永川火力发电厂三期工程取水口模型试验.pdf

第 3 2 卷第 4期 V0 1 ． 3 2 No． 4 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r Re s o u c e s 2 0 1 2 年 8月 Au g．2 01 2 D O I 1 0 ． 3 8 8 0 ／ j ． i s s n． 1 0 0 6 7 6 4 7． 2 0 1 2 ． 0 4． 0 0 7 永川火力发电厂三期工程取水 口模型试验 韩 强 ， 佘明富2 ， 徐 薇 1 ． 山东电力工程咨询院有限公司， 山东 济南2 5 0 0 1 3 ； 2 ． 南京水利科学研究院河流海岸研究所， 江苏 南京2 1 0 0 2 9 ； 3 ． 济南市市政工程设计研究院 集 团 有限责任公司 ， 山东 济南2 5 0 1 0 1 摘要 为确定永川火力发电厂三期工程的取 水口位置， 通过物理模型试验对 3个取水断面附近的流 场分布和泥沙冲於规律进行分析。试验结果表明， 3个取水断面附近都是年 内冲於平衡 的， 综合考 虑工程投 资和取水 口对通航的影响， 采用取水断面 2作为电厂的取水 口。 关键词 电厂取水 口； 流场分布 ； 泥沙冲淤规律 ； 物理模型试验 ； 永川火力发 电厂 中图分类号 T V 6 7 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 2 04 0 0 2 9 0 4 Mo d e l t e s t f o r w a t e r i n t a k e o f Y o n g c h u a n f o s s i l f u e l p o w e r p l a n t p h a s e m p r o j e c t ／ ／ H A N Q i a n g ， S H E M i n g - f u z ， X U We i 1 ． S h a n d o n g E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g C o r u l t i n g I n s t i t u t e C o ． ， ． ，J ／ ’ n a n 2 5 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． R i v e r H a r b o r E n g i nee r i n g D e p a r t m e m，N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h h t i t u t e ，N a n g 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a ； 3 ． y i ’ nan Mu n i c ip a l E n g i n e e r i n g D e s i g nR e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ， d ． ，J ／ ’ nan 2 5 0 1 0 1 ，C h i na A b s t r a c t I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e l o c a t i o n o f w a t e r i n t a k e o f Y o n g c h u a n f o s s i l f u e l p o w e r p l a n t p h a s e I I I p r o j e c t ， the fl o w fi e l d d i s t rib u t i o n a nd t h e s e d i me n t d e p o s i t e r o s i o n l a w a r o u n d the t h r e e wa t e r i n t a k e s e c t i o ns we r e a n a l y z e d i n t h i s s t u d y． T h e e x p e ri me n t al r e s u l t s s h o w t h a t the e r o s i o n a n d d e p o s it i o n o f t h e t h r e e w a t e r i n t a k e s e c ti o n s i s b a l a n c e d o v e r a y e a r ．