王为术,甄娟,郭嘉伟,翟禹鑫,贺友才,黄幸

(1.华北水利水电大学电力学院,河南 郑州 450045;2.中建环能科技股份有限公司,四川 成都 610045;3.江西大唐国际抚州发电有限责任公司,江西 抚州 344000)

循环水系统是电厂供水系统中重要组成部分[1],通常由引水段、前池、吸水室构成,其中进水流道需组织流道内的水流顺直、稳定、均匀地进入吸水室[2],流道流态特征对循环水泵的能量特性、经济性和运行稳定性有显著影响[3].同时,前池中水流流态也直接影响循环泵的水力性能、运行效率和使用寿命[4].

进水流道应避免不良流态的产生,影响泵站的安全运行[5].工程实践研究表明,循环泵的水力性能与循环水流道设计有着密切的关系[6].HOU[7]研究了水电站压力前池的流动模式,介绍了压力前池速度分布和流态.SONG等[8]提出了“Y”型导流墩、“T”型导流墩、窄底孔、高宽底、导流墙等优化措施.XU等[9]提出了导流墩和压力板的防淤措施.营佳玮等[10]采用流体体积(VOF)模型,对某泵站前池流态及整流方案提出了优化措施.徐瑞兰等[11]采用立柱排列与前池侧壁边界型线调整相配合的方法对前池进行优化研究.YANG等[12]基于物理模型试验和改进的流体体积模型研究方法,选择不同的整改措施优化泵站前池的流态.ZHAN等[13]进行了非对称循环泵进水试验和数值研究,数值模拟获得涡流位置、结构和形状都与试验中观察到的涡流有很好的一致性.

江西某电厂循环水系统自投运以来,部分循环水泵频繁出现振动问题且伴随水泵筒体螺栓断裂、导轴承偏磨等现象,经过多次对泵筒体进行加固与检修,但是改造效果表明循环泵振动未得到遏制.为溯源循环水泵振动原因,解决循环水泵振动问题,文中采用数值模拟方法研究水泵振动及水流道流场规律,提出多种优化整流方案,综合分析之后,选择施工量小,且整流效果最优的弧状导流板方案,最佳整流措施在该电厂成功实施,未有不良情况产生.

1 数学模型

1.1 控制方程

数值模拟计算控制方程基于雷诺时均N-S方程,并采用Realizablek-ε模型使N-S方程得以封闭.

连续方程为

(1)

式中:ui为i方向速度;xi(i=1,2,3)为坐标轴.

动量方程为

(2)

式中:ρ为液体密度,kg/m3;p为压力Pa;μ为水的运动黏性系数,m2/s;μt为涡黏性系数,m2/s;Fi为沿i方向的质量力.

由于水流为单一介质的不可压缩流动,且本流道模型不需要考虑用户定义的源项.湍动能方程与耗散率输送方程为

(3)

(4)

上述式中:k为湍流动能,m2/s2;ε为湍流耗散率,m2/s3;Gk为平均速度梯度产生的湍流动能;C2和C1ε为常量;σk和σε分别为k和ε的湍流普朗特数.

1.2 物理模型

根据流道设计数据和实地测量数据对比,尺寸误差很小,利用SCDM软件,用原设计尺寸对循环水流道建立1∶1三维几何模型,其俯视图与主视图如图1所示.

图1 三维几何模型

循环水泵为立轴抽芯式、固定转速、固定叶片、单级斜流泵,由立式感应电动机驱动.循环泵由壳体部分、叶轮、轴等组成,额定转速为370 r/min.循环水系统运行为正常水位运行,单泵抽水量为9.59 m3/s.循环水泵安装及部分尺寸如图2所示.

图2 循环泵安装示意图

1.3 网格模型

用Fluent Meshing软件进行网格划分.循环水流道远壁面区采用六面体结构化网格,边界以及流态剧烈变化处采用四面体非结构化网格,经网格无关性验证,选择400万网格模型进行循环水流道流态数值计算模拟.整体网格和局部加密的泵房中心截面网格如图3所示.

图3 网格

1.4 边界条件

进口采用质量流量入口条件,模拟3泵全开的情况.出口采用流量出口边界,即给定出口流量,以满足水泵抽水时的额定流量,不同工况的流量按照运行水泵的台数确定.固壁条件采用标准壁面函数.为模拟液面波动和旋涡产生情况,进水口顶部与前池顶部均为自由液面,选择VOF模型,分别对两相的体积分数进行设置.循环水泵内的动叶部分均采用旋转参考系运动,旋转速度根据水泵运行工况参数设置.

1.5 数值计算方法

应用Fluent 2020 R2软件,基于压力求解器,稳态求解,不考虑流体热质交换过程.数值计算模型采用Realizablek-ε模型,求解的压力-速度耦合算法采用SIMPLE算法,迎风差分格式进行隐式求解.水流在流动过程中有纵向运动,所以需要考虑重力对水流运动的影响,即设置重力加速度为-9.81 m/s2.

