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泵站攔污柵有關(guān)問(wèn)題的研究
泵站攔污柵有關(guān)問(wèn)題的研究 摘要:就泵站攔污柵在使用中出現(xiàn)的阻塞、銹蝕、振動(dòng)及清污方面存在的問(wèn)題進(jìn)行研究,并結(jié)合江蘇淮安二站從空化和空蝕、機(jī)組頻繁開(kāi)停機(jī)、能量和經(jīng)濟(jì)損失等方面分析了攔污柵對(duì)泵站的影響,研究?jī)?nèi)容對(duì)南水北調(diào)東線工程其它泵站也有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞:泵站 攔污柵 阻塞 能量損失
1 前言
南水北調(diào)東線工程是以江蘇江水北調(diào)為基礎(chǔ)并擴(kuò)大規(guī)模,向北延伸。由于地勢(shì)較低需采用抽水方式進(jìn)行,除現(xiàn)有的江都水利樞紐、淮安各泵站外,還將在年內(nèi)開(kāi)工建設(shè)劉山站、解臺(tái)站、淮安四站、淮陰三站等抽水站,足見(jiàn)泵站在南水北調(diào)工程中的作用舉足輕重。攔污柵作為泵站的重要組成部分,在防止漂浮物及潛移物質(zhì)進(jìn)入泵站,確保泵站的安全運(yùn)行方面起到了不可替代的作用。但是由于攔污柵結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單和對(duì)其重要性認(rèn)識(shí)上的缺乏,對(duì)于攔污柵的研究并沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的深度。本文結(jié)合江蘇淮安二站對(duì)攔污柵在泵站運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及其對(duì)泵站的影響作分析,以此引起對(duì)攔污柵問(wèn)題的重視,使泵站達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。
2 攔污柵在使用中的常見(jiàn)問(wèn)題
2.1 攔污柵發(fā)生阻塞
攔污柵的作用就是阻止水草、樹(shù)根、生活垃圾等異物進(jìn)入進(jìn)水流道,防止其進(jìn)入泵站結(jié)構(gòu)的內(nèi)部,對(duì)水工建筑物和水力機(jī)械造成危害,使泵站的運(yùn)行受到影響。但是水流所帶來(lái)的雜物碎塊的數(shù)量無(wú)法預(yù)期估計(jì)和控制,所以攔污柵前堆積的污物經(jīng)常不能及時(shí)的清理,使得攔污柵發(fā)生阻塞,增加了攔污柵前后的水位差,即增大水流對(duì)攔污柵的作用力,嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)生攔污柵結(jié)構(gòu)的變形以致遭到破壞。以斗門(mén)縣西安大泵站為例,在攔污柵發(fā)生堵塞后,由于壓力超過(guò)攔污柵材料彎曲應(yīng)力極限值,造成攔污柵結(jié)構(gòu)彎曲變形而失穩(wěn),被卷進(jìn)大泵輾成鐵餅[1]。攔污柵的阻塞變形增加了泵站運(yùn)行能量消耗,引起水泵汽蝕、機(jī)組振動(dòng)、泵站被迫停機(jī)等,危害極大。
2.2 攔污柵發(fā)生銹蝕
攔污柵為空間剛架與平臺(tái)板的組合結(jié)構(gòu),常年在水流中浸泡,必然會(huì)產(chǎn)生一定的銹蝕。攔污柵發(fā)生銹蝕雖沒(méi)有阻塞造成的后果嚴(yán)重,但銹蝕會(huì)導(dǎo)致攔污柵過(guò)水面積減少,增加水頭損失,減小了水泵的過(guò)流能力,同時(shí)也影響了水泵的效率。
2.3 攔污柵的振動(dòng)問(wèn)題