C o n s i d e r i n g t h e p r o j e c t i n v e s t m e n t a n d t h e i n fl u e n c e o n n a v i g a t i o n ， the s e c o n d w a t e r i n t a k e s e c t i o n i s u s e d a s th e w a t e r i n t a k e o f t h e pow e r p l ant ． Ke y wo r d s wa t e r i n t a k e o f po w e r p l a n t ；fl o w fi e l d d i s t r i b u t i o n ；s e d i me n t d e p o s i t e r o s i o n l a w；p h y s i c al mo d e l t e s t ；Y o n g c h u a n f 0 s s i l f u e l p o we r p l an t 2 1 世纪 以来 ， 中国经济迅猛发展 ， 对 电量的需 求也越来越大， 为解决重庆地 区发电量不足的问题 ， 重庆永川火力发 电厂三期工程于 2 0 0 5年异地扩建 ， 新厂址位于永川市松溉镇。永川火力发电厂三期工 程新建 2 X 1 3 5 M W 凝汽式发 电机组 ， 夏季最大需水 量为 7 9 7 m 3 ／ h ， 以长江水作为电厂补充水源。取水 口处设 2个取水蘑菇头， 直径为 2 m， 用 2条 D N 4 0 0 的钢管引至岸边取水泵房。 长江取水河道多年平 均含沙量为 1 ． 1 4 k g ／ m 3 ， 多年实测最大含沙量为1 5 ． 4 k g ／ m 3 ， 多年平均悬移质 输沙量约为 3 ． 0 7 亿 t ， 汛期 7 9月悬沙来量 占全年 的 7 5 ％以上 。因此 取水 口的设置首先要考虑淤积 问题 ， 另外 由于长江是我国重要的航道 ， 取水 口的设 置不能影响航道 的正常运行。本文通过永川火力发 电厂三期工程的取水 口物理模型试验， 对 3个取水 断面附近的流场分布和泥沙 冲淤规律进行分析 ， 从 而确定最经济合理的取水 口位置 ， 为取水 口及取水 泵房的设计和施工提供依据 。 1 模型设计 1 ． 1 几何 比尺 永川 I 火力发电厂三期工程取水河道参与造床作 用的泥沙 主要为悬 浮质 泥沙 ， 模 型设 计水 平 比尺 l 2 5 0 ， 垂直 比尺 h 1 0 0 ， 变率 ， 7 2 ． 5 。模 型有 效范围从上游朱沱水文站附近至下游的朱羊溪。模 型制作采用断面法 ， 采用 1 9 9 4年施测 的 1 5 0 0 0航 道图制模 ， 取水段局部采用 2 0 0 3年 5月 1 2 0 0 0地 形图。为保证精度 ， 一些关键 的局部微地形参照航 道图和大比尺地形 图采用等高线法仔细塑造 。断面 砌筑完毕后进行高程点核对 ， 要求断面上高程点绝 对误差小于 2 l n t n 。 1 ． 2 水流运动相似 天然河道的水流一般均处于紊流状态， 保证水流 相似的条件为重力相似 、 阻力相似和流量相似[ t - 3 ] 重力相似 h 1 作 者简介 韩强 1 9 7 7 一 ， 男 ， 江苏沛县人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 主要从事 电厂水工系统的设计与研究 。E - m a i l h a n q i a n g s d e p c i ． e o ln 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 4 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ． e d u ． m h t tp ／ ／ k k 5． ． e d u ． C ll , 2 9 阻力相似 2 2 模 型试 验验证 流量相似 o h l 3 式 中 和A 为流速 比尺； 为糙率比尺； 0为流 量 比尺 。 为使模 型的糙率 系数满足设计要求 ， 模型采用 梅花形橡皮加糙方法 ， 橡皮尺寸为 3 0 F il m1 5 m m 5 I n lT l 长 宽 厚 ， 间距为 5 0 n l lT l 。 1 ． 