直流冷却水系统虹吸井工程结构设计优化分析

沈冬梅，余才锐，吴少扬

（1.皖西学院建筑与土木工程学院，安徽六安237012；

2.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北武汉430071）

虹吸井是电厂冷却水排水系统中重要的水工建筑物，其结构的合理性不仅与其自身功能的实现息息相关，更直接影响到整个系统的安全高效运行[1]。虹吸井的堰顶高程和断面面积是影响其自身功能的主要结构参数。堰顶高程若过高，虹吸作用减弱，运行和维护费用增加，还会产生严重的泡沫污染；过低，则极易导致负压过低，甚至会出现水锤破坏情况。断面面积若设计过大，将加大工程建设成本；若过小，如突遇水泵断电，将很可能出现较大的负压水锤现象[2-5]。目前虹吸井结构设计多是参照相关设计手册得出，对设计计算也是仅从经济效益单方面分析。但就具体工程而言，由于特定场地条件不同，结构设计参数在初始确定时未必能与实际工程相符，同时由于结构参数设计不当产生严重的泡沫污染，对环境破坏极大。物理模型是基于相似性原理，将原型按比例缩小，通过水工试验，可以克服单纯依靠理论计算的缺陷，不仅可以验证理论计算参数的合理性，还能观察其水力特性、水流流态和泡沫污染，因此在实际工程设计中，结合水力特性物理模型试验确定虹吸井的结构参数，不仅考虑了经济性，更能兼顾环保性和安全性，有着其他方法不可替代的优势。

1 工程基本资料

某燃煤发电厂，靠近长江，厂址所处地区为北亚热带季风性湿润气候，一般年平均气温15.8℃～17.5℃。雨量充沛、日照充足，夏季酷热、冬季寒冷。装机容量600MW，设两组。以电厂主厂房为零米层，凝汽器顶端相对高程为＋5.50m。一台机组的循环水量夏季Q=17.04m³/s，冬季Q=12.26m³/s，冷却水排出口临江处水位：夏季约56.58m，冬季约55.66m。

2 工程设计分析

2.1 水力特性物理模型试验

交角的选择：虹吸井的断面面积是结构设计的一个重要参数，实际工程中受场地的局限性影响较大。本工程循环水量相对较小，所以虹吸井的尺寸也较小，考虑薄壁堰占地少的特点，确定采用薄壁堰作为过水构筑物。常见的薄壁堰有正交堰、斜交堰和折堰3种，本工程受场地限制，考虑采用斜交堰。斜交堰的交角是影响其泄洪能力的一个主要因素，因此确定一个合适的交角是虹吸井设计的关键。为确定合适的交角，在实验室建立薄壁堰泄流模型，如图1所示。实验研究斜交堰在交角为15°、30°、45°、60°时的泄流实验，通过测量不同工况流量下堰上水头值，绘出过水流量（Q）和堰上水头（H）的关系曲线，如图2所示。从图2可以看出，在相同流量下，随着交角的增大，堰上水头减小，堰的泄流能力越强。但交角不是越大越好，在流量增大的情况下，堰上水头增加较平缓，但下游水流流态如何，是否会产生较大的泡沫污染，要进一步结合下游水流流态分析。水流流态分析：若堰顶高程较高，水流在虹吸井堰后大量气体掺杂，形成大量泡沫，对环境影响极大[5]。针对上述问题，结合薄壁堰泄流试验，试验装置和结果见图1和图2，分析虹吸井内的水流形态及泡沫输移情况，优化虹吸井的水力性能。观察薄壁堰泄流试验出水水流状态，在自由出流情况下，斜交堰交角由30°增大到60°时，水流冲刷趋于剧烈，下游水流紊动性增强，产生的泡沫量也越多。结合流量-水头曲线，从泄流能力和泡沫污染综合考虑，初步拟定交角略大于30°的斜交堰。

图1 薄壁堰泄流模型示意图

图2 不同交角过水流量与堰上水头关系

2.2 设计计算

堰高CH：根据火力发电厂水工设计规范（DL/T 5339-2006），取堰上水头H=0.6m，初步设定虹吸高度为7.0m，已知凝汽器顶端水面高程为＋5.5m，则可假定虹吸井内的水面标高为1.5m，则堰高（CH）＋堰上水头（H）＝7.5m，得出堰高CH＝7.5－0.6＝6.9m。

