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核电站排水跌落井的设计尺寸探讨
更新时间:2016-11-29 来源:《给水排水》 作者:李奇,张荣勇,白玮

摘要:阐述了核电站排水跌落井的功能、作用及特点,通过水力模型试验对比了跌落井溢流堰的型式,推荐采用水流平顺、过流能力强的实用堰。首先通过水力学公式计算跌落井的设计值,再利用水力模型试验验证并优化设计值,总结了跌落井的堰上水位、长度、宽度的计算方法。

0 引言

采用直流冷却供水方式的滨海火力发电厂和核电站,循环冷却水系统的末端一般都设有排水跌落井,排水跌落井汇集各种排水后排入大海。通过井中的溢流堰抬高堰前水位,利用虹吸作用以降低循环水泵扬程,虹吸高度一般6~8m。核电站的水系统繁多复杂,虹吸井接纳的排水管沟也较多,循环水量较大。

对于排水跌落井的尺寸设计,主要根据溢流堰的流量计算公式、水跃计算公式,尚无合理完善的计算公式与方法,有些电厂还增加了堰后消能、消泡的功能,因此采用水力模型试验来确定跌落井的尺寸是目前比较科学稳妥的方法。本文通过水力学公式、水力模型试验研究跌落井内部水流条件、水力要素。首先通过水力学公式计算了跌落井的设计尺寸,利用水力模型试验验证并优化了跌落井的尺寸,总结了跌落井的堰上水位、长度、宽度的计算方法。

1 溢流堰选型

国内某百万千瓦级核电站的跌落井,单台机组循环水冷却水量夏季为58.77m3/s,冬季为44m3/s。跌落井收集了重要厂用水、循环冷却水、雨水等,通过排水隧洞排入大海。

排水跌落井中溢流堰的作用首先为抬高水位,充分利用虹吸高度———堰上水位与凝汽器顶的高差,其次是收缩过流断面,形成平稳顺畅的水流,减少水头损失。跌落井堰型选取时考虑的水力因素包括:泄流能力强,充分利用可到达的虹吸高度;上下游流态均匀、稳定;掺气量少,以减少泡沫的产生;井后排水隧洞进口无吸气漩涡,并尽量避免气泡进入排水隧洞。跌落井多采用薄壁堰、实用堰或宽顶堰溢流雍水。

1.1 过流能力

跌落井堰流利用流量计算公式,得到堰宽,见式(1)、式(2):

Q=δcδsmnb(2g)1/2 H03/2 (1)

H0 =Hd+v202g(2)

式中Q———流量,m3/s;

δc———侧收缩系数;

δs———淹没系数;

m———流量系数;

n———闸孔数;

b———堰宽,m;

g———重力加速度,9.81m/s2;

H0———包括行近流速水头的堰前水头,m;

Hd———堰上水头,m;

v0———堰上流速,m/s。

水力模型试验得到的自由堰流时堰上水头与流量关系见图1,试验的流量系数比计算结果小。在相同的堰上水头条件下,自由出流时,实用堰流量系数最大,薄壁堰次之,宽顶堰最小。

1.2 流态与水头损失

循环水排水管道的水流进入堰前,为淹没出流。堰流分为自由出流(外海低潮位时)、淹没出流(外海高潮位时)。堰后水流由急流变为缓流,会发生水跃,但由于外海的顶托作用,堰后水位较高,水跃一般淹没在水下。本研究对三种堰型进行水力模型试验(见图2~图4),宽顶堰的堰后水流流态最差,堰后水位波动较大,而且在堰后低水位时掺气量大,海水水质较易形成泡沫。此外,该堰型在低水位时有大量的气泡进入堰后的排水隧洞,会产生气囊,不利于工程安全运行。薄壁堰在低潮位时,堰后水舌形成空气囊,堰后自由跌流产生掺气。曲线形实用堰(WES堰)的堰后水舌贴合堰壁,水头损失最小。综合过流能力、流态、水头损失3方面,核电站大流量下的跌落井溢流堰,建议采用曲线形实用堰。

2 水力学公式计算

通过水力学公式计算,先初步设计跌落井的尺寸。跌落井的设计尺寸包括堰上水头、堰顶标高、长度、宽度。根据工艺要求堰宽取17.05m,堰上水头、堰顶标高是由前后接口与过堰水流的水力特性共同决定的,堰上水位等于堰上水头加上堰顶标高。经计算得到跌落井尺寸见图5,图中D0为排水沟断面高度或排水管直径,P 为堰高,L1为堰前长度,L2为堰后长度,hc为收缩断面水深,h″c为跃后水深。

版权、出处:《给水排水》

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