3 悬沙运动相似 由非恒定流悬沙运动方程和河床变形方程可 以 导 出悬沙相似条件 沉降速度相似 挟沙能力相似 冲淤时间相似 A s 2 s 4 5 6 悬移质挟沙能力相似l 4 J ．s _ 7 P 一P 式 中 为泥沙沉降速度 比尺， 4 ； s为含沙量 比尺 ， s 0 ． 2 2 ； s为水流挟沙力 比尺 ； A 2 为冲淤时 问比尺 ， 22 6 0 ； p n 为 淤 积 泥 沙 干 密 度 比尺 ， 2 ． 3 ； 为起动流速 比尺 ， 1 0 ； p为模 型沙 密度 比尺 ； 。 一 。 为原型沙密度 比尺。 根据上述相似条件结合取水河道泥沙特性 ， 模 型沙选用 6 0～1 0 0目的木粉按粒径相似要求配 比得 d 。 0 ． 0 8 5 n q l T l 左右的模型沙 ， 测得平均沉降速度约 为 0 ． 0 4 5 e m ／ s ， 浸水饱和后木粉含沙量为1 ． 1 6 g ／ o m 3 ， 起动流速为 6～8 c m ／ s ， 长江松概河道平均水深一般 在 8 ～1 5 m， 按窦 国仁起 动流速公式_ 1 j 计算 ， 原型起 动流速在 6 2 ． 0 ～8 0 ． 4 c m ／ s 之 间， 起动流速比尺基本 满足要求 。模型的冲淤时间比尺等一般通过验证试 验适 当调整。 2 ． 1 清水试验 2 ． 1 ． 1水 面线验 证 长江上游水文水资源勘测局在模型试验段内共 设 4 个测点 ， 清水水位验证采用 2 0 0 5年 1 0月 1 3 1 4日流量为 8 9 4 0 m 3 ／ s时的实测 中水 瞬时水 面线。 调整模型糙率和关键部位地形 ， 使模 型水面线和原 型水面线基 本一致 ， 各 站水位 的绝 对误 差均小 于 0 ． 0 0 1 m 相 当于原型的 0 ． 1 m ， 如表 1 所示 ， 沿程水 面线验证结果表明模型满足阻力相似要求。 表 1 2 0 0 5 年 l 0月 1 3 1 4日沿程水面线验证结果 m 2． 1 ． 2流 速 验 证 以 2 0 0 5年 1 0月 l 3 一l 4日实测流量 8 9 4 0 m 3 ／ s 为基准 ， 测取 3 个断面垂线平均流速进行流速验证 ， 验证结果见表 2 。由表 2可 以看 出 ， 模型流速沿河 宽分布与原型基本相似。 2． 1 ． 3分流 比验证 对永川火力发电厂厂址 附近温中坝两侧分流 比 进行验证 ， 其 中断面 2左汊天然流量为 3 3 4 01 1 3 。 ／ s ， 占总流量 的 3 7 ％； 右汊流量为 9 0 2 0m 3 ／ s ， 占总流量 的 6 3 ％。模型左汊流量 为 3 4 2 0 m 3 ／ s ， 占总流量 的 3 8 ． 3 ％； 右汊流量为 5 5 2 0 m 3 ／ s ， 占总流量的 6 1 ． 7 ％， 表明分流 比误差较小 ， 与河道实际情况基本吻合 。 清水试验验证结果表明模型和原型的水面线基 本一致 ， 模 型流速沿河宽分布与原型基本相似 ， 模型 分流比误差较小 ， 与原型基本吻合。 2 ． 2 浑水试 验 浑水试验 的目的在于验证模型在两个水文年内 表 2 取水河道垂线平均流速沿河宽分布的验证结果 o 5 0． O 1 1 2． 5 I 7 5． 0 2 3 7． 5 3 0 0． 0 3 6 2． 5 4 2 5 ． O 4 8 7 ． 5 5 3 7． 5 0 2． 9 5 2． 7 2 2． 2 l 2． 2 2 1 ． 2 5 0 O 0 2． 2 4 2 ． 4 5 2． 5 2． 5 2 1 ． 5 4 O ． 3 9 O O 0培8 2． 61 3． 2 5 2． 6 1 2． 2 7 1 ． 3 5 0 0 1 ． 4 9 2． 5 3 2 ． 8 9 2 ． 6 5 2 ． 3 O 1 ． 2 0 O 注 起点距表示与起点的距离。 3 0 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 4 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l 麝h h u ． e d u ． m h t t p ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． 67 2 7 2 7 3 7 2 7 0乃 掷 拼 5 8 7 6 9 3 4 0∞⋯ 啪 踮 博 ∞ 矾 O O 1 1 2 2 1 2 0 鼹 O O O 1 1 2 2 1 3 0 冲淤范围和淤积量与原型的相似程度。本次模型验 证限于 2 0 0 3年 5月测图范围。 