唐 勇，曾 華，廖內(nèi)平

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

濱?；?yàn)I江的電廠，如設(shè)置有專(zhuān)用煤碼頭，取水設(shè)施一般需要結(jié)合碼頭進(jìn)行布置，可以充分利用碼頭航道所具有的良好水深條件和清淤條件，從而節(jié)省工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。根據(jù)碼頭的型式及特點(diǎn)，目前取水布置多采用與有港池的碼頭結(jié)合設(shè)計(jì)、取水明渠設(shè)置于碼頭后方和碼頭上游布置箱涵取水頭等方式，但對(duì)于在碼頭正下方重疊式布置取水設(shè)施研究較少。本文結(jié)合某1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組取水方案，對(duì)碼頭下重疊式取水方案的布置特點(diǎn)，取水頭與碼頭、船舶的相互影響進(jìn)行了研究，并采用三維數(shù)值模擬對(duì)取水頭內(nèi)流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，根據(jù)研究和模擬計(jì)算結(jié)果優(yōu)化了取水頭尺寸、標(biāo)高和布置方案，以期更好地與碼頭結(jié)合布置。

1 工程概況

碼頭下重疊式布置取水設(shè)施不占用岸線資源，取水與碼頭可以統(tǒng)一管理，優(yōu)點(diǎn)十分明顯，但是也存在與碼頭的相互影響。本研究結(jié)合某電廠取水設(shè)計(jì)進(jìn)行，電廠本期裝機(jī)為2×1 000 MW燃煤發(fā)電機(jī)組，廠址位于湖口縣城東北方向約16.8 km的銀砂灣工業(yè)園區(qū)，距離西南方向的九江市約37.5 km。廠址西北距長(zhǎng)江約1.5 km。

該工程煤碼頭位于長(zhǎng)江右岸，擬建設(shè)3個(gè)5 000 t級(jí)散貨進(jìn)口泊位及1個(gè)2 000 t級(jí)散貨出口泊位，碼頭前沿線成“一”字型布置，占用岸線共550 m，在煤碼頭上游約800 m區(qū)域?yàn)橐?guī)劃的集裝箱碼頭。

2 重疊式取水方案及布置優(yōu)化

2.1 初步布置方案

根據(jù)煤碼頭資料，為避免碼頭下部雜物進(jìn)入取水口，初步考慮將箱式取水頭布置在煤碼頭平臺(tái)下部、上游第一排與第二排樁基支柱之間，側(cè)面進(jìn)水，進(jìn)水窗口面向煤碼頭外側(cè)(面向船體)；取水頭及引水管與碼頭結(jié)構(gòu)脫開(kāi)布置，船舶?？吭斐傻拇a頭晃動(dòng)位移不會(huì)影響取水頭的正常運(yùn)行。

采用以上布置方案，碼頭在低水位作業(yè)時(shí)，由于船舶?？繉?duì)取水窗口遮擋而可能引起取水流量不足，此外取水窗口的橫向流速增大也會(huì)對(duì)船只靠離泊產(chǎn)生不利影響。

2.2 取水方案布置優(yōu)化

2.2.1 取水頭部平面布置優(yōu)化

為減少碼頭與取水之間的相互影響，經(jīng)多次與碼頭設(shè)計(jì)單位討論，從以下四個(gè)方面對(duì)初步布置方案進(jìn)行了優(yōu)化。

1)優(yōu)化一、二期取水頭布置方式：由于碼頭岸線規(guī)劃已批準(zhǔn)，碼頭岸線長(zhǎng)度增加困難，故將原一、二期取水頭獨(dú)立設(shè)置方案調(diào)整為合并布置，減小了取水頭總寬度，使取水頭布置緊湊，易于布置在碼頭樁基之間，碼頭岸線長(zhǎng)度無(wú)需調(diào)整。

2)優(yōu)化碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式：調(diào)整碼頭系纜平臺(tái)布置方式，在碼頭作業(yè)面預(yù)留孔洞，以滿足取水口攔污柵起吊檢修的要求。

3)優(yōu)化碼頭樁基與取水頭樁基布置：按照碼頭上游邊緣距碼頭樁基中心距不小于1.2 m、取水頭與碼頭樁基凈距不小于0.5 m的要求，取水頭部沿水流方向總寬度優(yōu)化為7.5 m，相應(yīng)碼頭樁基的間距優(yōu)化為10.0 m。

4)優(yōu)化船只停泊間距：停泊船只凈距由15 m調(diào)整為13 m，出口泊位船頭距離碼頭邊線相應(yīng)調(diào)整為14 m，為取水窗口留出了空間。

