燃煤电厂循环水进水流道布置形式分析

李锁庄 张海勇 禹胜颖 王英伟

循环水泵是火电厂最重要的辅机之一,对电厂的安全运行起着十分关键的作用。而循环水泵站进水流道形式的合理选择和设计,直接关系到流道内水头损失的大小和流态的好坏,对循环水泵的安全高效运行和投资较省的泵房工程布置方案,起着非常重要的作用。优化的进水流道形式应该尽可能地减少吸水室内部的水力损失,尽可能地消除吸水池室内部的各种漩涡,能使循环水泵的水力性能得到充分发挥。同时,进水流道形式的选择又直接影响到整个泵站的投资大小和施工难度。

水泵吸水室水流流态应满足以下条件。

(1)机组各种不同运行组合工况下,水流平稳,水头损失较小。

(2)水泵吸水喇叭口喉部断面八点流速均匀,每点与八点平均值的偏差小于±10%。

(3)水泵吸水口的水流前旋角 α＜5°,短时间α＜7°(10～30 s出现几率小于10%)。

(4)不出现大于二级的表面凹陷漩涡、各种水内涡和边壁涡。

本文从取水流道的进水前池、滤网室、吸水室3个方面入手,结合模型试验成果对国内某些火电厂的取水流道布置形式进行分析研究。

1 进水前池

泵房进水前池的设置是保证水流能够均匀平稳地进入吸水室,避免回流和漩涡的产生,进水前池的布置要求吸水室从前池正面取水、前池平面扩散较缓、底坡坡度较小。

台山发电厂原设计方案进水池进口为圆弧形,在从较窄复式引水明渠进入较宽的泵站进水前池时,由于惯性力作用水流不能及时扩散,在两侧产生较大范围的回流,在流道前不能形成均匀的进流条件。校核低潮位时,回流的最大负流流速达-0.74 m/s,伴随着回流的产生,使部分进水流道前出现横向流速,导致水流发生剪切作用,进一步诱导流道胸墙前形成漏斗形漩涡,回流和漩涡的存在使进水池的流态较为混乱。模型试验优化方案将原复合明渠的出口圆弧连接改为扭曲面连接,并在出口下游设置3个品字形布置的三角形导流墩,使进水前池的流速分布比较平稳均匀,基本消除了回流和流道进口前的横向流,流道的进流趋于均匀。

因受到场地、取水条件、清污设备选择等方面的限制,某些电厂循环水泵房进水流道不能完全遵循《火电厂循环水泵房进水流道及其布置设计技术规定》(DLGJ150—1999)进行设计。永城电厂进水流道受地形限制将前池斜坡段设计为23.14°的陡坡,大于设计技术规定一般不超过15°；流道进口左侧的翼墙与集水池边墙成小于90°的锐角,但通过圆化边墙、在前池内增设导流栅及分流墩、优化进口体型等措施,有效地改善了水流流态,可以保证吸水池水面平稳和进流均匀。

2 滤网室

旋转滤网对保障循环水泵和凝汽器等设备的安全运行起着十分关键的作用。由于沿江沿海电厂一般采用敞开式循环水系统,水中含有大量的垃圾、漂浮物等杂物,侧向进水旋转滤网拦截杂物的性能明显优于正向进水旋转滤网,所以沿江、沿海新电厂的设计和旧电厂的改造大多采用侧向进水的布置方式。侧向进水与正向进水的布置方式相比,其进水水流条件和流态较差,为了改善流态,保证进水水流均匀稳定,就必须加长泵房进水流道长度或者增设整流消涡设施。

汉川电厂一期工程于1990年1月建成发电,鉴于取水流道拦污栅的拦污、清污效果较差,电厂拟将正向进水的拦污栅改造成侧向进水的旋转滤网,以改善清污效果。通过模型试验发现,滤网改造后流道内水流条件恶化,吸水室内水流不对称,有进气漩涡产生。试验在网前进水孔内加分流板,使过网水流对称,并在泵室内加设2 m高导流墙,使底层水流平稳均匀,吸水室内没有漩涡产生。汉川电厂在改造后的实际运行中,流道内水流流态良好,机组运行正常,也证明了改造方案的合理和试验成果的准确可靠。

侧向进水旋转滤网的不同布置形式也可以造成吸水池内流态的差异。青岛黄岛电厂旋转滤网采用侧向进水全框架导轨结构,下喷式冲洗,旋转滤网名义宽度为3.5 m,滤网净孔尺寸为6.43 mm×6.43 mm,网板名义高度为500 mm。试验针对旋转滤网为外进内出和内进外出两种形式(见图1)进行分析比较,提出最优进出水形式。

图1 黄岛电厂流道旋转滤网布置形式

两种方案旋转滤网后扩散段末断面流速分布对比见图2。试验结果表明,在外进内出方案试验中,水流经进水闸、拦污栅、旋转滤网、扩散段对称均匀地进入吸水池,闸前与吸水管前0.7 m处的水头损失为0.10 m,水流进入滤网前的最大流速为0.80 m/s,水流从左向右绕过吸水管形成一个循环回流区,偶尔只在取水流道的扩散段末有细小的表面凹陷漩涡产生,漩涡产生的频率比较低,力度也比较弱。在内进外出方案试验中,水流同样对称均匀地进入吸水池,流道内沿程水位变化较小,闸前与吸水管前 0.7m处的水头损失仅为0.08 m,水流进入滤网前的最大流速为0.78 m/s,吸水池内水面稍有波动,偶尔只在取水流道的扩散段末有细小的表面凹陷漩涡产生。可见内进外出方案流速分布更对称均匀,回流范围也小。综合看,内进外出方案比外进内出方案有一定的优越性,试验最终推荐旋转滤网采用内进外出的布置形式。

