直流冷卻水系統虹吸井工程結構設計優化分析

沈冬梅，余才銳，吳少揚

（1.皖西學院建筑與土木工程學院，安徽六安237012；

2.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北武漢430071）

虹吸井是電廠冷卻水排水系統中重要的水工建筑物，其結構的合理性不僅與其自身功能的實現息息相關，更直接影響到整個系統的安全高效運行[1]。虹吸井的堰頂高程和斷面面積是影響其自身功能的主要結構參數。堰頂高程若過高，虹吸作用減弱，運行和維護費用增加，還會產生嚴重的泡沫污染；過低，則極易導致負壓過低，甚至會出現水錘破壞情況。斷面面積若設計過大，將加大工程建設成本；若過小，如突遇水泵斷電，將很可能出現較大的負壓水錘現象[2-5]。目前虹吸井結構設計多是參照相關設計手冊得出，對設計計算也是僅從經濟效益單方面分析。但就具體工程而言，由于特定場地條件不同，結構設計參數在初始確定時未必能與實際工程相符，同時由于結構參數設計不當產生嚴重的泡沫污染，對環境破壞極大。物理模型是基于相似性原理，將原型按比例縮小，通過水工試驗，可以克服單純依靠理論計算的缺陷，不僅可以驗證理論計算參數的合理性，還能觀察其水力特性、水流流態和泡沫污染，因此在實際工程設計中，結合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結構參數，不僅考慮了經濟性，更能兼顧環保性和安全性，有著其他方法不可替代的優勢。

1 工程基本資料

某燃煤發電廠，靠近長江，廠址所處地區為北亞熱帶季風性濕潤氣候，一般年平均氣溫15.8℃～17.5℃。雨量充沛、日照充足，夏季酷熱、冬季寒冷。裝機容量600MW，設兩組。以電廠主廠房為零米層，凝汽器頂端相對高程為＋5.50m。一臺機組的循環水量夏季Q=17.04m3/s，冬季Q=12.26m3/s，冷卻水排出口臨江處水位：夏季約56.58m，冬季約55.66m。

2 工程設計分析

2.1 水力特性物理模型試驗

交角的選擇：虹吸井的斷面面積是結構設計的一個重要參數，實際工程中受場地的局限性影響較大。本工程循環水量相對較小，所以虹吸井的尺寸也較小，考慮薄壁堰占地少的特點，確定采用薄壁堰作為過水構筑物。常見的薄壁堰有正交堰、斜交堰和折堰3種，本工程受場地限制，考慮采用斜交堰。斜交堰的交角是影響其泄洪能力的一個主要因素，因此確定一個合適的交角是虹吸井設計的關鍵。為確定合適的交角，在實驗室建立薄壁堰泄流模型，如圖1所示。實驗研究斜交堰在交角為15°、30°、45°、60°時的泄流實驗，通過測量不同工況流量下堰上水頭值，繪出過水流量（Q）和堰上水頭（H）的關系曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，在相同流量下，隨著交角的增大，堰上水頭減小，堰的泄流能力越強。但交角不是越大越好，在流量增大的情況下，堰上水頭增加較平緩，但下游水流流態如何，是否會產生較大的泡沫污染，要進一步結合下游水流流態分析。水流流態分析：若堰頂高程較高，水流在虹吸井堰后大量氣體摻雜，形成大量泡沫，對環境影響極大[5]。針對上述問題，結合薄壁堰泄流試驗，試驗裝置和結果見圖1和圖2，分析虹吸井內的水流形態及泡沫輸移情況，優化虹吸井的水力性能。觀察薄壁堰泄流試驗出水水流狀態，在自由出流情況下，斜交堰交角由30°增大到60°時，水流沖刷趨于劇烈，下游水流紊動性增強，產生的泡沫量也越多。結合流量-水頭曲線，從泄流能力和泡沫污染綜合考慮，初步擬定交角略大于30°的斜交堰。

圖1 薄壁堰泄流模型示意圖

圖2 不同交角過水流量與堰上水頭關系

2.2 設計計算

堰高CH：根據火力發電廠水工設計規范（DL/T 5339-2006），取堰上水頭H=0.6m，初步設定虹吸高度為7.0m，已知凝汽器頂端水面高程為＋5.5m，則可假定虹吸井內的水面標高為1.5m，則堰高（CH）＋堰上水頭（H）＝7.5m，得出堰高CH＝7.5－0.6＝6.9m。

