第34卷第3期人民黃河Vol 34. No. 32012年3月YELLOW RIVERMar.,2012水剎水電工程】電廠循環(huán)水流道進(jìn)口水力優(yōu)化研究王二平,方進(jìn)2,黃尊新(1華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院,河南鄭州450011:2.華北水利水電學(xué)院水利職業(yè)學(xué)院,河南鄭州45001l3.京杭運(yùn)河江蘇省徐州航道管理站,江蘇徐州221007)摘要:為減少占地、節(jié)省工程量,某電廠循環(huán)水流道初步設(shè)計(jì)選擇平面彎曲、總體長度相對較短的曲線形布置形式。應(yīng)用二維紊流模型進(jìn)行敷值模擬,分析了流道曲線引水段彎道環(huán)流運(yùn)動所產(chǎn)生的不利響,為遢制彎道環(huán)流運(yùn)動、調(diào)整水流流速分布,對流道進(jìn)口進(jìn)行水力優(yōu)化,將進(jìn)口前沿冷卻塔人宇柱支墩改造成導(dǎo)流墩,用以控導(dǎo)引水段水流運(yùn)動。模型試驗(yàn)表明,該項(xiàng)措施能夠有效梳理彎道段水流流向,均化流速分布,控導(dǎo)效奡可以滿足要求。關(guān)鍵詞:循環(huán)水流道;模型試驗(yàn);曲線形引水段;彎道環(huán)流;導(dǎo)流墩設(shè)計(jì)中圖分類號:TV674;Tv675文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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循環(huán)水泵進(jìn)水流道是連接火電廠冷卻塔集水池與循環(huán)水口前沿的支墩改造成導(dǎo)流墩用以梳理引水段彎道水流流向泵吸水池的過渡段,一般由引水段前池段及吸水池段等部分均化水流單寬動量分布。組成。在循環(huán)水流道布置時,受地形、建筑物等條件限制,或?yàn)榱斯?jié)約用地有時需要將其布置成彎道形式。此時彎道水流的1工程概況環(huán)流運(yùn)動會使單寬動量沿過流斷面分布不均勻,尤其在多臺水某擬建大形火電廠單臺機(jī)組裝機(jī)容量為1000MW,循環(huán)泵共用同一引水段的情況下,進(jìn)入各泵室吸水池的單寬動量難水系統(tǒng)為一臺機(jī)組配三臺循環(huán)水泵及一座自然通風(fēng)冷卻塔。以均衡流態(tài)不穩(wěn)定,水位波動大,將影響水泵正常工作。為改為了減少占地便于管理初步設(shè)計(jì)將循環(huán)水流道布置呈倒L善彎道水流流態(tài)促使各泵室吸水池均衡人流需要在引水段形(見圖1)。其中引水段為圓弧形,平面轉(zhuǎn)角達(dá)50°,進(jìn)口斷面采取控導(dǎo)措施調(diào)整過流斷面動獻(xiàn)分布使之滿足水泵正常工作寬2583m,末端斷面寬1.00m:前池及吸水池各泵室分開設(shè)的要求。另外,為滿足通風(fēng)對流需要,冷卻塔筒壁底部通常采置。吸水池正常工作水深為785m。循環(huán)水泵運(yùn)行方式為夏用開敞式結(jié)構(gòu);為支撐上部筒壁沿冷卻塔集水池四周設(shè)置人季與春秋季三臺泵運(yùn)行單泵流量為10m3/s冬季兩臺泵運(yùn)字柱及支墩支墩高度一般大于集水池水深間距5-9m不等。行單泵流量為1lm3/而流道進(jìn)口寬度往往超過支墩間距,在流道進(jìn)口前沿一般有若干個支墩根據(jù)支墩所在位置與間距,通過水力優(yōu)化,可以將其收稿日期:2011-0530改造成具有導(dǎo)流功能的導(dǎo)流墩,用以調(diào)控彎道段的水流,實(shí)現(xiàn)作者篇介:王二平(1960一),男,河南瘁州人,教投,主要以事水力學(xué)及河流動各泵室吸水池均衡來流條件。力學(xué)教學(xué)與研究工作。筆者在某典型電廠循環(huán)水流道布置方案研究中將流道進(jìn)人民黃河2012年第3期算區(qū)域,計(jì)算網(wǎng)格采用025mx0.25m。整個計(jì)算區(qū)域縱向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為541橫向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為280。