电厂引水明渠导流隔热装置及其设计方法与流程

本发明涉及电厂直流供水系统研究领域，特别涉及一种电厂引水明渠导流隔热装置及其设计方法。

背景技术：

火、核电厂的主要用水是主汽轮机凝汽器及辅机冷却用水，其用水量约占电厂全厂用水量的90％以上。该项用水量很大，例如一台1000MW的常规火电机组的凝汽器及辅机冷却水量约25～30m³/s。电厂若安装4台机组，从水源的取水量可达100～120m³/s；一台1000MW的CPR1000核电机组的汽轮机凝汽器和辅机冷却水、核岛重要厂用水的用水量约50～60m³/s。核电厂若安装4台同型机组，总的取水量将达200～240m³/s。要满足如此大量的取用水量，作为水源的地表水体必须有充足的水量可供取用，且水质和水温也必须满足用水要求。

目前火电厂的建设经验表明，若电厂位于江、河、湖、海等地表水体附近，则有较好的取、排水条件和充足的地表水可供取用，水体的水质、水温均满足用水要求时，采用一次升压的直流供水系统比较经济，水经电厂使用后又排回天然水体，排回天然水体的水除水温升高外，未受其他污染。

直流供水系统是濒海电厂中普遍采用的凝汽器冷却方式，采用直流供水系统的电厂，当水源的水位变幅小、水位与厂区标高相差较少时，通常利用引水明渠把水引到厂区，在主厂房前每台机组的对应位置设置水泵站分别向每台机供水。引水明渠方案以其水力阻力小、初投资省、运行费用低的优势，在濒海电厂中得到了非常广泛的应用。该类引水明渠通常采用浆砌块石或干砌块石结构，边坡系数m采用1.0～1.5，底坡取一定坡度或者采用平坡。

其供水流程一般为：取水口(箱涵)→引水明渠→进水整流箱涵→进水前池→循环水泵房→循环水压力母管→凝汽器→虹吸井→循环水排水沟道→排水明渠及排水口。

为取到海域深层的低温冷却水，取水形式通常采用箱涵潜孔深取的方式，因此引水明渠需要延伸到海域较远的位置，根据工程经验引水明渠的长度通常为1000m～2000m左右。在亚热带地区，夏季平均气温较高，采用三维水动力学模拟软件对明渠的温升场进行三维数值模拟，可发现明渠在日照影响下，水体温度呈现明显的分层现象，表面温度较高而底层温度较低，引水箱涵取到的低温水与高温水在流动过程中将进行混掺，造成底层流动水温升，如果直接采用引水明渠中的水进行冷却，将会影响电厂冷却水水温，最终影响到发电机组的效率。

以广东省内某已投产百万火电机组实测资料的数据为例，在对三维数值模拟软件中的热交换模型参数进行了修正后，针对华南沿海各工程全年逐月的循环水温升进行计算，得出低温水经过太阳辐射后，引水明渠末端循环水泵进口的各月水温温升值在0.10℃～0.50℃左右。冷却水在引水明渠中经太阳辐射后引起的水温升高，将直接影响到发电机组的设计功率，以4台1000MW超超临界的火力发电机组配套的引水明渠为例，该温升将会导致汽轮发电机组的运行背压增加约0.03～0.13kPa(根据各月份气温不同有所变化)，从而发电机组的出力将会减少约0.02％～0.08％，即实际年发电功率减少440万～3520万kW.h，若按上网电价0.62元/kW.h的单价考虑，采用引水明渠方案若考虑冷却水输送过程中太阳辐射引起的水温升高，每年将会损失经济效益约283～2182万元。

因此，研究如何保证引水明渠引用的冷却水不会受太阳辐射的影响，进一步提高发电厂的发电功率，具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电厂引水明渠导流隔热装置，该装置通过在引水明渠前后分别设置一导流隔热板，来降低太阳辐射对引水明渠中水温的影响，尽量避免冷却水升温。

本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种上述电厂引水明渠导流隔热装置的设计方法，通过该方法可以得到装置中各个最优的设计参数，使得隔热效果最优。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：电厂引水明渠导流隔热装置，包括折板型导流板和平板型导流板，所述折板型导流板包括第一倾斜板和第一平板，第一倾斜板一端设置在明渠入口处，另一端与第一平板相连，所述第一倾斜板和第一平板侧边均固定在引水明渠的侧壁上；所述平板型导流板设置在明渠出口与进水整流箱涵连接处，包括第二平板，第二平板的侧边固定在引水明渠的侧壁上。

优选的，所述第一倾斜板的倾斜角度β≧(180-α)+arctan(i)，其中α表示引水明渠底坡转折角度，i表示引水明渠水力坡降，单位为h/m。

优选的，第一平板上表面的高度H2≦97％*引水明渠设计低潮位高度。通过数值模拟，采用此高度可以最大程度避免引水箱涵取到的低温水与高温水在流动过程中进行混掺。

优选的，所述第二平板沿流向长度E≧整流箱涵总宽度+2.0m。

优选的，所述第二平板上表面的高度H≧整流箱涵内顶标高+1.0m。

基于上述电厂引水明渠导流隔热装置的设计方法，包括步骤：

(1)获取当前引水明渠的设计参数，包括底坡转折角度、设计低潮位高度、引水明渠端面参数、引水明渠水力坡降；获取当前整流箱涵的设计参数，包括宽度、内顶标高；获取当前水域参数，包括单位长度水域的太阳辐射温升值；

