泵站拦污栅有关问题的研究
2010-08-06 10:20 分类：技术应用 来源：亚洲泵网
关键词：泵站 拦污栅 阻塞 能量损失
1 前言
南水北调东线工程是以江苏江水北调为基础并扩大规模，向北延伸。由于地势较低需采用抽水方式进行，除现有的江都水利枢纽、淮安各泵站外，还将在年内开工建设刘山站、解台站、淮安四站、淮阴三站等抽水站，足见泵站在南水北调工程中的作用举足轻重。拦污栅作为泵站的重要组成部分，在防止漂浮物及潜移物质进入泵站，确保泵站的安全运行方面起到了不可替代的作用。但是由于拦污栅结构相对简单和对其重要性认识上的缺乏，对于拦污栅的研究并没有达到应有的深度。本文结合江苏淮安二站对拦污栅在泵站运行中出现的问题及其对泵站的影响作分析，以此引起对拦污栅问题的重视，使泵站达到更好的经济效益。
2 拦污栅在使用中的常见问题
2.1 拦污栅发生阻塞
拦污栅的作用就是阻止水草、树根、生活垃圾等异物进入进水流道，防止其进入泵站结构的内部，对水工建筑物和水力机械造成危害，使泵站的运行受到影响。但是水流所带来的杂物碎块的数量无法预期估计和控制，所以拦污栅前堆积的污物经常不能及时的清理，使得拦污栅发生阻塞，增加了拦污栅前后的水位差，即增大水流对拦污栅的作用力，严重的甚至会发生拦污栅结构的变形以致遭到破坏。以斗门县西安大泵站为例，在拦污栅发生堵塞后，由于压力超过拦污栅材料弯曲应力极限值，造成拦污栅结构弯曲变形而失稳，被卷进大泵辗成铁饼[1]。拦污栅的阻塞变形增加了泵站运行能量消耗，引起水泵汽蚀、机组振动、泵站被迫停机等，危害极大。
2.2 拦污栅发生锈蚀
拦污栅为空间刚架与平台板的组合结构，常年在水流中浸泡，必然会产生一定的锈蚀。拦污栅发生锈蚀虽没有阻塞造成的后果严重，但锈蚀会导致拦污栅过水面积减少，增加水头损失，减小了水泵的过流能力，同时也影响了水泵的效率。
2.3 拦污栅的振动问题
在拦污栅的使用中，由于对拦污栅动力特性方面考虑不周而导致拦污栅损伤破坏的事件时有发生。栅条振动究其原因主要有两个因素：(1) 水流激振；(2) 自振频率。其中水流激振是拦污栅破坏主要原因。水流在通过拦污栅时，在局部损失发生的局部范围内，栅条尾部脱流产生的卡门涡街引起横向激振力，该激振力的频率随流速的增加而增加。当拦污栅表面作用力的频率与拦污栅的固有频率一致或接近时,将引起拦污栅共振，从而导致拦污栅的破坏。随着水流雷诺数的增加，栅后可出现层流、周期性及紊流尾流3种流态[2]。周期性尾流将激起拦污栅结构的周期性振动；紊流尾流则使结构产生随机性振动。栅条的自振频率主要取决于栅条的尺寸、形状、连接方式。
3 拦污栅对泵站的影响
拦污栅对泵站的影响可以从水力损失、工作点的改变、空化空蚀、振动、噪音、能量和经济损失等不同的方面考虑。本文结合江苏淮安二站进行分析。
淮安第二抽水站，位于京航大运河和苏北灌溉总渠的交汇处，是江苏省江水北调第二级提水工程之一。该工程于1975年1月动工兴建，1978年12月竣工，工程总投资1 062万元。该站与淮安抽水一站、淮安抽水三站共同担负着白马湖地区农田的排涝及苏北地区农田的灌溉用水和该地区的工业、航运、城乡人民生活用水的任务。
3.1 水流通过拦污栅产生水力损失
拦污栅的水力损失由两部分组成：其一为固有水头损失，即水流在通过拦污栅时，栅条对水流有局部的阻碍作用，产生局部水头损失。另一部分附加水头损失，其产生的原因是由于拦污栅所拦截的污物部分地堵塞栅孔，或水流的腐蚀作用而导致的锈蚀，使拦污栅原有的边界条件改变，加剧了对水流的阻碍作用，致使过栅的局部水头损失增加[3]。
拦污栅的水头损失[4]可按下式计算：
