水利水電技術(shù)第42卷2011 年第7期沿海電廠循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究韓敬欽，宮俊亭，高德申(山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南250013)摘要:結(jié)合防城港電廠工程，對(duì)循環(huán)水泵流道進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了流道的水力特性，包括引水溝來水的擴(kuò)散消能特性、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及吸水室的水流流態(tài)特征、吸水喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴牧魉俜植家?guī)律等。針對(duì)原設(shè)計(jì)前池?cái)U(kuò)散不充分、出流不均、泵體管外環(huán)流等問題，提出在前池?cái)U(kuò)散段設(shè)置消能橫梁和在循環(huán)水泵中心線上游設(shè)置淹沒胸墻等整流措施。該優(yōu)化方案能有效阻斷吸水室內(nèi)的表面回流通道，起到改善流態(tài)和消能的作用，從而滿足循環(huán)水泵的運(yùn)行要求，并且能夠有效節(jié)省土建投資。關(guān)鍵詞:循環(huán)水泵;流道;流態(tài);模型試驗(yàn);水力特性;優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào): TV675文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 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和汽蝕，造成性能下降，甚至無法運(yùn)行3.41。同時(shí)，1研究背景合理的設(shè)計(jì)方案對(duì)降低循環(huán)水泵房的土建費(fèi)用也有大量研究成果表明，電廠循環(huán)水泵房進(jìn)水流道重要的水力性能設(shè)計(jì)對(duì)循環(huán)水泵的性能和可靠性有很大中國(guó)煤化工，量4x600 MW,采影響，吸水喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝嫠骶鶆蚴潜ＷC循環(huán)水FYHCNMHG.泵穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件[1,2。如果流道設(shè)計(jì)不合理，收稿日期: 2011-03-28容易發(fā)生水面渦流或水中渦帶，以致水泵發(fā)生振動(dòng)作者簡(jiǎn)介:韓敬欽(1967-),男，山東日照人，高級(jí)工程師。98Water Resoures and Hyrpower Engnering Vol 42 No.7韓敬欽,等//沿海電廠循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究用擴(kuò)大單元制直流供水系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)循環(huán)附近分別均勻地布置8條絲線，以絲線左右擺動(dòng)方水泵，4臺(tái)機(jī)組共用一座循環(huán)水泵房，泵房中采用側(cè)向的水平投影角不大于10作為判斷流態(tài)好壞的標(biāo)面進(jìn)水旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)(網(wǎng)外進(jìn)水網(wǎng)內(nèi)出水)。為保證循環(huán)準(zhǔn)。水泵流道具有良好的進(jìn)水流態(tài)，使循環(huán)水泵具有穩(wěn)定水泵葉輪室內(nèi)的水流預(yù)旋強(qiáng)度采用四槳葉渦流計(jì)的運(yùn)行條件,本研究將通過物理模型對(duì)循環(huán)水泵進(jìn)水定性測(cè)量，計(jì)算公式為流道進(jìn)行系統(tǒng)的水力特性試驗(yàn)研究，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)A= tan'(πD'n)果，優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案，提出合理的改進(jìn)措施，保證循(240Qm)環(huán)水泵的安全運(yùn)行。式中，A為預(yù)旋角(°); D為吸水管直徑(m); n為渦流計(jì)轉(zhuǎn)速( r/min); Qm為流量( m'/s)。2物理模型設(shè)計(jì)按相關(guān)文獻(xiàn)601的要求,將A≤3°作為水流均勻分2.1相似條件布的標(biāo)準(zhǔn)。