案高位集水池段的水面波動變化情況，比較兩種方案的合理性，提出優選的布置方案，為其安全運行提供技術保障，同時為其他相似工程提供技術參考。

2 數學模型及計算方法

采用文獻[18]中的RNG 紊流模型進行非定常流數值模擬，該模型考慮了平均流動中旋轉及旋流的情況，并能較好的模擬近壁區域。計算方法中，選用在CFD領域通用性和廣泛性最好的有限體積法作為求解水流流動問題的離散化方法[18]，對流項采用的離散格式是對結構網格和非結構網格適應性均較好的二階迎風格式，壓力-速度耦合關系采用適用于非穩態計算的PISO算法[19]，并且考慮重力影響，采用VOF法追蹤自由液面[20]。

3 幾何模型及邊界條件

3.1 幾何模型及網格劃分

某電廠新建2×1000 MW超超臨界燃煤發電機組，兩臺機組共建2座循環水泵房。該工程循環水泵按1機3泵單元制立式蝸殼泵方式配置，單泵流量10.42 m3/s，單泵揚程20.2 m，水泵功率2 700 kW。循環水泵房的布置形式共設計了兩種方案：方案I采用流道承壓式設計，方案II采用流道敞開式設計。

方案I類似肘形進水流道設計，計算區域包括：高位集水池、循環水回水溝、進水前池和進水流道。方案II按照鐘形進水流道設計，計算區域包括：高位集水池、循環水回水溝、進水前池、鐘形吸水室、導水錐及喇叭管、吸水管。其中兩種方案高位集水池、循環水回水溝段結構相同，高位集水池段長度為60.5 m。在進行流道計算時，流道與泵的設計是相互分離的，因此并未考慮泵及導葉對進水流道的影響。出口閥門設在水泵吸水管尾部即蝸殼泵入口處，盡可能將模擬閥門地點與實際地點相接近，圖1為兩種方案入口流道模型圖。

方案I的模型網格除在進水口分流墩周圍和漸變段采用非結構化網格，其余部分均采用結構化六面體網格。壓力回水溝及進水前池的網格尺寸控制在0.3 m以內，吸水室及吸水口的網格尺寸控制在0.1 m以內，正常運行水位(14.4 m)下的模型網格數約為100×104。方案II的模型網格劃分準則與方案I相同，壓力回水溝進水前池的網格尺寸控制在0.5 m以內，吸水室及吸水口的網格尺寸控制在0.1 m以內，正常水位(14.4 m)下的模型網格數約120×104。兩種方案模型網格圖如圖2所示。

3.2 邊界條件設置

進口邊界給定壓力進口，利用UDF賦予水流進口按靜水壓強分布，空氣入口賦予大氣壓強；出口邊界設置出流邊界，利用UDF分別賦予啟動及事故工況下閥門的啟閉規律。由于最大涌高及最大水面下降分別發生在各運行泵同時事故停泵或同時啟動時，因此，這里僅計算3臺泵并聯運行同時啟動及事故工況，計算水位為正常運行水位(14.4 m)，進口流量為31.26 m3/s。閥門的開啟和關閉規律根據流道及設備參數確定，水泵閥門開啟規律采用一段直線規律，閥門總有效開啟時間為20 s，各水泵出口流量以0.521 m3/s的幅度增加，流量由0線性增加到10.42 m3/s。水泵突然事故停泵時出口閥門總有效關閉時間為50 s，關閉規律為0～5 s內，各水泵出口流量以0.696 m3/s的幅度減小，由10.42 m3/s線性減小到6.94 m3/s，5～50 s內，各個出口流量以0.1542 m3/s的幅度減小，由6.94 m3/s線性減小到0。