2 ． 2 ． 1 来水来沙过程概化 根据 2 0 0 3 2 0 0 5年 天然取 水河道实测 资料及 河道冲淤特点分析 ， 2 0 0 3年 5月至 2 0 0 5年 1 0月河 道稍有淤积 ， 但淤积量不大 ， 基本为汛期未冲刷完的 淤沙。验证试验 2 0 0 3年 5月开始 ， 2 0 0 5年 1 0月 1 4 日结束 。 模型试验的人 口水沙条件按朱沱水文站相应水 文资料控制。尾门控制水位通过朱沱水文站水位 ～ 流量关系按 比降换算到尾 门控制站 ， 并利用朱沱水 文站水位进行水位校核。 各 流量级 的底沙加沙量均按窦 国仁推移质公 式⋯ 1 计算 ‰ 。 v 3 C o p s -p 8 g s 。一一 其中 一h 6 C O n～g 式中 为单宽输沙率； a为河床补给系数 ； I D 为泥 沙颗粒的密度 ； f0为水的密度 ； C 。 为无量纲 的谢才 系数 ； 为垂线平均流速 ； k 为起 动流速 个别泥沙 起动 ， 其他泥沙不动 ； g为重力加速度 ； 为沉降速 度； h为水深 ； n为曼宁糙率系数。 2 ． 2 ． 2 取 水 河道 冲淤量 验证 从试验过程的监测情况来看 ， 河道年 内冲淤过 程基本分为两个阶段 第 1阶段从 5月下旬到 9月 ， 基本为淤积过程 ， 9月淤积量达到最大 ； 第 2阶段从 9月到 1 2月 中旬 ， 皆为冲刷过程。2 0 0 5年 1 0月原 型 和 模 型 的 剩 余 淤 积 量 分 别 为 2 6 ． 2万 n 1 3和 3 0 ． 4 3万 m 3 ， 可见 冲刷后 的剩余 淤积量 比较接 近。 图 1 给出了 2 o o 3 2 O H D 5年模型 和原 型淤积分布 的 图 1 2 0 0 3 --2 0 0 5年模型与原型淤积分布对比 单位 m 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 4 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 对 比， 由图 1 可以看出， 模型验证淤积范围和原型淤 积范围基本一致 ， 冲刷后剩余淤积范围也基本一致 ， 表明模型与原型冲淤过程及冲淤分布是相似的。根 据试验过程的监测分析 ， 取水河道汛期淤积的泥沙 到次年年初基本冲刷完毕。 3 取水河道泥沙冲淤试验 泥沙冲淤试验 主要考虑了两种情况 一是相对 较 长 的 年 际 间 的 冲淤 变 化 ； 二 是 年 内 的冲 淤 过 程[ 5 - 7 ] 。根据不同时期测图的比较 ， 该河道没有明显 的冲淤趋势 ， 长期来说是稳定的 ， 因此本次年际问冲 淤变化主要 考虑年际间水 沙变化较大 的年份组合 共 5 a ， 代表水沙采用 1 9 9 6 --2 0 0 0年朱沱水文站资 料 ， 其中包括暴发大洪水的特殊年份 1 9 9 8 年 ， 测取 每年年末的河道地形作为取水河道年际间地形变化 的参考。年 内冲淤试验选用 1 9 9 8年水沙过程作为 代表水沙组合 ， 试验结果是偏安全的。 3 ． 1 取水河道泥沙淤积分布 图 2 a 给出了取水河道在电厂运行 5 a 后 的淤 积分布， 可见淤积主要分布于温中坝碛尾 、 弯道凸岸 等部位 ， 一般淤积厚度在 2 1T I 以内， 局部如温中坝碛 尾淤积达 3～4m， 全河道淤积总量为 1 1 9 ． 6万 m 3 。 电厂取水河道北岸淤积强度及淤积量均较小。由图 2 a 可以看出， 取水断面 1 附近基本无淤积 ， 淤积主 要分布于大六溪河 口边 滩及 深槽 ， 靠 近取水 断面 2 和取水断面 3 。 3 ． 2 取水河道年内冲淤过程 根据泥沙淤积试验 的观测结果 ， 取水河道年 内 冲淤变化 比较 明显。一般 规律是汛期淤积汛 后冲 刷 ， 年 内基本平衡 。为研究河床年内的冲淤过程 ， 利 用 1 9 9 8 年水沙资料进行河床年内冲淤过程的模拟， 测取汛末最大淤积量 ， 并对重点关注的断面进行冲 淤过程的监测。 图 2 b 给出了 1 9 9 8 年汛末取水河道淤积分布， 可以看出 ， 汛末淤积部位与 图 2 a 是类似 的， 但淤 积强度和范围明显大于 图 2 a 。淤积强度一般在 4 m以内， 全河道淤积总量达 2 4 4 ． 5万 1 1 1 。从 图2 b 可以看出 3个取水断 面附近的冲淤变化 ， 其淤积主 要位于大六溪河 口边滩及深槽。 图 3给出了3个取水断面的年内冲淤过程 ， 图 3 表明汛期河道内是淤积 的， 9月淤积强度达到最大， 随后河道开始冲刷 ， 淤积厚度逐渐减小 ， 到年末保持 河道的相对平衡。 