在攔污柵的使用中,由于對(duì)攔污柵動(dòng)力特性方面考慮不周而導(dǎo)致攔污柵損傷破壞的事件時(shí)有發(fā)生。柵條振動(dòng)究其原因主要有兩個(gè)因素:(1) 水流激振;(2) 自振頻率。其中水流激振是攔污柵破壞主要原因。水流在通過(guò)攔污柵時(shí),在局部損失發(fā)生的局部范圍內(nèi),柵條尾部脫流產(chǎn)生的卡門(mén)渦街引起橫向激振力,該激振力的頻率隨流速的增加而增加。當(dāng)攔污柵表面作用力的頻率與攔污柵的固有頻率一致或接近時(shí),將引起攔污柵共振,從而導(dǎo)致攔污柵的破壞。隨著水流雷諾數(shù)的增加,柵后可出現(xiàn)層流、周期性及紊流尾流3種流態(tài)[2]。周期性尾流將激起攔污柵結(jié)構(gòu)的周期性振動(dòng);紊流尾流則使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)性振動(dòng)。柵條的自振頻率主要取決于柵條的尺寸、形狀、連接方式。
3 攔污柵對(duì)泵站的影響
攔污柵對(duì)泵站的影響可以從水力損失、工作點(diǎn)的改變、空化空蝕、振動(dòng)、噪音、能量和經(jīng)濟(jì)損失等不同的方面考慮。本文結(jié)合江蘇淮安二站進(jìn)行分析。
淮安第二抽水站,位于京航大運(yùn)河和蘇北灌溉總渠的交匯處,是江蘇省江水北調(diào)第二級(jí)提水工程之一。該工程于1975年1月動(dòng)工興建,1978年12月竣工,工程總投資1 062萬(wàn)元。該站與淮安抽水一站、淮安抽水三站共同擔(dān)負(fù)著白馬湖地區(qū)農(nóng)田的排澇及蘇北地區(qū)農(nóng)田的灌溉用水和該地區(qū)的工業(yè)、航運(yùn)、城鄉(xiāng)人民生活用水的任務(wù)。
3.1 水流通過(guò)攔污柵產(chǎn)生水力損失
攔污柵的水力損失由兩部分組成:其一為固有水頭損失,即水流在通過(guò)攔污柵時(shí),柵條對(duì)水流有局部的阻礙作用,產(chǎn)生局部水頭損失。另一部分附加水頭損失,其產(chǎn)生的原因是由于攔污柵所攔截的污物部分地堵塞柵孔,或水流的腐蝕作用而導(dǎo)致的銹蝕,使攔污柵原有的邊界條件改變,加劇了對(duì)水流的阻礙作用,致使過(guò)柵的局部水頭損失增加[3]。
攔污柵的水頭損失[4]可按下式計(jì)算:
攔污柵局部水頭損失的產(chǎn)生導(dǎo)致多種不良的影響,如工作點(diǎn)的改變,產(chǎn)生振動(dòng),以及由此而產(chǎn)生的其他后果。表1為淮安二站由于攔污柵的阻塞而在進(jìn)出水流道產(chǎn)生的水頭損失。
3.3 加劇水泵空化和空蝕
攔污柵阻塞使水泵工況點(diǎn)發(fā)生改變,水泵工況點(diǎn)流量減小。這樣進(jìn)入葉輪內(nèi)的水流方向偏離設(shè)計(jì)工況,由于葉片和葉輪室間有間隙而產(chǎn)生回流以及葉片產(chǎn)生的二次回流,導(dǎo)致水流的旋轉(zhuǎn),當(dāng)旋轉(zhuǎn)達(dá)到某種強(qiáng)度時(shí)旋轉(zhuǎn)流中心壓力下降而形成渦帶,當(dāng)葉輪進(jìn)口壓力降到一定值時(shí),葉片背面會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象,當(dāng)壓力繼續(xù)降低時(shí),就會(huì)發(fā)生空蝕,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致葉片背面空蝕區(qū)域從葉片進(jìn)口端向葉片中部發(fā)展。
水泵發(fā)生空化、空蝕時(shí),大量汽泡的存在改變了流道內(nèi)特別是葉輪內(nèi)過(guò)流面積和流動(dòng)方向,而使葉輪與水流之間能量交換的穩(wěn)定性遭到破壞,能量損失增加,引起流量、揚(yáng)程及效率的下降,甚至達(dá)到斷流,嚴(yán)重破壞水泵工作性能。
另外由于氣泡連續(xù)發(fā)育膨脹和潰滅而產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉內(nèi)部,造成了轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)距的脈動(dòng),引起軸功率的波動(dòng),且發(fā)出巨大的噪音,使運(yùn)行不穩(wěn)定,并影響機(jī)組效率。當(dāng)脈動(dòng)頻率接近水泵或某些部件的固有頻率時(shí),會(huì)引起較大的振幅�；窗捕镜默F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,當(dāng)氣泡區(qū)自激振蕩的壓力脈動(dòng)頻率正好與整個(gè)系統(tǒng)的水力頻率接近時(shí),就會(huì)造成氣穴共振[4]。