壁面處理采用無滑移固壁邊界條件，近壁面采用標準壁面函數來處理[21]。

4 啟動工況數值模擬與分析

分別模擬兩種流道方案在3臺泵并聯運行同時啟動工況下，流道出口閥門開啟0～20s過程中高位集水池的水面波動及水面線變化情況。

4.1 高位集水池水面波動

圖3為方案I與方案II在3臺泵同時啟動歷時3、5、10、15、20 s的高位集水池水面高程云圖。由圖3(a)可以看出，隨著進水流道出口閥門的開啟，高位集水池中的水逐漸流入壓力回水溝，方案I水面沿程逐漸降低，隨著出口閥門的不斷開啟，集水池末端水位開始升高，當末端水位達到最高時，水面涌高又開始向進口推移，末端水位又開始降低，水面一直難以穩定；20 s后水面仍處上下波動狀態。

由圖3(b)可看出，方案Ⅱ在3臺泵同時啟動過程中，高位集水池的水面波動變化規律與方案I類似，但隨著出口閥門不斷開啟，集水池末端水位涌高并不明顯。

4.2 高位集水池水面線

以高位集水池的軸線為x軸，以高程為z軸，提取不同時刻高位集水池縱剖面的水面線。同時，分別在兩種方案的高位集水池末端設置監測點，便于分析集水池末端水位隨時間的變化情況，水面線及監測點提取布置圖如圖4所示。

圖1 兩種方案入口流道模型圖

圖2 兩種方案入口流道網格圖

啟動工況下，不同時刻兩種方案高位集水池縱剖面的水面線對比情況如圖5所示。參考水面高程為正常運行水位14.4 m，圖中橫坐標為起點距，等于圖4中的x坐標值，縱坐標為水位。限于篇幅原因，此處僅列舉了兩種方案水面最大降低和水面最大涌高發生時刻的水面線對比圖，事故工況下的水面線對比圖于此處相同，不再贅述。監測點處水位隨時間變化情況如圖6所示。

由圖5和6可知，閥門開啟12 s內，兩種方案高位集水池水位均沿程逐漸降低，但方案II水位降低值較小。兩種方案高位集水池段最大水面降低均出現在集水池末端，方案I高位集水池最大水面降低值0.162 5 m發生在閥門開啟12 s時，方案II高位集水池最大水面降低至0.140 2 m，發生在閥門開啟10.94 s時。閥門開啟12～17 s時，兩種方案高位集水池末端水位均開始逐漸升高，但是方案I末端水位升高值遠大于方案II。閥門開啟17～20 s時，方案I高位集水池末端水位迅速降低，而方案II高位集水池末端水位卻處于微小波動狀態。閥門開啟17 s時，方案I高位集水池最大水面涌高出現在集水池末端，其值為0.646 8 m，涌高超過0.6 m的時間小于1 s，閥門開啟19.64 s時，方案II高位集水池最大水面涌高出現在進口附近(x=12 m處)，其值約為0.03 m。

同時由模擬結果及圖6可知，方案I高位集水池段水位存在劇烈波動，其集水池末端水位最大波動差值達到了0.809 3 m，而方案II高位集水池段水位雖然也有波動，但波動強度低，其集水池末端水位最大波動差值約為0.170 2 m。

5 事故工況數值模擬與分析

分別模擬3臺泵并聯運行同時事故停泵工況下，事故閥關閉0～50 s過程中，方案I與方案II高位集水池的水面波動及水面線變化情況。

5.1 高位集水池水面波動

圖7為方案I與方案II在3臺泵并聯運行同時事故停泵，事故閥門關閉歷時10、20、30、40、50 s的高位集水池水面高程云圖。

圖3 兩種方案啟動動態過程中水面高程云圖

圖4 水面線及監測點提取布置圖

圖5 啟動工況下不同時刻兩種方案高位集水池水面線

由圖7(a)可知，閥門開始關閉后，方案I高位集水池水位仍沿程逐漸降低，最大水面降低出現在高位集水池末端，但隨著壓力回水溝內的水回流到高位集水池，集水池末端水位開始逐漸涌高，大約歷時15 s，集水池末端涌高水位達到最大，之后又由末端向進口處推移，水面波動強度隨著循環次數的增加而不斷降低，閥門完全關閉后高位集水池內水面仍處于循環波動狀態。