循環(huán)水泵流道模型試驗(yàn)選用比尺為1:10(λ,=3流道試驗(yàn)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)10)的幾何正態(tài)模型。試驗(yàn)?zāi)Ｐ头秶ú糠忠疁霞氨梅壳俺?、循環(huán)水泵房?jī)闪鞯馈⒀h(huán)水泵出水在97%設(shè)計(jì)低潮位下，兩機(jī)三泵運(yùn)行工況的總管道三部分，其中循環(huán)水泵房前池及兩流道按實(shí)際流量最大、水深小、Fr較大、水流相對(duì)較難調(diào)整，模擬，循環(huán)水泵出水管道進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬。初步設(shè)計(jì)本文即選取該工況作為原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的方案見圖1。比選工況。3.1原方 案水力特性旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)循環(huán)水泵原方案水流自引人溝進(jìn)人循環(huán)水泵房前池后,<----海已雖然在前池?cái)U(kuò)散段沒有形成明顯的問流,但由于未能充分?jǐn)U散，流速分布在橫向上有所偏置，在進(jìn)入旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)間之前，呈外側(cè)大、內(nèi)側(cè)小的分布，造成濾網(wǎng)后出口水流明顯偏向一側(cè)，在吸水室內(nèi)形成繞圖1初步設(shè)計(jì)方案流道平 面布置水泵泵體的管外環(huán)流。在低水位加大流量情況下，吸水室后墻角出現(xiàn)大于二級(jí)的表面渦。表面出現(xiàn)間根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)，相似準(zhǔn)則主要考慮重力相似(佛歇性吸氣渦，底部未加導(dǎo)流設(shè)施時(shí)，出現(xiàn)吸氣水內(nèi)汝德數(shù)相似)和阻力相似，即渦，可以觀察到明顯的空心渦管，加導(dǎo)流設(shè)施后,(Pr),=(u/J(gh),=1吸氣水內(nèi)渦消失。從喇叭口和葉輪室進(jìn)口附近的絲λn=λL%線來看，兩側(cè)及后部絲線擺動(dòng)強(qiáng)烈，吸水口附近的另外，為保證模型中渦流的相似，采用增大模型流態(tài)較差。佛汝德數(shù)的方法進(jìn)行觀測(cè)，參考日本TSJ渦輪機(jī)協(xié)會(huì)分析流道內(nèi)的流速分布可知，水泵吸水喇叭口附標(biāo)準(zhǔn)(2005年版)[5]的規(guī)定，表面渦流相似條件為近懸空高度處的流速分布非常不均勻，橫向流速梯度λ,=λQ2較大。吸水喇叭口前緣八點(diǎn)的流速見表1,可以看λq=λZ2出，該剖面的相對(duì)流速偏差最大可達(dá)- 28% (測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)中，考慮到模型比尺較小，并且采用該相似3)，該測(cè)點(diǎn)與平均流速的絕對(duì)偏差為-0. 28 m/s。并條件后，模型流量已放大到2倍,這與一-般水工模型且，喇叭口各測(cè)點(diǎn)流速的波動(dòng)也較大,說明水流非常試驗(yàn)中通常采用的增大流量1.5~3倍(即1.5~3倍不穩(wěn)定。的佛汝德數(shù)流速)一致，可以保證渦流模擬具有一定上述分析表明，在原設(shè)計(jì)方案下，循環(huán)水泵房流的安全裕度。道內(nèi)的流速分布形態(tài)較差，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)后水流發(fā)生強(qiáng)烈2.2 量測(cè)儀器及方法和管外環(huán)流，水流試驗(yàn)供排水為一自 循環(huán)系統(tǒng)。流量由矩形量水的穩(wěn)IYH中國(guó)煤化工足循環(huán)水泵的穩(wěn)定堰測(cè)定，流速的測(cè)量采用紅外光纖流速傳感器，吸運(yùn)行夏CNMHG水喇叭口內(nèi)的流速則采用畢托管測(cè)量。采用絲線法3.2優(yōu)化方 案設(shè)計(jì)及水力特性觀察流態(tài)，即在吸水喇叭口周圍及水泵葉輪室進(jìn)口針對(duì)原設(shè)計(jì)方案在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題，優(yōu)化方案水利水勢(shì)券藪謄2011年第7期9韓敬欽,等//沿海電廠循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究表1原方案喇叭口前緣八點(diǎn)流速吸水喇叭口前緣八點(diǎn)的流速如表2所列，可以看測(cè)點(diǎn)編號(hào)流速/m.g-!