3.4 機(jī)組頻繁開(kāi)停機(jī)
為了排除攔污柵的阻塞就要對(duì)攔污柵進(jìn)行清污,若采用人工清污,要頻繁的開(kāi)停機(jī),這不僅對(duì)泵站的基本運(yùn)行不利而且對(duì)主機(jī)電的性能和絕緣設(shè)備帶來(lái)威脅。如淮安二站的主電機(jī)絕緣己經(jīng)嚴(yán)重老化,近幾年來(lái)已發(fā)生幾次定子絕緣在試驗(yàn)時(shí)被擊穿、轉(zhuǎn)子線圈在運(yùn)行中斷路的事故[5]。同時(shí)由于每次開(kāi)停機(jī)所引起的水泵裝置的過(guò)渡過(guò)程對(duì)泵站的危害更大,由于工況的變化而產(chǎn)生的非恒定流會(huì)引起整個(gè)機(jī)組的壓力發(fā)生激烈的變化,產(chǎn)生振動(dòng)破壞。
3.5 能量損失與經(jīng)濟(jì)損失
由于攔污柵的阻塞,使得進(jìn)入水泵的流量減小,水頭也隨之降低,機(jī)組脫離高效區(qū),效率減小,造成能量的損失,從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失�；窗捕驹�1995年到2001年由于阻塞導(dǎo)致的損失1 573.29萬(wàn)元,如表2所示[4]。
4 攔污柵清污存在的問(wèn)題
為了解決泵站清污問(wèn)題,很早就已經(jīng)開(kāi)展泵站清污機(jī)的研制,但基本目標(biāo)是研究機(jī)械的清污功能,沒(méi)有充分考慮排灌泵站的運(yùn)行和管理特點(diǎn)。而排灌泵站一般年均運(yùn)行時(shí)間較短,一年中大概有80%的時(shí)間清污機(jī)處于閑置狀態(tài),在露天環(huán)境中難以達(dá)到良好的維修保養(yǎng),所以一旦泵站開(kāi)機(jī)運(yùn)行,清污機(jī)卻不能保證正常工作,緊急的清污工作就只能采用人工進(jìn)行[6]。這種方式需要在一定水流速度的情況下進(jìn)行,且只能撈表面浮物,當(dāng)柵差在0.2 m以上時(shí),上部水流加快,就無(wú)法打撈1.5 m水面以下的卡阻物。
目前淮安二站采用汽車(chē)吊撈和船撈兩種清污方式,但是由于工作橋設(shè)計(jì)的不夠合理,致使這兩種清污方式都達(dá)不到理想的效果。又因采用真空破壞閥停機(jī)斷流方式,停機(jī)時(shí)水泵內(nèi)和水泵至真空破壞閥下側(cè)出水流道的大量水?dāng)嗔骱蟮构噙M(jìn)水流道,造成攔污柵面瞬時(shí)水壓差達(dá)4.58 m,倒灌水流猛然從里向外反向沖刷攔污柵,攔污柵上的雜草異物被吸入進(jìn)水池,無(wú)法清污[6]。
5結(jié)語(yǔ)
(1) 加強(qiáng)泵站攔污柵結(jié)構(gòu)與水頭損失關(guān)系、柵條的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究力度,使得過(guò)柵流態(tài)有利于減小空化、空蝕和振動(dòng)。
(2) 開(kāi)展泵站攔污柵堵塞、銹蝕影響水頭損失的試驗(yàn)研究和理論研究,尋求更高效的清污方式,保證攔污柵得到及時(shí)有效的清污。
(3) 南水北調(diào)工程是國(guó)家為解決我國(guó)水資源缺乏而采取的一項(xiàng)舉世矚目的水利工程,其東線工程以梯級(jí)泵站為基礎(chǔ),逐級(jí)提水北送,規(guī)劃調(diào)水規(guī)模每年148億m3,以解決黃淮地區(qū)的缺水問(wèn)題。這正體現(xiàn)了泵站在城市生活和農(nóng)業(yè)灌溉中所處的重要位置,因此加強(qiáng)對(duì)泵站的研究將有利于發(fā)揮泵站對(duì)人民生活的積極作用,因此攔污柵作為泵站安全運(yùn)行的重要因素更有其研究?jī)r(jià)值。
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江蘇省灌溉總渠管理處淮安三站攔污柵阻水研究,該項(xiàng)目已通過(guò)江蘇省科技廳組織的鑒定,蘇科鑒字【2003】第1193號(hào)
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