電廠取水工程循環泵房突然啟閉前池水力特性研究

范麗娟，李 敏

（太原理工大學，山西 太原 030024）

在電廠循環水系統中,取水口至循泵房之間的水力特性研究是整個電廠設計的重要依據。當引水涵管較長，且引水流速相對較大時，電廠系統事故斷電，循環水泵突然停止運行，引水箱涵內水流的慣性力作用會造成管內壓力波動和過渡前池水位的瞬時壅高[1]，若前池頂部高程太低，將使進水前池溢水，甚至影響循環水泵房設備的安全；若循泵突然開啟時，進水前池水位瞬時下降，若水位低于循泵對吸水室最小淹沒深度的要求，循泵吸入空氣造成氣蝕。物理模型試驗和數值模擬是研究此類問題的有效手段。物理模型試驗工作量大、工作周期長，水利參數測量困難，縮尺效應使試驗精度降低，而數值模擬方法隨著計算機技術的發展，使得工程方案優化驗證的工作周期縮短，不存在模型比尺的影響，普適性好、費用低，且可以實現多種復雜物理條件下全域流場的模擬，具有物理模型試驗無法比擬的優勢。

文章在調壓室工作的基本原理和基本方程的基礎上，將調壓室水力計算中的微分項用差分項代替，利用fortran語言編制程序[2]對循泵房突然啟閉時的瞬變過渡過程進行了水力計算，并通過計算結果，為驗證優化泵房布置方案的合理性進行科學論證，為保證電廠取水工程在不同取水條件下安全、可靠、經濟運行提供可靠的理論依據。

1 數學模型

1.1 基本方程

循泵房在突然開停機狀態下的水力過渡過程選用調壓室水力計算的基本方程式[3]：

（1）水流動力方程

（2）水流連續方程

式中：H：外海水位；

Z：泵房水位；

hω：引水流道水頭損失；

L：引水涵管長度；

g：重力加速度；

v：引水涵管內流速；

t：時間；

Q：循泵吸水量；

f：引水涵管過水斷面積；

F：泵房前池水平斷面面積。

1.2 差分方程

將式（1）和式（2）中的微分項用差分項代替，寫成以下的差分格式[4]：

式中：L：引水涵管長度；

f：引水涵管過水斷面積；

F：泵房前池水平斷面面積；

K=λ*L/d，λ：沿程水頭損失系數；

d：引水涵管等效直徑；

i：時刻；

Vi，Zi：i時刻的流速和水位。

2 工程算例

電廠工程冷卻水總用水量為29.35 m3/s，電廠冷卻水取自附近淺海海域，經自流引水箱涵進入循環水泵房的過渡前池，再通過水流流道，進入泵房吸水室后經水泵送入電廠。自流引水管采用鋼筋混凝土箱涵，截面凈空尺寸b×h＝3.5 m×3.5 m，自流引水管管線較長，自取水口至進水前池長為1 790 m。進水前池尺寸：長（沿水流方向）×寬＝30.0×26.8 m，進水前池底標高為-8.0 m，邊墻頂高程7.3 m，前池正常運行水位為-2.4 m。每個進水前池連接5個進水流道，每個進水流道內都設有攔污柵、旋轉濾網，清污機（攔污柵）的柵條間距50 mm，柵條寬度10 mm，旋轉濾網的網孔凈尺寸6.43×6.43 mm。水泵吸水室底面標高為-7.0 m，循泵房吸水室尺寸為26.92×26.8 m，水泵吸水喇叭口直徑為D=2.2 m，吸水室最小淹沒深度要求為（1.5～1.7）D。工程布置圖見圖1。

圖1 工程布置圖

3 數值計算細節

3.1 主要試驗工況

根據工程實際和技術要求選取最不利情況下循泵房開停泵進行模擬：

工況一：引水流量最大（29.35 m3/s）時，即5臺泵（單泵流量5.87 m3/s）同時關閉，外海最高水位1.81 m。

工況二：引水流量最大（29.35 m3/s）時，即5臺泵（單泵流量5.87 m3/s）同時開啟，外海最高水位1.81 m。

工況三：引水流量最大（29.35 m3/s）時，即5臺泵（單泵流量5.87 m3/s）同時開啟，外海最低水位0.47 m。

3.2 參數的選定[5]

