电厂取水工程循环泵房突然启闭前池水力特性研究

范丽娟，李 敏

（太原理工大学，山西 太原 030024）

在电厂循环水系统中,取水口至循泵房之间的水力特性研究是整个电厂设计的重要依据。当引水涵管较长，且引水流速相对较大时，电厂系统事故断电，循环水泵突然停止运行，引水箱涵内水流的惯性力作用会造成管内压力波动和过渡前池水位的瞬时壅高[1]，若前池顶部高程太低，将使进水前池溢水，甚至影响循环水泵房设备的安全；若循泵突然开启时，进水前池水位瞬时下降，若水位低于循泵对吸水室最小淹没深度的要求，循泵吸入空气造成气蚀。物理模型试验和数值模拟是研究此类问题的有效手段。物理模型试验工作量大、工作周期长，水利参数测量困难，缩尺效应使试验精度降低，而数值模拟方法随着计算机技术的发展，使得工程方案优化验证的工作周期缩短，不存在模型比尺的影响，普适性好、费用低，且可以实现多种复杂物理条件下全域流场的模拟，具有物理模型试验无法比拟的优势。

文章在调压室工作的基本原理和基本方程的基础上，将调压室水力计算中的微分项用差分项代替，利用fortran语言编制程序[2]对循泵房突然启闭时的瞬变过渡过程进行了水力计算，并通过计算结果，为验证优化泵房布置方案的合理性进行科学论证，为保证电厂取水工程在不同取水条件下安全、可靠、经济运行提供可靠的理论依据。

1 数学模型

1.1 基本方程

循泵房在突然开停机状态下的水力过渡过程选用调压室水力计算的基本方程式[3]：

（1）水流动力方程

（2）水流连续方程

式中：H：外海水位；

Z：泵房水位；

hω：引水流道水头损失；

L：引水涵管长度；

g：重力加速度；

v：引水涵管内流速；

t：时间；

Q：循泵吸水量；

f：引水涵管过水断面积；

F：泵房前池水平断面面积。

1.2 差分方程

将式（1）和式（2）中的微分项用差分项代替，写成以下的差分格式[4]：

式中：L：引水涵管长度；

f：引水涵管过水断面积；

F：泵房前池水平断面面积；

K=λ*L/d，λ：沿程水头损失系数；

d：引水涵管等效直径；

i：时刻；

Vi，Zi：i时刻的流速和水位。

2 工程算例

电厂工程冷却水总用水量为29.35 m3/s，电厂冷却水取自附近浅海海域，经自流引水箱涵进入循环水泵房的过渡前池，再通过水流流道，进入泵房吸水室后经水泵送入电厂。自流引水管采用钢筋混凝土箱涵，截面净空尺寸b×h＝3.5 m×3.5 m，自流引水管管线较长，自取水口至进水前池长为1 790 m。进水前池尺寸：长（沿水流方向）×宽＝30.0×26.8 m，进水前池底标高为-8.0 m，边墙顶高程7.3 m，前池正常运行水位为-2.4 m。每个进水前池连接5个进水流道，每个进水流道内都设有拦污栅、旋转滤网，清污机（拦污栅）的栅条间距50 mm，栅条宽度10 mm，旋转滤网的网孔净尺寸6.43×6.43 mm。水泵吸水室底面标高为-7.0 m，循泵房吸水室尺寸为26.92×26.8 m，水泵吸水喇叭口直径为D=2.2 m，吸水室最小淹没深度要求为（1.5～1.7）D。工程布置图见图1。

图1 工程布置图

3 数值计算细节

3.1 主要试验工况

根据工程实际和技术要求选取最不利情况下循泵房开停泵进行模拟：

工况一：引水流量最大（29.35 m3/s）时，即5台泵（单泵流量5.87 m3/s）同时关闭，外海最高水位1.81 m。

工况二：引水流量最大（29.35 m3/s）时，即5台泵（单泵流量5.87 m3/s）同时开启，外海最高水位1.81 m。

工况三：引水流量最大（29.35 m3/s）时，即5台泵（单泵流量5.87 m3/s）同时开启，外海最低水位0.47 m。

3.2 参数的选定[5]