2 数值结果及分析

2.1 原始工况分析

特征截面充分考虑了整个循环水流道水力特性及流态,分析各特征截面能全面概括水流道整体的流场及流态,图4为原设计工况下从池底算起0.6,1.2,2.0 m处特征截面速度矢量图.

图4 沿水深方向速度矢量图

0.6 m处能反映池底距喇叭口的流场情况,1.2 m处主要反映循环泵的入水情况,2.0 m处主要反映弧状进水流道、前池及吸水室的整体流场,同时2.0 m可进一步反映流场对循环泵的影响.

由图4可知,循环水经弧形水流道流入前池,由于弧形水流道角度接近直角,在前池入水口形成高速水流区,且因前池长度过短以及流入扩散角过大,无法使高速水流进行足够的缓冲,水流进入吸水室后依旧存在偏流现象以及高流速区.吸水室的水流分布存在明显偏差,A,C两泵吸水室内高速水流紧贴内壁流动,导致单侧壁面水流速与水压过大;B吸水室正对弧形水流道出水口,高速水流易对B循环泵喇叭口前沿造成冲击.喇叭口位于池底1.2 m处,临近喇叭口处壁面水流存在脱壁流动现象.

由图5,6可以看出,水流进入泵房后的偏流情况使循环泵喇叭口四周水流流速分布很不均匀,尤其是A,C两泵,最高流速达1.0 m/s左右,A循环泵前后沿流速差达0.7 m/s,非常不利于循环泵的稳定运行.

图5 沿水流方向泵中心截面等值线图

图6 垂直水流方向泵体中心截面等值线图

2.2 整流方案选择

从以上分析可知,对该泵站的不良流态优化应在其前池实施,改造应通过改造池壁、加设导流板或加设开孔底坎等改善其紊乱的流场.其中改造池壁施工量巨大,而开孔底坎主要目的是消除底层回流,经模拟验证,现有流道中无底层回流现象,故改造方案采用于前池加设分导流立柱或导流板,使得3个泵房的进水流态均匀,不发生偏流.

根据模型特点,设置分水立柱、直线型均流板、弧线型均流板3种均流装置,图7为不同整流措施下的前池改造示意图,其立柱与导流板形状、数量如图所示.

图7 前池改造示意图

如图7所示,共设计直线型均流板、分水立柱和弧线型均流板6种改造方案.其中直线型均流板长度a在2.0～4.0 m,弧线型均流板的弧度α在35°～45°,弧半径不小于4.2 m,中间直板的倾斜角度β不小于5°.不同方案均流板厚度和高度不一,厚度b在0.2～0.4 m,均流板高在2.0～5.0 m.

2.3 各整流方案性能分析

2.3.1 进水流道整体流场分析

分析不同改造方案1.2 m处的流场分布,可以清晰了解改造方案的效果,如图8所示.

图8 各方案水深1.2 m处截面流速矢量图

由图8a可知,前池加装两直线导流板之后A,C吸水室内的偏流情况并未有较大的改善,在A泵房中有部分小旋流的存在,该方案改造效果不佳;由图8b可知,前池加装分水导流立柱后流道整体流态有较大改善,各泵房内的水流均匀,偏流情况基本消失,该方案改造效果较好.

由图8c可知,前池加装两45°弧状导流板后,C泵房的流态有较大的改善,但在B泵房入口有小旋流的出现,不利于B泵的稳定运行,同时A泵房的中心水流未从泵房中心进入.方案1,2,3均是将从弧形进水流道出来的高速水流向两侧均流,使正对水流出口的B泵房内的水流依旧较高,对B循环泵前沿的冲击较大,不利于循环泵整体的运行.

基于上述改造结果,在两直状导流板中间安装倾斜5°导流板,分散正对水流出口的高速水流对B循环泵的冲击.由图8d可知经方案4改造之后B,C泵房内的偏流情况基本消失,两泵房内流态较好,但A泵房的水流流态不佳.

方案5改造之后的流态如图8e可知,进入各泵房内的水流流态平稳,其改造效果较好;方案6在方案5的基础上减小导流板的高度并增加了均流板的宽度,A泵房内的流态相较于方案5更加平稳、均匀.

2.3.2 循环泵四周流态分析

图9为各方案沿水流方向各泵房中心截面矢量图,可知两直状导流板、立柱、两弧状导流板的方案中,各循环泵前后沿的流速差依旧较大,最高达0.7 m/s,改善效果不佳.而加装中间板的各改造方案中,弧状导流板和倾斜5°的改造方案6效果最好,各循环泵前后沿的流速差很小,满足水泵良好运行的条件.