混凝土糙率取n=0.013 5，清污機（攔污柵）的設計最大水頭損失按0.3 m考慮；旋轉濾網的設計最大水頭損失按0.3 m考慮。前池面積考慮攔污柵、旋轉濾網、流道閘墩等所占底面積的影響取其有效面積為F=1 313.2 m2，經計算取等效的沿程水頭損失系數λ=0.02（將各個局部總水頭損失系數除以L/D，加上自流引水涵管的沿程水頭損失系數得到），引水涵管等效直徑d=2×計算總時間為T=3 000 s，時間步長取△T=0.02 s。

3.3 初始條件

同時突然開啟5臺泵時：未開啟前，前池初始水位與外海水為相同，開啟后，管道初始流速V0=2.4 m/s；同時突然關閉5臺泵時：未關閉前，管道中最大流速為V=2.4 m/s，前池初始時刻水位計算式為由此式得，前池初始時刻水位為-0.85 m，關閉后，管道初始流速V0=0。

3.4 邊界條件

上游水位邊界條件為：引水涵管取水水域為外海，外海水位取值為最高潮位1.81 m和最低潮位0.47 m，則有H=H0。

下游水位邊界條件為：引水涵管下游與過渡前池相連，過渡前池的水位隨時間的變化過程為：

Zi=Zi-1-（（f/F）×Vi-Q/F）×△T

Hi=Ho-Zi

4 各工況計算結果及分析

各工況計算結果見圖2、圖3、圖4。

圖2給出了在外海最高水位下，同時停5臺循環水泵，引水流量由29.35 m3/s降至0 m3/s時，前池的水位變化過程。5臺循環水泵同時關閉后，約在6 min后前池水位雍到最高水位3.4 m，然后水位開始下降，在外海最高水位附近緩慢波動，波動幅度衰減較快可知，循泵房前池最高水位高程3.4 m（最大壅高1.6 m），低于邊墻（高程7.3 m）3.9 m，循泵房預留的水位壅高容積相對比較寬裕，不會發生前池溢水現象，循泵房運轉層標高（高程8.3 m）是安全的。

圖3給出了在外海最高水位下，同時開啟5臺循泵，水位降至約-1.7 m，吸水室（底高程為-7.0）瞬時最小水深約5.3 m，可以滿足吸水室對淹沒深度（1.5D～1.7D即3.3～3.74 m）的要求。

圖2 外海高水位下5臺泵同時關閉時前池水位的變化過程

圖3 外海高水位下5臺泵突然開啟時前池水位的變化過程

圖4 外海低水位下突然開啟5臺時前池水位的變化過程

圖4給出了在外海最低水位下，5臺循泵同時開啟后，循泵房前池水位迅速下降，下降最低值為-3.1 m，稍后上升至運行正常水位-2.4 m，會出現約0.7 m的超降。考慮水流經過攔污柵，旋轉濾網等的局部水頭損失及流道的沿程后，此時吸水室瞬時最小水深約3.6 m，剛剛滿足循泵對吸水室淹沒深度的要求（要求不低于1.5D～1.7D即3.3～3.74 m），考慮水泵的安全運行，故啟泵時應避免外海最低水位下5臺泵同時開啟。

4 小結

文章通過數值模擬的方法，研究了電廠取水工程循環泵房突然啟閉前池水力特性，計算了3個工況下，循泵房前池水位隨時間的變化過程，通過試驗結果對電廠取水工程循泵房設計方案的安全可靠性進行了理論分析，為循泵房在不同取水條件下安全、可靠、經濟運行提供理論依據，從而對循泵房設計方案進行優化，為其安全運行提供預報。可以看出，采用數值模擬方法模擬前池水力過渡過程，不僅計算簡單、精度較高、成本低，同時可以將多個設計方案進行比較，而且避免了模型試驗時由于試驗危險工況時造成對模型的損害而影響后續試驗的進行。

[1]陳貴清等.壓力管道水擊危害及防治[J].河北理工學院學報，2005，27（1）：128-135.

[2]譚浩強，田淑清.FORTRAN語言[M].北京：清華大學出版社.1990.

[3]劉啟釗.水電站[M].北京：中國水利水電出版社.1998.

[4]周雪漪.計算水力學[M].北京：清華大學出版.

[5]吳持恭主編.水力學[M].北京：高等教育出版社.2003.