2.2流道數(shù)值模擬結(jié)果分析A-A選取夏季三泵運(yùn)行方式進(jìn)行水力數(shù)值模擬,可得到計(jì)算流場各節(jié)點(diǎn)的水位與流速矢量。分析整個流場流速矢量可以看出,流道進(jìn)口右邊墻轉(zhuǎn)角過大(超過135°),受慣性作用水流不能及時擴(kuò)散在轉(zhuǎn)角下游水流與邊界分離,形成較大面積的回女國面流區(qū)。同時整個引水段水流流態(tài)受彎道環(huán)流的影響比較顯著冷卻塔集水池在引水段末端流態(tài)素亂,流速分布很不均勻,導(dǎo)致前池入流不03(08563)圖1初步設(shè)計(jì)方案流道布置(單位:m)順暢,水流進(jìn)入前池的流向與流道軸向不一致,存在夾角,尤其冷卻塔集水池半徑為71.15m,正常工作水深為1.80m。是與1·流道的夾角較大。當(dāng)水流進(jìn)入前池斜坡段時,受來流偏其人字柱支墩等間距設(shè)置在與邊界相距3.85m的圓周上,該向及流速分布不均勻的影響,在分流墩兩側(cè)形成不對稱繞流旋圓周半徑為6730m,相鄰支墩中心點(diǎn)間距為880m。在流道,其中13流道的繞流旋渦較大在墩后8-10m才基本恢進(jìn)口前沿共有4個支墩,其中正面2個側(cè)面2個,支墩為矩形復(fù)。進(jìn)入吸水池平坡段后,流速分布有所調(diào)整,但同一過水?dāng)鄶嗝?尺寸為2.0mx2.7m,高2.5m。面流速分布仍很不均勻,在水泵前沿最大垂線平均流速與斷面平均流速之差達(dá)0.4m/s,超過了吸水池內(nèi)流速限制要求4。初步設(shè)計(jì)方案水流特性分析水深計(jì)算值表明,引水段凹岸水深普遍高于凸岸,在引水段末端兩岸水深相差0.16m,造成各個吸水池水深不一致,其中3對比常規(guī)電廠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,在流道進(jìn)口支墩彎曲角度較大流道相對較短彎道段與前池之間缺少直線過處也出現(xiàn)較大的繞流旋渦使下游較大范圍出現(xiàn)水面波動,增渡段同時通過的流量較大水流寬淺。結(jié)合類似流道布置方強(qiáng)了水流的紊動性案研究的經(jīng)驗(yàn)2),初步認(rèn)為水流流經(jīng)彎道時,在離心慣性力的數(shù)值模擬結(jié)果說明典型電廠流道布置方案不滿足吸水池作用下可能會顯著影響單寬動量分布進(jìn)而影響與前池段的順均衡來流要求,無法保證循環(huán)水泵正常、高效運(yùn)行。若要改善暢銜接導(dǎo)致泵室吸水池入流不均衡。為了定量分析流道水流流態(tài)則必須采取控導(dǎo)措施。的流動狀況及其影響,同時考慮到流道寬淺,水力要素沿垂直方向的變化要遠(yuǎn)小于水平方向的變化其流態(tài)水力要素可用3流道進(jìn)口水力優(yōu)化沿水深的平均值來表示,因此擬采取平面二維紊流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析。根據(jù)引水段彎道水流運(yùn)動特性結(jié)合循環(huán)水泵正常運(yùn)行所2.1平面二維紊流數(shù)學(xué)模型要求的水流條件,若采用導(dǎo)流墩控導(dǎo)水流,則應(yīng)達(dá)到以下要求:二維紊流數(shù)學(xué)模型的控制方程包括水流連續(xù)方程與水流①控制彎道水流流態(tài),消除或削弱彎道環(huán)流的影響;②使導(dǎo)流運(yùn)動方程?；痉匠逃扇S時均雷諾方程沿水深積分得到,在墩間的動量分配較均勻;③水流出彎后流速分布基本恢復(fù)正運(yùn)動方程中以混長紊流模型求解紊動切應(yīng)力。模型計(jì)算區(qū)常,單寬動量分布比較均勻;④結(jié)構(gòu)簡單便于施工。域由冷卻塔集水池、流道引水段、前池段及吸水池段組成;模型典型電廠流道進(jìn)口前沿共有4個支墩,分析支墩所處的位置,可以把位于流道進(jìn)口前沿中部的2個支墩改造成導(dǎo)流墩,邊界由流道固體邊壁、自由水面、上游進(jìn)口斷面和流道出口斷面組成。其中進(jìn)口邊界采用集水池設(shè)計(jì)水深18m控制;固體而位于進(jìn)口兩側(cè)的支墩處于邊緣甚至超出進(jìn)口邊界的外緣(左側(cè)墩),不宜作為導(dǎo)流墩進(jìn)行改造。