(2)利用流体力学软件建立本发明所述电厂引水明渠导流隔热装置的明渠流态，第一倾斜板和第一平板的宽度C、第一倾斜板的长度B和第一平板的长度A，三者通过基于CFD软件的明渠流态三维流体力学优化方法或者基于DHI MIKE3软件的明渠温升场三维数值模拟方法优化计算确定；

第一倾斜板和第一平板的厚度基于ANSYS FLUENT软件的结构力学计算法得到；

第一倾斜板的倾斜角度β≧(180-α)+arctan(i)，其中α表示引水明渠底坡转折角度，i表示引水明渠水力坡降，单位为h/m；

所述第二平板的宽度根据引水明渠断面特性确定。

具体的，第二平板的宽度＝明渠底宽+(导流板标高－明渠底标高)×tan^－1(θ)，其中θ为导流板与明渠护面间夹角。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明在引水明渠的入口处设置了折板型导流板，从而使明渠入口处明渠表层和底层流态分层明显，表层输水流速小，底层水流速大，形成“潜流”流态，尽量减小表层与底层水在流动过程中进行混掺。

2、本发明在明渠出口与进水整流箱涵连接处设置了平板型导流板，从而保证循环水泵房进水整流箱涵能取到底层水，避免取到表层高温水，因此可保证电厂冷却水水温不受太阳辐射的影响，提高发电机组的效率。

3、本发明中折板型导流板和平板型导流板的各个关键设计参数均通过三维流体计算软件进行建模，然后通过数值模拟得到，可基于不同的结构得到相应的参数，计算准确，易于推广。

4、相较于传统的引水明渠系统，本发明通过设置电厂引水明渠导流隔热装置，可以有效降低引水明渠输送过程中太阳辐射对水体带来的温升影响，计算显示最终电厂冷却水取水温度降低了约0.08℃～0.30℃(逐月不等)，从而降低汽轮发电机组的运行背压，增加了发电机组的年发电功率，以4台1000MW超超临界的火力发电机组配套的引水明渠为例，导流隔热板的初始投资约为200万元，而每年带来的经济效益约为600万元，经济效益非常显著。

附图说明

图1是本实施例电厂引水明渠导流隔热装置的整体结构示意图。

图2是本实施例折板型导流板处的俯视结构示意图。

图3是图2中A-A剖面结构原理示意图。

图4(a)是本实施例平板型导流板处的俯视结构示意图。

图4(b)是图4(a)中C-C剖面结构原理示意图。

图5是在引水明渠的入口处加装折板型导流板后的流态示意图。

图6是在明渠出口与进水整流箱涵连接处加装平板型导流板后的流态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例通过获取当前引水明渠的设计参数，包括底坡转折角度、设计低潮位高度、引水明渠端面参数、引水明渠水力坡降；获取当前整流箱涵的设计参数，包括宽度、内顶标高；获取当前水域参数，例如单位长度水域的太阳辐射温升值；利用流体力学软件经过大量的优化计算提出了本实施例所述电厂引水明渠导流隔热装置的具体结构。本实施例导流隔热板由设置在明渠入口(引水箱涵变坡段后)的折板型导流板和设置在循环水泵房进水整流箱涵上缘、明渠出口处的平板型导流板组合而成。下面结合附图，对两个结构进行具体说明。

参见图2、图3，本实施例折板型导流板包括第一倾斜板和第一平板，第一倾斜板一端设置在明渠入口处，另一端与第一平板相连，所述第一倾斜板和第一平板侧边均固定在引水明渠的侧壁上。

图中A、B、C、α、β、H1、H2为导流隔热板的主要工艺参数。各个关键参数选取依据：

1、第一平板上表面的高度H2≦97％*引水明渠设计低潮位高度。

2、第一倾斜板的倾斜角度β≧(180-α)+arctan(i)，其中α表示引水明渠底坡转折角度，i表示引水明渠水力坡降，单位为h/m。

3、第一倾斜板和第一平板的宽度C、第一倾斜板的长度B和第一平板的长度A，三者通过基于CFD软件的明渠流态三维流体力学优化方法或者基于DHI MIKE3软件的明渠温升场三维数值模拟方法优化计算确定。

4、第一倾斜板和第一平板的厚度基于ANSYS FLUENT软件的结构力学计算法得到。

参见图4(a)、图4(b)，本实施例平板型导流板包括第二平板，第二平板的侧边固定在引水明渠的侧壁上。

图中E、H、F为导流隔热板的主要工艺参数。各个关键参数选取依据：

1、第二平板沿流向长度E≧整流箱涵总宽度+2.0m。

2、第二平板上表面的高度H≧整流箱涵内顶标高+1.0m。

3、第二平板的宽度(也就是垂直流向宽度)根据引水明渠断面特性确定。具体计算方法是：第二平板的宽度＝明渠底宽+(导流板标高－明渠底标高)×tan^－1(θ)，其中θ为导流板与明渠护面间夹角。

图5是在引水明渠的入口处加装折板型导流板后的流态示意图。图6是在明渠出口与进水整流箱涵连接处加装平板型导流板后的流态示意图。从图中可以看到，在设置折板型导流板和平板型导流板后，明渠表层和底层流态分层明显，表层输水流速小，底层水流速大，形成“潜流”流态。明渠形成潜流后，80％来自底层低温水以潜流形式输送，仅20％的底层低温水以表层输送。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。