图2 两方案扩散段末断面流速分布比较

3 吸水室

3.1 吸水室长度

为使水泵吸水口有较好的流态,水泵吸水室应有一定长度,根据侧向进水旋转滤网的结构形式和《火力发电厂循环水泵房进水流道及其布置设计技术规定》的要求:吸水室长度(旋转滤网出口至水泵吸水管轴线的距离)在没有整流措施时应为9D(D为喇叭口直径),有整流措施时可缩短至6D。

可门火电厂原设计方案吸水室长度为9.26D,水流经旋转滤网后,表面流速随机性强,水流比较紊乱,经试验优化后,吸水室长度缩短为5.7D,增设的整流设施和吸水室胸墙有效地使流速分布均趋于均匀。印尼百通电厂原设计方案吸水室长度为8D,通过模型试验验证,因吸水管入口处淹没深度较大,在10.7～13.9 m之间,设计工况下吸水室内水流比较平顺,水面平稳基本无波动,即使在吸水室长度缩短为6D,不加整流设施的情况下,吸水室内水面波动也很小,偶有表面凹陷漩涡形成,不会对电厂的正常运行带来不利影响,完全可以满足机组引水要求。

3.2 整流消涡设施

漩涡运动是最复杂的水流现象之一,如果在火电厂取水流道中,产生吸气漏斗漩涡会给工程带来危害。比如:降低循环泵引水能力、影响机组效率、加剧水流脉动、发生气蚀、产生噪音以及吸入水面漂浮物等。流道泵室一般要求不允许出现大于二级的表面凹陷漩涡以及各种水内涡和边壁涡,在试验中一些电厂取水流道中往往出现回流和漩涡等不利于工程安全的水流现象,这就需要布设整流消涡设施来调整改善水流流态。

台山电厂取水流道旋转滤网出口宽2 m,其下游以45°的扩散角与长14.8 m,宽6.5 m的吸水室相连。原设计方案吸水室内没有整流消涡设施,水流在旋转滤网以0.85 m/s的平均流速在2m宽的出口进入吸水室,在惯性力的驱使下,中间流速大两侧流速小,流速大的水体与流速小的水体发生剪切,在流道的两侧形成较强的回流,回流又进一步压迫主流,使吸水室的水流更集中,加剧了水面的紊动。涡流试验表明,水流在流道中部产生脉动吸气漏斗漩涡,这将会引起水泵效率降低,产生气蚀和机组震动。优化试验根据原方案吸水室内水流特点,将旋转滤网出口的扩散角由45°改为30°,针对原方案吸水室内上层水流的回流流速较大,下层流速分布中间大两边小,在旋转滤网出口扩散段尾的-3.5 m高程以上设置实体胸墙,以下设置5个中间密两边疏大小不一的分流墩。优化试验结果表明,水流通过旋转滤网后,经30°扩散角均匀扩散,回流区域和强度都明显见小；导流墩和胸墙的合理设置,使下层较集中的水流,经分流墩的作用,相对较均匀地进入吸水室；胸墙后形成回流,水流有一定紊动,但影响不大,吸水室内出现有二级表面凹陷漩涡,没有水内涡及边壁涡出现,可见优化方案比较合理。

吸水管喇叭口区域对水流的稳定性和对称性要求更高,通常要求吸水喇叭口喉部断面八点流速均匀,每点与八点平均值的偏差小于±10%；吸水口的水流前旋角小于5°；不能出现水内涡和底部涡等。为了使吸水管喇叭口水流对称均匀,防止漩涡的产生,通常在喇叭口附近布置导流消涡设施。青岛黄岛电厂吸水管下设置分流锥和导流隔板(见图3),能够减少吸水管前旋流强度,有效地缓解漩涡的影响。印尼百通电厂采用三角形阻涡板(见图4),试验证明也起到了良好的消涡作用。

图3 导流隔板和分流锥

图4 三角形阻涡板

4 结 语

(1)受自然条件制约某些电厂流道设计不能完全符合技术规定,但通过优化建筑物体型及增设整流设施,也可以满足循环水泵取水要求。

(2)进水前池的布置通常以吸水室从前池正面取水、前池平面扩散较缓、底坡坡度较小为宜；侧面进水旋转滤网有较好的拦污性能,与正面进水式滤网相比,水流条件相对较差；吸水池长度在循环水泵淹没深度较大、吸水室内整流消涡设施布设合理等因素的综合作用下可以适当缩短；吸水室内若出现大于二级的表面凹陷漩涡、各种水内涡和边壁涡,必须增设整流消涡设施来调整水流。

(3)受引水工况、流道布置边界条件、循环泵出力等因素作用,电厂取水流道内水流流态往往比较复杂,不利的水流现象可能对电厂的安全运行有很大的影响,必须通过物理模型试验这一科学直观的工具对设计方案加以验证。