同時,改造支墩還應(yīng)以邊界因?yàn)楸诿嫠俣葹榱?所以近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬出口邊界采用水泵運(yùn)行流量控制。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分計(jì)不降低其原有的支撐能力為原則,即在保持支墩間距不變、結(jié)算區(qū)域用有限體積法進(jìn)行控制方程離散。為了較好地反映流構(gòu)面積不減少的前提下,通過延伸支墩墩體沿水流方向的長道邊界滿足計(jì)算精度要求,對于一般計(jì)算區(qū)域,計(jì)算網(wǎng)格可以度,塑造流線形體形,使其具有控導(dǎo)彎道水流的功能。下面對圖2中A墩B墩的體形及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化采用0.5mx0.5m或0.25mx0.50m;對于模擬精度要求較高的計(jì)前池段吸水池段R01t0110)0=(1486,760)0為2(01484)0h(1424,345)魯O1(0863)冷卻塔集水池04(41814)R1500(6831395)2導(dǎo)流墩布置(單位:m)人民黃河202年第3期(1)體形。從平面上看A墩、B墩均設(shè)計(jì)成首端大尾端股雖然沒有受到導(dǎo)流墩的作用但流線曲率半徑大受到的離小的流線形其目的是通過墩體對水流施加側(cè)向作用力控導(dǎo)心慣性力作用較小,橫向運(yùn)動相對較弱。流過導(dǎo)流墩后,三股水流以漸變方式改變流向遏制水流橫向運(yùn)動使彎道段末端水流匯合右側(cè)及中部水股偏于凸岸的流動削弱了離心慣性流速分布基本正常。導(dǎo)流墩的上游端為矩形支墩的外接圓弧,力引起的橫向運(yùn)動,水流流動過程中流向及流速分布逐步調(diào)直徑為3.36m(支墩矩形截面對角線長度);導(dǎo)流墩墩體為實(shí)整,至引水段末端流態(tài)已基本恢復(fù)正常。尤其1流道的進(jìn)流條心墻,支墩包含其中,其體形由兩段不同半徑且與曲線引水段件大為改善。伴隨流態(tài)改善引水段水面橫比降有效降低,在引基本相似的圓弧構(gòu)成。其中A墩外側(cè)圓弧段半徑為1784m,水段末端斷面實(shí)測左右岸水深分別為1.67m與1.70m,兩者內(nèi)側(cè)圓弧段半徑為1.50m;B墩外側(cè)圓弧段半徑為16.06m,相差小于3%。流態(tài)及水深的改善使水流進(jìn)入前池的單寬動量內(nèi)側(cè)圓弧段半徑為1352m。這4段圓弧的圓心位置由通過1分布趨于均勻。導(dǎo)流角方案二的流速觀測結(jié)果見圖4。由圖4流道外邊墻壁面與前池分流墩前沿斷面所建立的平面直角坐可見,夏季三泵運(yùn)行時,水流進(jìn)入前池比較順暢,吸水池來流均標(biāo)系來確定。墩的末端均為半徑為077m的圓弧。衡流速分布基本對稱。從前池入口至濾網(wǎng)前,斷面平均流速(2)增體長度。從導(dǎo)流墩對水流的控導(dǎo)作用來看,加大墩由1.6m/s左右逐漸降低至0.8m/s左右。進(jìn)入濾網(wǎng)后流速進(jìn)體長度將有效提高控導(dǎo)效果但為了節(jié)省工程量也不宜過大。一步降低垂線平均流速一般為0.35m/s左右,分布比較均為達(dá)到控導(dǎo)水流的預(yù)期效果,彌補(bǔ)墩體長度的不足,在墩體長勻未出現(xiàn)回流旋渦等不利流態(tài)。在冬季兩泵運(yùn)行時,1°與3度一定的情況下,可通過調(diào)整墩體與水流的夾角來實(shí)現(xiàn)。這流道過流流態(tài)與流速分布與前者基本相似。兩種工況下吸水里,A墩、B墩中心線弧長均取9.65m。池的流態(tài)、流速分布及斷面平均流速值均滿足規(guī)范要求。(3)導(dǎo)流角。導(dǎo)流墩為曲線形來流與墩體的夾角處處都①②不相等為方便分析這里定義導(dǎo)流墩中心線在支墩原截面形心點(diǎn)的切線方向與來流方向的夾角a為導(dǎo)流角(見圖3),并近似認(rèn)為來流方向與通過流道進(jìn)口斷面中心點(diǎn)的徑向平行。