流量系數m0：本工程排出口臨江，水頭損失小于2m，則堰后水位：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，根據火力發電廠水工設計規范（DL/T 5339-2006），則可得出此堰屬非淹沒堰，經計算CH≥0.5H，H≥0.1m，則可得出堰的流量系數：

虹吸井尺寸確定：

其中，b為溢流堰的寬度，單位為m；k為修正系數；q為流量，單位為m3/s；g為重力加速度，單位為m/s2；其余參數同上。將上述參數結合（1）式和（2）式進行擬合試算，最終得出按夏季堰上水頭H=0.61m，CH=6.9m，確定斜交堰的角度α=34°，溢流堰的寬度b=21.633m，虹吸井長L=20m，寬B=9m。虹吸井平剖面圖如圖3和圖4所示。

圖3 某電廠廠區虹吸井平面布置圖

2.3 設計優化分析

經濟性優化分析：在非淹沒出流條件下對不同角度的堰型進行比較，結果如表1所示。從表1可以看出，隨著角度的增加，虹吸井的寬度逐漸增大。受實際場地影響，井寬過大，虹吸井占用場地太多，施工量和成本增加，從工程的經濟性考慮不宜采用大角度斜交堰。

環保性優化分析：虹吸井自由出流時，產生劇烈的水汽摻雜現象，排水口泡沫污染嚴重。從水力特性物理模型試驗看出，當斜交堰交角逐漸增大時，水流紊動性增強，堰后水流恢復常態的距離逐漸加大，產生的泡沫量加大。許多電廠為了消除泡沫引起的感官污染，常在排水系統中投加消泡劑。這樣不僅增加了電廠的運行費用，而且消泡劑又會對受納水體環境產生二次污染[6]。從環境保護的方面考慮，虹吸井交角不宜過大。

圖4 某電廠廠區虹吸井剖面圖

表1 虹吸井設計尺寸比較

安全性優化分析：虹吸利用高度越高，經濟效益越顯著。如虹吸井其他尺寸不變，將該電廠虹吸井的虹吸利用高度增加1m，則水泵揚程勢必要減少1m。按年利用小時數5 000計算，廠用電價取0.4元/千瓦時，則兩臺機組水泵年運行節約的費用：，其中，K為安全系數；γ為水的容重，kg/m2/s2；Q為水泵流量，m3/s；H為水泵揚程，m；η為水泵軸效率。由此可以看出，虹吸高度增加1m，該電廠年運行費用可節約約72.90萬元。但從安全性考慮，虹吸利用高度并非越高越好。由于循環水管是封閉空間，循環水排水口離凝汽器排水口距離超過10m（一個大氣壓的水柱），就會導致循環水回水管路斷流，后果很嚴重。為使回水能夠順暢流動，循環水泵就會多做功，從而多耗費電量，效果適得其反。根據以往工程實際效果來看，從安全性分析，虹吸利用高度一般采用7m。

綜合上述3方面優化分析，斜交堰的角度α=34o，虹吸高度7m的設計是合理的。

3 工程驗證與總結

虹吸井是電廠冷卻水排水系統中重要的水工建筑物，其結構的合理性不僅與其自身功能的實現息息相關，更直接影響到整個系統的安全高效運行。僅參照設計手冊得出的結構參數往往與工程實際場地不符，且對環境破壞大。本工程設計先在實驗室進行水力特性物理模型試驗，從泄流能力和泡沫污染綜合考慮，初步擬定交角略大于30o的斜交堰，在設計過程中從經濟性、環保性、安全性對各設計參數進行優化分析，確定虹吸井尺寸。本設計已完成施工并運行，經過一段時間的觀察，系統運行平穩，泡沫污染小。采用虹吸井后，年運行費用可減少72.90×7=510.3萬元，說明本工程結合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結構參數的方法是合理可行的，綜合設計布局合理。本工程設計結合水力特性物理模型試驗確定虹吸井的結構參數的方法避免了單純理論計算的缺陷，有較強的參考價值。