優(yōu)化后取水窗口位于船只正常停泊區(qū)域外，不受規(guī)劃的碼頭船只停泊影響，但需根據(jù)取水要求制定碼頭的運(yùn)行規(guī)程，確保在低水位時(shí)嚴(yán)格按規(guī)劃位置?？看?實(shí)際運(yùn)行中在較高水位時(shí)可不限定船舶?？课恢?。

2.2.2 取水頭部窗口標(biāo)高優(yōu)化

根據(jù)取水模型試驗(yàn)報(bào)告，在計(jì)算水沙組合條件下，最高淤沙面高程為-1.4 m。考慮碼頭樁基引起的局部沖淤變化以及安全余量，取水窗口正常運(yùn)行底標(biāo)高初步確定為1.0 m。

根據(jù)本工程水文報(bào)告預(yù)測(cè)，三峽水庫(kù)運(yùn)行后，長(zhǎng)江含沙量減少，三峽水庫(kù)下游河段主要呈沖刷狀態(tài)，在多年沖刷平衡后，取水河段的水位相應(yīng)降低約0.6～0.7 m，考慮到若按最不利情況疊加，97%枯水位時(shí)再降低0.7 m，取水枯水位約為2.88 m。為了應(yīng)對(duì)此極端情況，在正常運(yùn)行底標(biāo)高下方1.00～-0.50 m高程處設(shè)置三道疊梁閘，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，可拆掉1～2道疊梁閘，窗口粗欄柵進(jìn)口底坎標(biāo)高最多可降低至-0.50 m高程處，以增加水深， 97%枯水位此時(shí)最大過(guò)柵流速為0.23 m/s。若長(zhǎng)江三峽運(yùn)行導(dǎo)致九江以下河段呈淤積狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)上述極端情況時(shí)，在正常運(yùn)行底標(biāo)高上方1.00～1.50 m高程處增加一道疊梁閘，窗口標(biāo)高為1.50～4.00 m，此時(shí)按97%枯水位時(shí)核算，過(guò)柵流速約為0.316 m/s。

DL/T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定，河(海)床式取水建筑物過(guò)柵流速宜采用0.2～0.6 m/s；另外《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]中規(guī)定，當(dāng)水流流向與碼頭軸線的夾角越小，碼頭前最大允許流速越大，在3 000、5 000噸位級(jí)的碼頭，當(dāng)水流流向與軸線夾角90°時(shí)最大允許流速為0.35 m/s。本期工程煤碼頭為5 000與2 000噸位級(jí)碼頭，因?yàn)槿∷诳拷捍a頭2 000 噸位級(jí)船的泊位布置，當(dāng)就近2 000噸位級(jí)船駛出泊位時(shí)，船舶處水流與取水窗口夾角小于90°，且船舶距離取水窗口有一段距離，在船舶處流速會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于取水窗口處過(guò)柵流速，故經(jīng)上述分析可知，上述各工況下取水窗口布置安全合理。

3 取水頭體型優(yōu)化

由于取水頭位于高樁碼頭立柱之間，空間有限，需在滿足取水流速限制的前提下，盡可能優(yōu)化取水頭工藝尺寸， 減少取水頭與碼頭的相互影響。在此采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值分析手段，對(duì)取水頭內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。

取水頭采用常規(guī)矩形體型，長(zhǎng)度8.5 m，引水管中心標(biāo)高1.0 m，流場(chǎng)分析結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 取水頭立面流場(chǎng)云圖

圖2 取水頭立面流場(chǎng)矢量圖

從圖1和圖2中可以看出，在引水管入口上方有部分回流，斷面流速在入口沿程6 m后已經(jīng)比較均勻，有縮短取水頭的水力條件。

根據(jù)圖1和圖2的計(jì)算結(jié)果,為優(yōu)化進(jìn)水水流的水力特性，降低工程造價(jià)，將取水頭頂部采用斜坡布置，設(shè)置通氣管減少氣阻，并縮短取水頭的長(zhǎng)度。為模擬優(yōu)化后正常運(yùn)行時(shí)流態(tài)，將入口標(biāo)高調(diào)整至取水窗口正常運(yùn)行底標(biāo)高(入口插入疊梁閘，閘頂標(biāo)高1.0 m)。優(yōu)化后分析結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 取水頭優(yōu)化后立面流場(chǎng)云圖