图9 沿水流方向各循环泵中心截面速度线图

图10为各方案垂直水流方向循环泵中心截面速度线图,由图10a—10d可知,经方案1、方案2、方案3和方案4的改造后,循环泵喇叭口处左右两侧的水流流速依然存在较大的差异,相较于原工况并未有较大的改善.方案5和方案6是弧度为35°,但高度和宽度不同的弧状导流板的改善情况.从图10e,10f对比可知,增加导流板的高度对于循环泵喇叭口左右两侧的水流流速差有较好的改善.从图9f和图10f可以看出,该方案下循环泵喇叭口四周的流速均匀,循环泵进水条件较好.

图10 垂直水流方向各循环泵中心截面速度线图

2.3.3 各方案水力性能分析

引起水泵振动的一个关键判断是循环泵进水喇叭口附近水流流速分布,喇叭口四周流速是否均匀对循环泵稳定运行很关键.取原设计方案与优化方案各吸水室内高程为5 m,泵前后左右各0.5 m处的竖向直线作为速度特征直线,判断不同方案前后及左右速度的均匀性,进而判断各方案各循环泵的进水优劣.

图11为各方案下,各循环泵前后速度差Δv分布图,图中l为位置.

图11 整流前循环泵前后速度差分布图

由图11可以看出,循环泵喇叭口附近其泵前和泵后的流速差较大,尤其原工况下B泵前后流速差高达1 m/s,经导流板均流后其流速差明显减小.方案1,2,4对于B循环泵的整流效果明显,但对于A,C循环泵,其优化效果较差.方案5和方案6整流效果均优于其他方案,同时在方案6中,随高度的增加其前后流速差变化很小,基本保持稳定,且基本小于其他优化方案,可知,方案6 的优化效果较好.

图12为整流后各循环泵速度差分布图,由图12可知,经不同方案整流后,各循环泵左右两侧的速度差变化不同,但可以明显看出方案6的整体优化效果均高于其他方案,尤其针对C循环泵而言,其左右两侧的流速差基本小于0.05 m/s,对A,B两循环整流效果也不错.

图12 整流后循环泵前后速度差分布图

以上提出的整流措施,分水导流立柱、直状均流板和弧状均流板方案.直状均流板分散了进水口的集中高速水流,使进入各吸水室的流量基本均衡,但直状均流板未能削减水流的速度,使得进入各吸水室的水流仍发生偏流,未能改善前池水流不均匀性;分水导流立柱削减了水流的速度,但未能使进入各吸水室的流量均匀分配,各吸水室进水流量仍有差别;弧状均流板既使各吸水室流量均匀,又削减了水流速度,使流场得到明显优化,流速均匀,泵体周围无旋涡,水泵进水条件较好.综合以上分析可知,方案6的改造效果最佳.

3 改造后效果分析

基于以上优化方案分析,按方案6进行改造施工,改造完成如图13所示,考虑高速水流对均流板的冲击,均流板之间通过槽钢进行连接加固,槽钢对进入吸水室的流态影响微小可不考虑.

改造前循环泵多次出现振动异常现象,A循环泵运行振动幅值超过0.22 mm,而C循环泵在低速工况下振动情况也明显,最大振动幅度高达0.29 mm.以C循环泵为代表改造前后不同参数的变化:改造前后流量保持不变,为28.76 m3/s,最高流速从改造前的1.20 m/s降为改造后的0.70 m/s,平均前后流速差从改造前的1.12 m/s降为改造后的0.34 m/s,平均左右流速差从改造前的1.03 m/s降为改造后的0.12 m/s,振动幅值从改造前的0.290 mm降为改造后的0.018 mm.改造后循环泵仍按正常工况运行.3循环泵均高速运行至今,未发生不良振动情况,A,C泵振动幅度低于0.02 mm,符合运行振动合格标准0.05 mm,总体运行达到优良水平,改造效果良好.

4 结 论

1) 该电厂循环水流道前池设计为不规范矩形,扩散角过大且长度过短,进入吸水室后存在严重偏流现象,高速水流贴壁运动,造成喇叭口与泵体周围水力不均,易使循环泵产生异常振动.

2) 针对水流偏流现象以及水力不均问题,在前池设置均流板改善流态.整流后进入各吸水室的水流均从中间进入,吸水室内的高速水流和贴壁偏流情况基本消除,各吸水室流量相当且流态平稳.进水流道流态问题得到较好解决,喇叭口进水条件得到了有效改善,基本解决了循环水泵振动的根本问题.

3) 通过数值模拟可以对整流前后前池与吸水室内的水流流态进行预测,从而对设置合理的整流措施起到一定的指导作用.该电厂前池的改造可为弧形进水流道或大扩散角前池整流提供科学依据.