由圖7(b)可知，方案II高位集水池的水面波動規律與方案I相似，但水面波動強度遠低于方案I，閥門關閉歷時約10 s，高位集水池末端涌高水位達到最大，集水池末端水位涌高較方案I更快，但涌高值較方案I更小，隨后水位涌高又由集水池末端向進口處推進，至閥門完全關閉時，集水池深水面一直處于循環波動狀態。

5.2 高位集水池水面線

事故工況下，不同時刻兩種方案高位集水池縱剖面的水面線對比情況如圖8所示，監測點處水位隨時間變化情況如圖9所示。

圖6 監測點處水位波動

圖7 兩種方案閥門關閉動態過程中水面高程云圖

由圖8和9可知，事故工況下，方案I高位集水池水位在閥門關閉0～3 s內仍沿程逐漸降低，最大水面降低值0.493 9 m出現在閥門關閉3 s時，位置處于集水池末端，之后高位集水池末端水位逐漸升高，進口處水位逐漸降低，在閥門關閉13.86 s時，水面涌高值達到最大為0.646 8 m，位置同樣處于集水池末端，涌高超過0.6 m的時間小于1 s，之后高位集水池末端水位處于上下波動的循環狀態，循環周期約為20 s，波動強度隨循環次數的增加而不斷減弱，啟動工況與事故工況下，方案I高位集水池水面最大涌高值相同，但事故工況下的水面最大降低值較啟動工況更大，事故工況下，方案I高位集水池末端水位最大波動差值達到了1.140 7 m，高位集水池水面波動較啟動工況更為劇烈。

同樣由圖8與圖9可知，閥門關閉0～8 s內方案II高位集水池末端水位逐漸升高，閥門關閉8 s時末端水位涌高達到一個峰值為0.159 9 m，隨后開始降低。閥門關閉18.61 s時水面降低值達到最大為0.126 1 m，出現位置處于集水池末端，之后高位集水池末端水位處于上下波動的循環狀態，循環周期與方案I相同約為20 s。閥門關閉30.04 s時水面涌高值達到最大為0.218 5 m，位置同樣處于集水池末端,高位集水池末端水位最大波動差值達到了0.344 6 m。

方案II在啟動工況與事故工況兩種工下的最大水面降低值相差不大，但事故工況下的最大水面涌高值遠大于啟動工況，說明方案II事故工況下高位集水池水面波動較啟動工況同樣更劇烈。

圖8 事故工況下不同時刻兩種方案高位集水池水面線

圖9 監測點處水位波動

6 結 論

本文基于RNG 紊流模型結合VOF法并通過UDF給定瞬態邊界條件，對某電廠循環水泵房入口流道的兩種設計方案，在啟動工況及事故工況下高位集水池的水面波動變化進行了計算研究，通過對計算結果的分析，可以得到以下結論：

(1)啟動工況及事故工況下，方案II流道開敞式布置形式下的高位集水池段水面波動變化過程均優于方案I流道承壓式，這是因為與流道承壓式布置形式相比，流道開敞式布置形式增加了鐘形吸水室的自由水面，其面積越大，高位集水池水面波動幅度越小。因此在施工條件和投資允許的情況下，建議采用方案II流道開敞式布置形式。

(2)若采用方案I流道開敞式布置形式，考慮到高位集水池段安全超高僅為0.6 m，方案I啟動及事故工況下最大涌高已經超過安全超高，會造成水流溢出，溢出時間小于1 s。為了防止水流溢出造成工程事故，可以將安全超高增至0.8 m。

(3)在著重考慮高位集水池段在啟動及事故工況下，其水面波動可能對工程安全運行存在嚴重威脅時，流道開敞式的鐘形進水流道較流道承壓式的肘形進水流道更能減弱對高位集水池段的水面擾動，從而減少了影響工程安全運行的不利因素。