试验结果表明取水断面 1 附近泥沙淤积较少 ， 取水断面 2附近最大淤积厚度小于 3 ． 5 m， 取水断面 3 附近最大淤积厚度小 于3 ． O m， 可见 目前河道满足 E - m a il h h u ． e d u ． m h t t p ／ ／ k k b ． h h u ． e d u． c a 31 朱沱镇 起点距／ m a 取水断面 l 沱镇 一一 模型淤积范 图 2 取水河道淤积分布 单位 m 7 月 ⋯ 一 9 1 1 1 q 一 年 起点 ／ i n b 取水 断面2 2 2 1 1 。 5 2 0 5 静 200 1 8 O 起 点距 ， m c 取水断面3 图 3 3 个取水断面的年 内冲淤过程 电厂扩建的取水要求 ， 一般无需疏浚维护。另外 由 道附近 ， 枯水季节可能对通航产生影 响。经过综合 于取水断面 1 距厂址较远 ， 工程投资较大 ； 取水断面 比较 ， 最终将取水 口设在取水断面 2 。 2水流比较平顺 ， 可以避开主航线 ； 取水断面 3 淤积 永川火力发电厂三期工程于 2 0 0 5年开工建设 ， 较少 ， 工程投资节省， 但取水 口位于主航道附近 ， 枯 运行至今状态 良好 ， 在电厂运行过程 中没有发生 因 水季节可能对通航产生影响。经过综合比较， 最终 长江水位起伏和流量变化造成的取水 口淤积， 且取 将取水 口设在取水断面 2 。 水 口对长江航道也没有产生影响， 为 电厂的连续运 4 结 语 永川火力发电厂厂址不同时期的地形资料对 比 表明， 取水河道岸线稳定 ， 左岸深槽及各取水断面位 置基本没有累积性 冲淤 ， 河床 冲淤幅度较小。模型 清 、 浑水验证试验结果表 明， 模型与原型阻力相似 ， 流速分布与实测结果吻合 ， 淤积范 围及淤积量与原 型基本接近， 表明模 型采用的各项水流 比尺选择合 理 ， 可以达到与原型的相似 ， 可用于电厂取水能力试 验。取水河道泥沙 冲淤试验结果表 明， 取水河道 泥 沙洪水淤积 ， 枯水 冲刷。淤积主要分布于温中坝碛 尾 、 弯道凸岸等部 位 ， 1 9 9 8年汛末 淤积厚度一般在 4 m以内， 全河道淤积总量为 2 4 4． 5万 r n 3 ， 汛后泥 沙 冲刷 ， 年际间保持相对平衡。3个取水 断面的淤 积 厚度均不大 ， 目前河道满足电厂扩建的取水要求 ， 一 般无需疏浚维护。由于取水断面 1 距 厂址较远 ， 工 程投资较大 ； 取水断面 2水流 比较平顺 ， 可以避开主 航线 ； 取水断面 3 工程投资节省 ， 但取水 口位于主航 行提供了有力的保 障， 这表 明永川火力发 电厂 三期 工程取水 口物理模 型试验 的结论 是正确 的， 取水 口 的设置经过 了实践的检验。 参考文献 [ 1 ]窦 国仁 ， 万声淦 ， 陆 长石 ， 等 ． 长江 三峡工 程 回水 变动 区 长河段泥沙模型验证试验报告[ R ] ． 南京 南京水利科学 研究 院， 1 9 9 0 ． [ 2 ]窦国仁 ， 万声淦 ． 三峡变动回水区泥沙问题的试验研究 [ R ] ． 南京 南京水利科学研究院， 1 9 9 0 ． [ 3 ]钱宁， 万兆惠． 泥沙运动力学 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 8 3． [ 4 ] 谢鉴衡 ． 河流模拟[ M] ． 北京 水利水电出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 5 ]王兆印， 徐永年， 苏晓波 ． 挟沙水流的冲刷率及河床惯性 的研究[ J ] ． 泥沙研究， 1 9 9 8 2 4 - 7 ． [ 6 ]张鹤， 郭维东， 王智． 哈尔滨第一热电厂取水口模型试验 研究[ J ] ． 水利水电科技进展， 2 0 0 7 ， 2 7 1 5 3 5 6 ． [ 7 ]熊绍隆， 曾剑 ， 韩海骞． 潮汐河 H泥沙物理模型若干问题 探讨[ J ] ． 水利水电科技进展， 2 0 1 0 ， 3 0 1 1 9 2 4 ． 收稿 日期 2 0 1 1 ～ 1 2 1 2 编辑 骆超 3 2 水利水电科技进展 ， 2 0 1 2 ， 3 2 4 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l h h u ． e d u ． c n h t tp ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． 67 2 姗 瑚