相對(duì)偏差/%出，優(yōu)化方案下相對(duì)流速最大偏差為-12%(測(cè)點(diǎn)4),該測(cè)點(diǎn)與平均流速的絕對(duì)偏差僅為-0.09 m/s,二者0.79-181. 083均遠(yuǎn)小于原方案的偏差值( -28%，-0. 28 m/s)。0.68-28表2優(yōu)化方案喇叭口前緣八點(diǎn)流速1.011.00流速/m.g-'1.20260.98-30.75220.95 .-6190. 89-1平均0.960.90主要從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn):一是在前池設(shè)置消能均1.041.11流的輔助設(shè)施以改善擴(kuò)散不充分、出流不均勻等問.1. 121題;二是根據(jù)工程需要在循環(huán)水泵前部流道內(nèi)設(shè)置相0.99關(guān)整流設(shè)施以進(jìn)-步改善流態(tài)和消能。通過- - 系列的改進(jìn)，最終形成了以下優(yōu)化方案: -是在前池?cái)U(kuò)散段選取吸水喇叭口上游距喇叭口中心線1. 0D、設(shè)置消能橫梁，橫梁高1.40m,寬0.5m,頂部安裝2.OD斷面的流速分布作為比較，兩斷面不同高度測(cè)高程-6.50 m,該措施可以起到較好的消能作用，以點(diǎn)的流速分布比較可見圖3和圖4，兩斷面喇叭口懸使引水溝來水在進(jìn)人循環(huán)水泵房前池前均勻擴(kuò)散;二空高度處的流速比較如表3和表4所列。是在距循環(huán)水泵中心線上游2 OD處(D為喇叭口直徑,由圖3和圖4看出，原方案中兩斷面的流速分布下同)設(shè)置一道淹沒胸墻，胸墻開孔高程-4.00 m,都比較雜亂，且偏差較大，而優(yōu)化方案的流速分布更該措施可以有效阻斷吸水室內(nèi)的表面回流通道，降為均勻與穩(wěn)定。低表面渦發(fā)生的機(jī)會(huì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的平面布置見此外，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了其他工況的試驗(yàn),圖2。結(jié)果表明，吸水室內(nèi)水面平穩(wěn)，水位波動(dòng)較小，雙泵消能橫梁旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)淹沒胸墻循環(huán)水泵運(yùn)行工況下吸水室內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的回流和管外環(huán)流，單泵運(yùn)行工況下表面有回流存在，但并沒有明顯影響到水泵吸人口。從流速分布情況看,循環(huán)水泵房..8 r? 0.6-0.第02圖2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案流道平 面布置-3.0-2.0-1.00102.0 3.0優(yōu)化方案的試驗(yàn)結(jié)果表明，流道進(jìn)口流速分布水平距離/m(a)原方案基本對(duì)稱，濾網(wǎng)前內(nèi)外側(cè)進(jìn)口垂向流速分布比較接0.8近，網(wǎng)后水流對(duì)稱性也較好,吸水室內(nèi)水面平穩(wěn)，, 0.6水位波動(dòng)較小，沒有出現(xiàn)明顯的回流和管外環(huán)流,也未發(fā)現(xiàn)大于二級(jí)的表面渦和水內(nèi)渦。從示蹤絲線02來看，無論是喇叭口周邊還是葉輪室進(jìn)口附近，絲3.0-20-10010203.0線擺動(dòng)幅度均不大于10°,雙泵運(yùn)行時(shí)，兩流道內(nèi)絲線擺動(dòng)基本對(duì)稱且時(shí)間上也基本同步。加大流.中國(guó)煤化工量(2倍的佛汝德數(shù)流量)后，觀測(cè)吸水室內(nèi)旋渦，MYH.CNMH G_-43m未發(fā)現(xiàn)大于二級(jí)的表面渦，也未觀察到吸氣水內(nèi)+13 m。-3.3m→5.3m咼。圖31. 0D斷面垂向各測(cè)點(diǎn)流速比較100_水利水電技術(shù)第42卷2011 年第7期韓敬欽,等//沿海電廠循環(huán)水泵流道的水力特性及優(yōu)化研究0.8布橫向偏差很小，最大偏差14%(2.0D斷面，5號(hào); 0.6點(diǎn))，此時(shí)流速的絕對(duì)偏差僅為0. 04 m/s。0.4-3.3經(jīng)濟(jì)效益分析第0.根據(jù)循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)規(guī)范["”,對(duì)于0 -20-100 1.0 20 3.0網(wǎng)外進(jìn)水網(wǎng)內(nèi)出水、側(cè)向布置的旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)，若不采水平距離/m取合適的整流措施，清污設(shè)備至吸水池后墻的距離(a)原方案宜采用9倍喇叭口直徑，使流道中水流有一個(gè)穩(wěn)定過程。