流量系数m0：本工程排出口临江，水头损失小于2m，则堰后水位：56.58＋2＝58.58m，堰上水位：62.20＋0.6＝62.80m，堰上水位大于堰后水位，根据火力发电厂水工设计规范（DL/T 5339-2006），则可得出此堰属非淹没堰，经计算CH≥0.5H，H≥0.1m，则可得出堰的流量系数：

虹吸井尺寸确定：

其中，b为溢流堰的宽度，单位为m；k为修正系数；q为流量，单位为m3/s；g为重力加速度，单位为m/s2；其余参数同上。将上述参数结合（1）式和（2）式进行拟合试算，最终得出按夏季堰上水头H=0.61m，CH=6.9m，确定斜交堰的角度α=34°，溢流堰的宽度b=21.633m，虹吸井长L=20m，宽B=9m。虹吸井平剖面图如图3和图4所示。

图3 某电厂厂区虹吸井平面布置图

2.3 设计优化分析

经济性优化分析：在非淹没出流条件下对不同角度的堰型进行比较，结果如表1所示。从表1可以看出，随着角度的增加，虹吸井的宽度逐渐增大。受实际场地影响，井宽过大，虹吸井占用场地太多，施工量和成本增加，从工程的经济性考虑不宜采用大角度斜交堰。

环保性优化分析：虹吸井自由出流时，产生剧烈的水汽掺杂现象，排水口泡沫污染严重。从水力特性物理模型试验看出，当斜交堰交角逐渐增大时，水流紊动性增强，堰后水流恢复常态的距离逐渐加大，产生的泡沫量加大。许多电厂为了消除泡沫引起的感官污染，常在排水系统中投加消泡剂。这样不仅增加了电厂的运行费用，而且消泡剂又会对受纳水体环境产生二次污染[6]。从环境保护的方面考虑，虹吸井交角不宜过大。

图4 某电厂厂区虹吸井剖面图

表1 虹吸井设计尺寸比较

安全性优化分析：虹吸利用高度越高，经济效益越显著。如虹吸井其他尺寸不变，将该电厂虹吸井的虹吸利用高度增加1m，则水泵扬程势必要减少1m。按年利用小时数5 000计算，厂用电价取0.4元/千瓦时，则两台机组水泵年运行节约的费用：，其中，K为安全系数；γ为水的容重，kg/m2/s2；Q为水泵流量，m3/s；H为水泵扬程，m；η为水泵轴效率。由此可以看出，虹吸高度增加1m，该电厂年运行费用可节约约72.90万元。但从安全性考虑，虹吸利用高度并非越高越好。由于循环水管是封闭空间，循环水排水口离凝汽器排水口距离超过10m（一个大气压的水柱），就会导致循环水回水管路断流，后果很严重。为使回水能够顺畅流动，循环水泵就会多做功，从而多耗费电量，效果适得其反。根据以往工程实际效果来看，从安全性分析，虹吸利用高度一般采用7m。

综合上述3方面优化分析，斜交堰的角度α=34o，虹吸高度7m的设计是合理的。

3 工程验证与总结

虹吸井是电厂冷却水排水系统中重要的水工建筑物，其结构的合理性不仅与其自身功能的实现息息相关，更直接影响到整个系统的安全高效运行。仅参照设计手册得出的结构参数往往与工程实际场地不符，且对环境破坏大。本工程设计先在实验室进行水力特性物理模型试验，从泄流能力和泡沫污染综合考虑，初步拟定交角略大于30o的斜交堰，在设计过程中从经济性、环保性、安全性对各设计参数进行优化分析，确定虹吸井尺寸。本设计已完成施工并运行，经过一段时间的观察，系统运行平稳，泡沫污染小。采用虹吸井后，年运行费用可减少72.90×7=510.3万元，说明本工程结合水力特性物理模型试验确定虹吸井的结构参数的方法是合理可行的，综合设计布局合理。本工程设计结合水力特性物理模型试验确定虹吸井的结构参数的方法避免了单纯理论计算的缺陷，有较强的参考价值。