混凝土糙率取n=0.013 5，清污机（拦污栅）的设计最大水头损失按0.3 m考虑；旋转滤网的设计最大水头损失按0.3 m考虑。前池面积考虑拦污栅、旋转滤网、流道闸墩等所占底面积的影响取其有效面积为F=1 313.2 m2，经计算取等效的沿程水头损失系数λ=0.02（将各个局部总水头损失系数除以L/D，加上自流引水涵管的沿程水头损失系数得到），引水涵管等效直径d=2×计算总时间为T=3 000 s，时间步长取△T=0.02 s。

3.3 初始条件

同时突然开启5台泵时：未开启前，前池初始水位与外海水为相同，开启后，管道初始流速V0=2.4 m/s；同时突然关闭5台泵时：未关闭前，管道中最大流速为V=2.4 m/s，前池初始时刻水位计算式为由此式得，前池初始时刻水位为-0.85 m，关闭后，管道初始流速V0=0。

3.4 边界条件

上游水位边界条件为：引水涵管取水水域为外海，外海水位取值为最高潮位1.81 m和最低潮位0.47 m，则有H=H0。

下游水位边界条件为：引水涵管下游与过渡前池相连，过渡前池的水位随时间的变化过程为：

Zi=Zi-1-（（f/F）×Vi-Q/F）×△T

Hi=Ho-Zi

4 各工况计算结果及分析

各工况计算结果见图2、图3、图4。

图2给出了在外海最高水位下，同时停5台循环水泵，引水流量由29.35 m3/s降至0 m3/s时，前池的水位变化过程。5台循环水泵同时关闭后，约在6 min后前池水位雍到最高水位3.4 m，然后水位开始下降，在外海最高水位附近缓慢波动，波动幅度衰减较快可知，循泵房前池最高水位高程3.4 m（最大壅高1.6 m），低于边墙（高程7.3 m）3.9 m，循泵房预留的水位壅高容积相对比较宽裕，不会发生前池溢水现象，循泵房运转层标高（高程8.3 m）是安全的。

图3给出了在外海最高水位下，同时开启5台循泵，水位降至约-1.7 m，吸水室（底高程为-7.0）瞬时最小水深约5.3 m，可以满足吸水室对淹没深度（1.5D～1.7D即3.3～3.74 m）的要求。

图2 外海高水位下5台泵同时关闭时前池水位的变化过程

图3 外海高水位下5台泵突然开启时前池水位的变化过程

图4 外海低水位下突然开启5台时前池水位的变化过程

图4给出了在外海最低水位下，5台循泵同时开启后，循泵房前池水位迅速下降，下降最低值为-3.1 m，稍后上升至运行正常水位-2.4 m，会出现约0.7 m的超降。考虑水流经过拦污栅，旋转滤网等的局部水头损失及流道的沿程后，此时吸水室瞬时最小水深约3.6 m，刚刚满足循泵对吸水室淹没深度的要求（要求不低于1.5D～1.7D即3.3～3.74 m），考虑水泵的安全运行，故启泵时应避免外海最低水位下5台泵同时开启。

4 小结

文章通过数值模拟的方法，研究了电厂取水工程循环泵房突然启闭前池水力特性，计算了3个工况下，循泵房前池水位随时间的变化过程，通过试验结果对电厂取水工程循泵房设计方案的安全可靠性进行了理论分析，为循泵房在不同取水条件下安全、可靠、经济运行提供理论依据，从而对循泵房设计方案进行优化，为其安全运行提供预报。可以看出，采用数值模拟方法模拟前池水力过渡过程，不仅计算简单、精度较高、成本低，同时可以将多个设计方案进行比较，而且避免了模型试验时由于试验危险工况时造成对模型的损害而影响后续试验的进行。

[1]陈贵清等.压力管道水击危害及防治[J].河北理工学院学报，2005，27（1）：128-135.

[2]谭浩强，田淑清.FORTRAN语言[M].北京：清华大学出版社.1990.

[3]刘启钊.水电站[M].北京：中国水利水电出版社.1998.

[4]周雪漪.计算水力学[M].北京：清华大学出版.

[5]吴持恭主编.水力学[M].北京：高等教育出版社.2003.