這樣，本工程前池的長(zhǎng)度應(yīng)比優(yōu)化方案長(zhǎng).的05.75 m。經(jīng)計(jì)算，與優(yōu)化方案相比，非整流方案的。0.40.4態(tài)循環(huán)水泵房及前池需多用混凝土約3000 m',土方第02開挖約多10 000 m'，土建工程投資約多500萬元3.0 -2.0 -1.001.0 20 3.0(不包括占地費(fèi)用)。(b)優(yōu)化方案4結(jié)論→底部→23m -←4.3m-1.3m -3.3m- + - 5.3m(1)通過循環(huán)水泵流道的物理模型試驗(yàn)，對(duì)引水溝來水的擴(kuò)散消能、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及吸水室的水流流態(tài)、圖4 2. 0D斷面垂向各測(cè)點(diǎn)流速比較吸水喇叭口進(jìn)水?dāng)嗝娴牧魉俜植嫉人μ匦赃M(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析，提出了在前池?cái)U(kuò)散段設(shè)置消能橫梁和表31. 0D斷面喇叭口懸空高度處流速比較在循環(huán)水泵中心線上游設(shè)置淹沒胸墻等整流措施,并方案測(cè).原方案優(yōu)化方案給出了優(yōu)化方案。點(diǎn)編號(hào)流速/m.g-1偏差/%流速/m.g-1偏差/%(2)試驗(yàn)研究結(jié)果表明，優(yōu)化方案不僅可以有效0.16-560.40地解決原設(shè)計(jì)方案的不足，有利于循環(huán)水泵的安全穩(wěn)0. 165定運(yùn)行,并訶節(jié)省循環(huán)水泵房的土建投資約500萬0.350.33-10.57560.37-元。該試驗(yàn)成果可為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。0.59510.39(3)該電廠一期工程2臺(tái)機(jī)組已于2007年全部平均0. 38投產(chǎn)，截止目前運(yùn)行良好。2009年，該地區(qū)發(fā)生風(fēng)暴潮，最大波高達(dá)3.40 m，循環(huán)水泵房前池波高不表42.0D 斷面喇叭口懸空高度處流速比較到0. 20 m,吸水室內(nèi)水流的穩(wěn)定性較好，能夠滿足方案測(cè)循環(huán)水泵的運(yùn)行要求。流速/m.s-1偏差/%|流速/m.s-'參考文獻(xiàn):-440.32100.300. 26[1]西北電力設(shè)計(jì)院。 電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電0.270. 25力出版社，2005: 331-332.363[2]吳持恭. 水力學(xué)(第4版)[M].北京:高等教育出版, 2008.14[3陸林廣,張仁田，泵站進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)[M].北京:中0.280.29國(guó)水利水電出版社, 1997[4劉麗君，謝偉東，江樹榮，等.南水北調(diào)東線T.程劉山泵站進(jìn)進(jìn)水流道吸水室內(nèi)水流基本均勻，吸水喇叭口附近流水流態(tài)整體模型試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù)，2004(10): 70-速分布橫向偏差較小，喇叭口前緣徑向流速分布偏差73.小于17. 0%，喇叭口喉部軸向流速偏差小于5. 0% ,Japanese Mechanieal Engineer Asociation Pump House Intake Chan-nel Test Sundard[ M]. Japan: Japan Industy Pess, 2005.葉輪室內(nèi)水流的預(yù)旋強(qiáng)度基本滿足小于3°的要求。[6中國(guó)煤化工Sundard for Pump Intake總體來說，循環(huán)水泵房進(jìn)水流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以很好地滿足循環(huán)水泵的運(yùn)行要求。fYHC N M H G聚房進(jìn)水流道及其布置設(shè)可以看出，原方案的流速分布偏差較大，最大可計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].達(dá)61%(1.0D斷面，5號(hào)點(diǎn))，而優(yōu)化方案的流速分(責(zé)任編輯陳 小敏)水利水電技術(shù)第42卷2011年第7期101