电厂循环水泵房取水隧洞物理模型试验研究

侯振伦

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024）

1 前言

电厂循环水泵房进水流道的布置包括引水段、前池、进水室、泵室、吸水喇叭口及进水管5个部分，对于循环水泵房内水流流态的研究已经成为一个很重要的水力学课题。循环水泵房进水建筑物的布置形式对于主泵更高效的运行有着重要的作用。水流经过引水段进入前池后紊动较大，经过在进水前池的扩散，到达进水流道进口处尚未充分发展，而后进入进水流道内经过不同建筑物的整流后才进入取水泵房。主泵吸水口附近的水流流态决定了主泵是否可以安全高效的运行，所以对于主泵的运行效率，关键要看其进水建筑物的布置对水流流态的调整。

本工程由于受到地形条件限制，海水泵房取水隧洞的转弯半径较小且直线段较短，海水在进入前池后无法保证其配水的均匀性，因此，需通过模型试验优化转弯半径、直线段、配水井与前池的尺寸以实现均匀配水。

2 取水隧洞段物理模型试验

2.1 工程概况

某电站扩建工程5-6号机组循环水系统采用海水直流供水方式、单元制供水系统，因取水隧洞与PX泵房的相对平行位置关系，导致取水隧洞在与PX泵房相衔接时，需90°拐弯，然后通过直线段进入PX泵房前池配水井。由于受空间限制，取水隧洞的转弯半径较小且直线段较短，海水在进入前池后无法保证其配水的均匀性，需通过模型试验优化转弯半径、直线段、配水井与前池的尺寸以实现均匀配水，图1为工程布置图。

2.2 模型设计

根据模型试验相似原理，要保证不同尺度的两个流体运动的完全相似是不可能的。本项试验综合国内外文献，主要考虑重力相似（佛汝德数相似）：

综合考虑本工程PX泵房前池布置条件及泵房流道水力特性，拟采用几何比尺为1∶20的正态模型，表1为模型相关参数比尺对照表。

表1 参数比尺对照表

为便于流态及流速观测，循环水泵房及部分引水管道全部采用有机玻璃制作，包括引水隧洞、前池、泵房进水口、各个流道、导流设施、及出水管道等。有机玻璃的糙率为0.008 5～0.009 0，按阻力相似换算到原型约为0.014～0.014 9，基本满足阻力相似的要求。

2.3 流速测点布置

隧洞闸门井断面上测点水平间距和垂直间距均为1.0 m；流道进水口测速断面上，测点水平间距为0.8 m，垂直间距为1.0 m。模型部分测点布置图，见图1。

图1 工程布置图及模型测点布置图

2.4 测量仪器

（1）流量：模型恒定流工况采用标准矩形薄壁量水堰测量和控制。

（2）流速：采用南京水利科学研究院研制的OA型旋浆式光纤流速传感器，接专用测量仪器进行测量。

（3）水位（恒定流）：采用1/50 mm游标测针及平水槽进行测控。

2.5 试验成果分析

2.5.1 流速成果

根据试验目的和内容，确定两泵同时运行工况作为方案比选工况，单泵流量28 m3/s，水位-12.85 m。

为确定取水隧洞的设计尺寸，模型试验对比分析了两种隧洞转弯半径，分别为原方案19.5 m（3.0D）和修改方案13.0 m（2.0D），D为隧洞直径6.5 m。

原布置方案：转弯半径19.5 m，隧洞直段长度假设为40.0 m，弯管上游直段30 m，弯管下游至前池间距离10 m。隧洞闸门井断面及流道进口流速分布见图2。

图2 原布置方案下各断面分层流速分布图

修改方案：转弯半径为13.0 m，隧洞直段长度则为53 m，弯管上游直段36.5 m，弯管下游至前池间距离16.5 m。隧洞闸门井断面及流道进口流速分布见图3。

图3 修改方案下各断面分层流速分布图

2.5.2 水头损失分析

根据水力学中水头损失的计算公式，对两种方案中各部位的水头损失情况列于表2。

从表中可以看出，转弯半径缩小后，隧洞沿程水头损失及弯道水头损失均有所加大，隧洞-前池局部水头损失不变，总水头损失由0.142 m增加至0.147 m，但数量级不变。

表2 两方案下各部位水头损失情况

2.5.3 流速数据分析

根据测量所得的流速分布图，分析闸门井及流道进水口断面上分层流速分布情况，将两种方案下流道进水口断面的平均流速及偏差列于表3中。

表3 两种方案下流道进口断面平均流速及偏差

从表3可以看出，在修改方案中，尽管各流道进口处平均流速偏差仍然较大，配水均匀性较差，平均流速最大偏差为20%，但是随着隧洞转弯半径的缩小，配水均匀性与原方案相比略微有所改善。

图2和图3分别描述了各断面上分层流速分布情况，转弯半径缩小至13.0 m以后，门井断面分层流速分布的均匀性明显好于19.5 m方案，垂线平均流速最大偏差由18%降低至7%。但是，各流道进水口断面上流速分布的均匀性与19.5 m方案相比基本相当，各断面垂线平均流速最大偏差都比较大，说明水流从取水隧洞出来后，在前池中仍然不能充分扩散，主流过于集中。

3 结论

综合考虑本工程弯管中水流流动特性和隧洞沿程及弯管段水头损失情况：

（1）由于直管段中水流经过弯段部分进入下游5D范围以后，水流流态将重新均匀分布，因此，转弯半径的降低将增加取水隧洞直线段的长度，有利于隧洞中水流的重新均匀分布。

（2）转弯半径的减小将使得隧洞沿程及转弯处的水头损失增加，转弯半径由19.5 m降低至13.0 m后，水头损失由0.142 m增加至0.147 m，转弯半径缩小33.3%，水头损失增加约3.5%，水头损失可以控制在允许范围之内。

[1]罗缙，林颖.火（核）电厂循环水泵房前池水力模型试验研究[J].河海大学学报,2000,28(5):106-110.

[2]南京水利科学研究院.水工模型试验（第二版）[M].北京：水利水电出版社，1985：12-15.

[3]吴持恭.水力学（第三版）下册[M].北京：高等教育出版社,2005:326-333.