沈冬梅，余才銳，吳少揚(yáng)

（1.皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，安徽六安237012；

2.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢430071）

虹吸井是電廠冷卻水排水系統(tǒng)中重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)的合理性不僅與其自身功能的實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)，更直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)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(jié)構(gòu)參數(shù)。堰頂高程若過高，虹吸作用減弱，運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用增加，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的泡沫污染；過低，則極易導(dǎo)致負(fù)壓過低，甚至?xí)霈F(xiàn)水錘破壞情況。斷面面積若設(shè)計(jì)過大，將加大工程建設(shè)成本；若過小，如突遇水泵斷電，將很可能出現(xiàn)較大的負(fù)壓水錘現(xiàn)象[2-5]。目前虹吸井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多是參照相關(guān)設(shè)計(jì)手冊得出，對設(shè)計(jì)計(jì)算也是僅從經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)在初始確定時(shí)未必能與實(shí)際工程相符，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生嚴(yán)重的泡沫污染，對環(huán)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(yàn)，可以克服單純依靠理論計(jì)算的缺陷，不僅可以驗(yàn)證理論計(jì)算參數(shù)的合理性，還能觀察其水力特性、水流流態(tài)和泡沫污染，因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，結(jié)合水力特性物理模型試驗(yàn)確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不僅考慮了經(jīng)濟(jì)性，更能兼顧環(huán)保性和安全性，有著其他方法不可替代的優(yōu)勢。

1 工程基本資料

某燃煤發(fā)電廠，靠近長江，廠址所處地區(qū)為北亞熱帶季風(fēng)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(jī)容量600MW，設(shè)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(jī)組的循環(huán)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(shè)計(jì)分析

2.1 水力特性物理模型試驗(yàn)

交角的選擇：虹吸井的斷面面積是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，實(shí)際工程中受場地的局限性影響較大。本工程循環(huán)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(diǎn)，確定采用薄壁堰作為過水構(gòu)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(gè)主要因素，因此確定一個(gè)合適的交角是虹吸井設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為確定合適的交角，在實(shí)驗(yàn)室建立薄壁堰泄流模型，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)研究斜交堰在交角為15°、30°、45°、60°時(shí)的泄流實(shí)驗(yàn)，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(guān)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(qiáng)。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(tài)如何，是否會產(chǎn)生較大的泡沫污染，要進(jìn)一步結(jié)合下游水流流態(tài)分析。水流流態(tài)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(huán)境影響極大[5]。針對上述問題，結(jié)合薄壁堰泄流試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置和結(jié)果見圖1和圖2，分析虹吸井內(nèi)的水流形態(tài)及泡沫輸移情況，優(yōu)化虹吸井的水力性能。觀察薄壁堰泄流試驗(yàn)出水水流狀態(tài)，在自由出流情況下，斜交堰交角由30°增大到60°時(shí)，水流沖刷趨于劇烈，下游水流紊動性增強(qiáng)，產(chǎn)生的泡沫量也越多。結(jié)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(guān)系

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

堰高CH：根據(jù)火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T 5339-2006），取堰上水頭H=0.6m，初步設(shè)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(nèi)的水面標(biāo)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(shù)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(jù)火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T 5339-2006），則可得出此堰屬非淹沒堰，經(jīng)計(jì)算CH≥0.5H，H≥0.1m，則可得出堰的流量系數(shù)：

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(shù)；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(shù)同上。將上述參數(shù)結(jié)合（1）式和（2）式進(jìn)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(qū)虹吸井平面布置圖

2.3 設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化分析：在非淹沒出流條件下對不同角度的堰型進(jìn)行比較，結(jié)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(shí)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(jīng)濟(jì)性考慮不宜采用大角度斜交堰。

環(huán)保性優(yōu)化分析：虹吸井自由出流時(shí)，產(chǎn)生劇烈的水汽摻雜現(xiàn)象，排水口泡沫污染嚴(yán)重。從水力特性物理模型試驗(yàn)看出，當(dāng)斜交堰交角逐漸增大時(shí)，水流紊動性增強(qiáng)，堰后水流恢復(fù)常態(tài)的距離逐漸加大，產(chǎn)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(tǒng)中投加消泡劑。這樣不僅增加了電廠的運(yùn)行費(fèi)用，而且消泡劑又會對受納水體環(huán)境產(chǎn)生二次污染[6]。從環(huán)境保護(hù)的方面考慮，虹吸井交角不宜過大。

圖4 某電廠廠區(qū)虹吸井剖面圖

表1 虹吸井設(shè)計(jì)尺寸比較

安全性優(yōu)化分析：虹吸利用高度越高，經(jīng)濟(jì)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(yáng)程勢必要減少1m。按年利用小時(shí)數(shù)5 000計(jì)算，廠用電價(jià)取0.4元/千瓦時(shí)，則兩臺機(jī)組水泵年運(yùn)行節(jié)約的費(fèi)用：，其中，K為安全系數(shù)；γ為水的容重，kg/m2/s2；Q為水泵流量，m3/s；H為水泵揚(yáng)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(yùn)行費(fèi)用可節(jié)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(huán)水管是封閉空間，循環(huán)水排水口離凝汽器排水口距離超過10m（一個(gè)大氣壓的水柱），就會導(dǎo)致循環(huán)水回水管路斷流，后果很嚴(yán)重。為使回水能夠順暢流動，循環(huán)水泵就會多做功，從而多耗費(fèi)電量，效果適得其反。根據(jù)以往工程實(shí)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(yōu)化分析，斜交堰的角度α=34o，虹吸高度7m的設(shè)計(jì)是合理的。

3 工程驗(yàn)證與總結(jié)

虹吸井是電廠冷卻水排水系統(tǒng)中重要的水工建筑物，其結(jié)構(gòu)的合理性不僅與其自身功能的實(shí)現(xiàn)息息相關(guān)，更直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。僅參照設(shè)計(jì)手冊得出的結(jié)構(gòu)參數(shù)往往與工程實(shí)際場地不符，且對環(huán)境破壞大。本工程設(shè)計(jì)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水力特性物理模型試驗(yàn)，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(shè)計(jì)過程中從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、安全性對各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，確定虹吸井尺寸。本設(shè)計(jì)已完成施工并運(yùn)行，經(jīng)過一段時(shí)間的觀察，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，泡沫污染小。采用虹吸井后，年運(yùn)行費(fèi)用可減少72.90×7=510.3萬元，說明本工程結(jié)合水力特性物理模型試驗(yàn)確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法是合理可行的，綜合設(shè)計(jì)布局合理。本工程設(shè)計(jì)結(jié)合水力特性物理模型試驗(yàn)確定虹吸井的結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法避免了單純理論計(jì)算的缺陷，有較強(qiáng)的參考價(jià)值。