電廠循環水泵房取水隧洞物理模型試驗研究

侯振倫

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

1 前言

電廠循環水泵房進水流道的布置包括引水段、前池、進水室、泵室、吸水喇叭口及進水管5個部分，對于循環水泵房內水流流態的研究已經成為一個很重要的水力學課題。循環水泵房進水建筑物的布置形式對于主泵更高效的運行有著重要的作用。水流經過引水段進入前池后紊動較大，經過在進水前池的擴散，到達進水流道進口處尚未充分發展，而后進入進水流道內經過不同建筑物的整流后才進入取水泵房。主泵吸水口附近的水流流態決定了主泵是否可以安全高效的運行，所以對于主泵的運行效率，關鍵要看其進水建筑物的布置對水流流態的調整。

本工程由于受到地形條件限制，海水泵房取水隧洞的轉彎半徑較小且直線段較短，海水在進入前池后無法保證其配水的均勻性，因此，需通過模型試驗優化轉彎半徑、直線段、配水井與前池的尺寸以實現均勻配水。

2 取水隧洞段物理模型試驗

2.1 工程概況

某電站擴建工程5-6號機組循環水系統采用海水直流供水方式、單元制供水系統，因取水隧洞與PX泵房的相對平行位置關系，導致取水隧洞在與PX泵房相銜接時，需90°拐彎，然后通過直線段進入PX泵房前池配水井。由于受空間限制，取水隧洞的轉彎半徑較小且直線段較短，海水在進入前池后無法保證其配水的均勻性，需通過模型試驗優化轉彎半徑、直線段、配水井與前池的尺寸以實現均勻配水，圖1為工程布置圖。

2.2 模型設計

根據模型試驗相似原理，要保證不同尺度的兩個流體運動的完全相似是不可能的。本項試驗綜合國內外文獻，主要考慮重力相似（佛汝德數相似）：

綜合考慮本工程PX泵房前池布置條件及泵房流道水力特性，擬采用幾何比尺為1∶20的正態模型，表1為模型相關參數比尺對照表。

表1 參數比尺對照表

為便于流態及流速觀測，循環水泵房及部分引水管道全部采用有機玻璃制作，包括引水隧洞、前池、泵房進水口、各個流道、導流設施、及出水管道等。有機玻璃的糙率為0.008 5～0.009 0，按阻力相似換算到原型約為0.014～0.014 9，基本滿足阻力相似的要求。

2.3 流速測點布置

隧洞閘門井斷面上測點水平間距和垂直間距均為1.0 m；流道進水口測速斷面上，測點水平間距為0.8 m，垂直間距為1.0 m。模型部分測點布置圖，見圖1。

圖1 工程布置圖及模型測點布置圖

2.4 測量儀器

（1）流量：模型恒定流工況采用標準矩形薄壁量水堰測量和控制。

（2）流速：采用南京水利科學研究院研制的OA型旋漿式光纖流速傳感器，接專用測量儀器進行測量。

（3）水位（恒定流）：采用1/50 mm游標測針及平水槽進行測控。

2.5 試驗成果分析

2.5.1 流速成果

根據試驗目的和內容，確定兩泵同時運行工況作為方案比選工況，單泵流量28 m3/s，水位-12.85 m。

為確定取水隧洞的設計尺寸，模型試驗對比分析了兩種隧洞轉彎半徑，分別為原方案19.5 m（3.0D）和修改方案13.0 m（2.0D），D為隧洞直徑6.5 m。

原布置方案：轉彎半徑19.5 m，隧洞直段長度假設為40.0 m，彎管上游直段30 m，彎管下游至前池間距離10 m。隧洞閘門井斷面及流道進口流速分布見圖2。

圖2 原布置方案下各斷面分層流速分布圖

修改方案：轉彎半徑為13.0 m，隧洞直段長度則為53 m，彎管上游直段36.5 m，彎管下游至前池間距離16.5 m。隧洞閘門井斷面及流道進口流速分布見圖3。

圖3 修改方案下各斷面分層流速分布圖

2.5.2 水頭損失分析

根據水力學中水頭損失的計算公式，對兩種方案中各部位的水頭損失情況列于表2。

從表中可以看出，轉彎半徑縮小后，隧洞沿程水頭損失及彎道水頭損失均有所加大，隧洞-前池局部水頭損失不變，總水頭損失由0.142 m增加至0.147 m，但數量級不變。

表2 兩方案下各部位水頭損失情況

2.5.3 流速數據分析

根據測量所得的流速分布圖，分析閘門井及流道進水口斷面上分層流速分布情況，將兩種方案下流道進水口斷面的平均流速及偏差列于表3中。

表3 兩種方案下流道進口斷面平均流速及偏差

從表3可以看出，在修改方案中，盡管各流道進口處平均流速偏差仍然較大，配水均勻性較差，平均流速最大偏差為20%，但是隨著隧洞轉彎半徑的縮小，配水均勻性與原方案相比略微有所改善。

圖2和圖3分別描述了各斷面上分層流速分布情況，轉彎半徑縮小至13.0 m以后，門井斷面分層流速分布的均勻性明顯好于19.5 m方案，垂線平均流速最大偏差由18%降低至7%。但是，各流道進水口斷面上流速分布的均勻性與19.5 m方案相比基本相當，各斷面垂線平均流速最大偏差都比較大，說明水流從取水隧洞出來后，在前池中仍然不能充分擴散，主流過于集中。

3 結論

綜合考慮本工程彎管中水流流動特性和隧洞沿程及彎管段水頭損失情況：

（1）由于直管段中水流經過彎段部分進入下游5D范圍以后，水流流態將重新均勻分布，因此，轉彎半徑的降低將增加取水隧洞直線段的長度，有利于隧洞中水流的重新均勻分布。

（2）轉彎半徑的減小將使得隧洞沿程及轉彎處的水頭損失增加，轉彎半徑由19.5 m降低至13.0 m后，水頭損失由0.142 m增加至0.147 m，轉彎半徑縮小33.3%，水頭損失增加約3.5%，水頭損失可以控制在允許范圍之內。

[1]羅縉，林穎.火（核）電廠循環水泵房前池水力模型試驗研究[J].河海大學學報,2000,28(5):106-110.

[2]南京水利科學研究院.水工模型試驗（第二版）[M].北京：水利水電出版社，1985：12-15.

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