同039時,考慮到流經(jīng)彎道內(nèi)側(cè)(凸岸)的水流因流線曲率半徑小,受到的離心慣性力大于流經(jīng)外側(cè)(凹岸)的水流故位于內(nèi)側(cè)的A朋網(wǎng)日038墩導(dǎo)流角應(yīng)適當(dāng)大一些。這里取A墩導(dǎo)流角大于B墩3.5°并分別考慮了3種導(dǎo)流角布置方案:方案一,A墩導(dǎo)流角為295°,B墩導(dǎo)流角為26°;方案二,A墩導(dǎo)流角為36°,B墩導(dǎo)流圖4方案二觀測斷面垂線平均流速分布(單位:m/s)角為325°;方案三,A墩導(dǎo)流角為425°,B墩導(dǎo)流角為39°導(dǎo)流角方案一和方案三,或者墩體與來流夾角偏小,對水(4)進(jìn)口邊墻及兩側(cè)支墩的修改。將進(jìn)口右側(cè)邊墻上延至流施加的側(cè)向作用力度不夠,未能有效遏制引水段彎道環(huán)流運(yùn)右側(cè)支墩處使其轉(zhuǎn)角不超過60°,以避免流線與邊界分離,消動水面橫比降及流速分布調(diào)整不充分在3流道前沿水深仍除回流現(xiàn)象。為了進(jìn)流順暢減小繞流阻力,對流道進(jìn)囗兩側(cè)偏大,流速偏小;或者墩體與來流夾角相對偏大,導(dǎo)致流道前的支墩斷面及左側(cè)邊墻進(jìn)行圓化處理。沿水深偏大,流速偏小。此外,對于導(dǎo)流角布置方案二還進(jìn)行了冷卻塔低水位運(yùn)行(15m<水深<1.8m)、水泵突然關(guān)停與突然開啟等非正常工況下的試驗(yàn)觀測,內(nèi)容包括水流流態(tài)、水速分布、水位波動等,觀測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。人A撒(或B5結(jié)語圖3導(dǎo)流角在電廠循環(huán)水流道布置中,為減少占地選擇平面彎曲、總體長度相對較短的曲線形布置是有效途徑。研究表明對曲線4導(dǎo)流墩控導(dǎo)水流的實(shí)際效果形流道在進(jìn)口處設(shè)置導(dǎo)流墩,可以梳理彎道段水流流向,均化流速分布。該項(xiàng)措施挖導(dǎo)水流的效果能夠滿足要求。結(jié)合冷通過物理模型試驗(yàn)對導(dǎo)流措施的實(shí)際效果進(jìn)行檢驗(yàn)與分卻塔人字柱支墩結(jié)構(gòu)布置的特點(diǎn)將流道進(jìn)口處支墩改造為導(dǎo)析。根據(jù)重力與紊動阻力相似的原則進(jìn)行模型設(shè)計(jì),幾何比尺流墩,措施簡單,同時不降低支墩原有的支撐能力技術(shù)上可取λ=17,釆用有機(jī)玻璃制作模型。為研究問題的需要從流行。以上水力優(yōu)化措施已經(jīng)應(yīng)用于典型電廠流道中。道前池到吸水池泵室前沿共布設(shè)了5個測速斷面流速測量采用ADⅤ流速儀及旋槳流速儀。參考文獻(xiàn):按照夏季三臺泵運(yùn)行、冬季兩臺泵運(yùn)行分別進(jìn)行放水試(1】孫東坡,王二平,宋永軍,寧100W典型電廠循環(huán)水泵渡道試驗(yàn)研究驗(yàn)重點(diǎn)對流道的流態(tài)、特征斷面流速分布等進(jìn)行觀測。試驗(yàn)[R].鄭州:華北水利水電學(xué)院,2007觀測表明,在各種運(yùn)行工況下,從流道進(jìn)口直至吸水池的整個[2]王二平丁澤,王靖新密電廠誦環(huán)水流道體形優(yōu)化研究[J].人民黃河流動過程中,水流基本順暢,沒有出現(xiàn)水流與邊界分離現(xiàn)象在3種導(dǎo)流角布置方案中,方案二的流態(tài)最佳。模型試驗(yàn)中看[3]金忠青N-S方程的數(shù)值解和素流模型[M].南京:河海大學(xué)出版社到水流在流道進(jìn)口處被導(dǎo)流墩分為三股位于右側(cè)及中部的(41)國家電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院DLC10-19火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流通水股受導(dǎo)流墩體的側(cè)向作用沿著導(dǎo)流墩的控導(dǎo)方向流動流向及其布置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國電力出版社,199偏于凸岸;而位于左側(cè)的水股受邊墻的約束沿邊墻流動該水【責(zé)任編輯張華巖】