圖4 取水頭優(yōu)化后立面流場(chǎng)矢量圖

從圖3和圖4中可以看出，優(yōu)化后取水頭內(nèi)無(wú)回流等不利流態(tài)，流場(chǎng)較為均勻。

4 碼頭下重疊式取水實(shí)施方案

4.1 取水方案

取水頭部沿碼頭①～②軸線方向的總長(zhǎng)度為7.5 m。取水窗口極限底標(biāo)高為-0.50 m。窗口頂標(biāo)高4.00 m，正常運(yùn)行時(shí)取水窗口導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)三塊疊梁閘，每塊閘門(mén)高度為500 mm，攔污柵置于閘門(mén)頂面，取水頭運(yùn)行窗口底標(biāo)高為1.00 m。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)江水位及取水頭部區(qū)域泥沙淤積情況，通過(guò)調(diào)整疊梁閘數(shù)量，改變?nèi)∷翱诘倪\(yùn)行底標(biāo)高，保證取水安全可靠。取水布置如圖5和圖6所示。

圖5 碼頭下箱涵式取水平面布置圖

圖6 碼頭下箱涵式取水剖面布置圖

取水頭部位于船只正常設(shè)計(jì)停泊區(qū)域外。實(shí)際運(yùn)行時(shí)需加強(qiáng)靠泊的管理，確保在低水位時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)?？看?，避免船只對(duì)取水窗口的遮擋。碼頭各層平臺(tái)開(kāi)孔尺寸為500 mm×7 500 mm，用于取水頭部攔污柵的檢修起吊。本工程規(guī)劃容量4×1 000 MW機(jī)組共設(shè)兩根DN 1000引水管，引水管中心標(biāo)高為1.0 m。

4.2 運(yùn)行方式

粗?jǐn)r污柵安裝在取水頭部進(jìn)水窗口前導(dǎo)槽內(nèi)，方便更換。當(dāng)本期工程2×1 000 MW機(jī)組運(yùn)行時(shí)，為避免自流引水管內(nèi)流速過(guò)小，造成泥沙沉積在引水管內(nèi)，考慮采用1根自流引水管或2根自流引水管交替運(yùn)行方式。正常運(yùn)行時(shí)引水管流速1.55 m/s。粗?jǐn)r污柵與輕質(zhì)插板、鋼閘門(mén)共用一個(gè)導(dǎo)槽，當(dāng)需要停運(yùn)某一條引水管時(shí)，抽出該引水管對(duì)應(yīng)的取水頭部上的粗?jǐn)r污柵再插入輕質(zhì)插板即可。當(dāng)取水泵房前池需要檢修放空時(shí)，將鋼閘門(mén)放入導(dǎo)槽內(nèi)，并用排水泵進(jìn)行抽排。

5 結(jié)論

該工程從2017年投運(yùn)至今，取水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，水質(zhì)變化不大，運(yùn)行管理順暢，證明碼頭下重疊布置方式在該工程的運(yùn)用是成功的，各優(yōu)化措施達(dá)到了預(yù)期的效果。

根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程，對(duì)碼頭下重疊式布置取水方案主要設(shè)計(jì)優(yōu)化成果及建議總結(jié)如下：

1)碼頭下重疊式布置不占岸線資源，電廠集中管理方便，對(duì)航道影響小，可充分利用煤碼頭的水深和航道清淤條件，但需與碼頭同時(shí)開(kāi)工建設(shè)，在施工組織、工期進(jìn)度協(xié)調(diào)方面工作量大，建議在碼頭設(shè)計(jì)各階段加強(qiáng)配合協(xié)調(diào)力度。

2)通過(guò)與碼頭設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)及優(yōu)化，取水窗口位于船只正常停泊區(qū)域外，取水作業(yè)對(duì)正常作業(yè)的船只靠離泊無(wú)影響。建議制定碼頭的運(yùn)行規(guī)程，確保在低水位時(shí)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)位置停靠船只(對(duì)本項(xiàng)目具體情況而言，實(shí)際運(yùn)行中在較高水位時(shí)可不限定船舶停靠位置)。

3)通過(guò)數(shù)值模擬優(yōu)化取水頭體型，采用斜坡式布置方式，消除回流及漩渦，并縮短取水頭部長(zhǎng)度，進(jìn)水流態(tài)良好，達(dá)到優(yōu)化進(jìn)水流態(tài)并降低工程費(fèi)用的目的。

4)取水窗口標(biāo)高采用可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，通過(guò)在取水窗口設(shè)置疊梁閘，疊梁閘可根據(jù)取水點(diǎn)處河床淤積情況以及水位情況下放，由此調(diào)整取水窗口高度及引水流速，在保證取水安全的前提下確保取水引起的橫向流速滿足碼頭船只的泊穩(wěn)要求。

5)碼頭平臺(tái)設(shè)置矩形方孔，還可利用碼頭平臺(tái)進(jìn)行攔污柵起吊和清污作業(yè)，解決了淹沒(méi)式取水頭單獨(dú)設(shè)置時(shí)攔污柵起吊清污困難的問(wèn)題。