拦污栅局部水头损失的产生导致多种不良的影响，如工作点的改变，产生振动，以及由此而产生的其他后果。表1为淮安二站由于拦污栅的阻塞而在进出水流道产生的水头损失。
3.3 加剧水泵空化和空蚀
拦污栅阻塞使水泵工况点发生改变，水泵工况点流量减小。这样进入叶轮内的水流方向偏离设计工况，由于叶片和叶轮室间有间隙而产生回流以及叶片产生的二次回流，导致水流的旋转，当旋转达到某种强度时旋转流中心压力下降而形成涡带，当叶轮进口压力降到一定值时，叶片背面会发生空化现象，当压力继续降低时，就会发生空蚀，严重时会导致叶片背面空蚀区域从叶片进口端向叶片中部发展。
水泵发生空化、空蚀时，大量汽泡的存在改变了流道内特别是叶轮内过流面积和流动方向，而使叶轮与水流之间能量交换的稳定性遭到破坏，能量损失增加，引起流量、扬程及效率的下降，甚至达到断流，严重破坏水泵工作性能。
另外由于气泡连续发育膨胀和溃灭而产生的压力脉动进入转轮及导叶内部，造成了转轮转距的脉动，引起轴功率的波动，且发出巨大的噪音，使运行不稳定，并影响机组效率。当脉动频率接近水泵或某些部件的固有频率时，会引起较大的振幅。淮安二站的现场试验表明，当气泡区自激振荡的压力脉动频率正好与整个系统的水力频率接近时，就会造成气穴共振[4]。
3.4 机组频繁开停机
为了排除拦污栅的阻塞就要对拦污栅进行清污，若采用人工清污，要频繁的开停机，这不仅对泵站的基本运行不利而且对主机电的性能和绝缘设备带来威胁。如淮安二站的主电机绝缘己经严重老化，近几年来已发生几次定子绝缘在试验时被击穿、转子线圈在运行中断路的事故[5]。同时由于每次开停机所引起的水泵装置的过渡过程对泵站的危害更大，由于工况的变化而产生的非恒定流会引起整个机组的压力发生激烈的变化，产生振动破坏。
3.5 能量损失与经济损失
由于拦污栅的阻塞，使得进入水泵的流量减小，水头也随之降低，机组脱离高效区，效率减小，造成能量的损失，从而产生一定的经济损失。淮安二站在1995年到2001年由于阻塞导致的损失1 573.29万元，如表2所示[4]。
4 拦污栅清污存在的问题
为了解决泵站清污问题，很早就已经开展泵站清污机的研制，但基本目标是研究机械的清污功能，没有充分考虑排灌泵站的运行和管理特点。而排灌泵站一般年均运行时间较短,一年中大概有80%的时间清污机处于闲置状态，在露天环境中难以达到良好的维修保养，所以一旦泵站开机运行，清污机却不能保证正常工作，紧急的清污工作就只能采用人工进行[6]。这种方式需要在一定水流速度的情况下进行，且只能捞表面浮物，当栅差在0.2 m以上时，上部水流加快，就无法打捞1.5 m水面以下的卡阻物。
目前淮安二站采用汽车吊捞和船捞两种清污方式，但是由于工作桥设计的不够合理，致使这两种清污方式都达不到理想的效果。又因采用真空破坏阀停机断流方式，停机时水泵内和水泵至真空破坏阀下侧出水流道的大量水断流后倒灌进水流道，造成拦污栅面瞬时水压差达4.58 m，倒灌水流猛然从里向外反向冲刷拦污栅，拦污栅上的杂草异物被吸入进水池，无法清污[6]。
5结语
(1) 加强泵站拦污栅结构与水头损失关系、栅条的优化设计的研究力度，使得过栅流态有利于减小空化、空蚀和振动。
(2) 开展泵站拦污栅堵塞、锈蚀影响水头损失的试验研究和理论研究，寻求更高效的清污方式，保证拦污栅得到及时有效的清污。
(3) 南水北调工程是国家为解决我国水资源缺乏而采取的一项举世瞩目的水利工程，其东线工程以梯级泵站为基础，逐级提水北送，规划调水规模每年148亿m3，以解决黄淮地区的缺水问题。这正体现了泵站在城市生活和农业灌溉中所处的重要位置，因此加强对泵站的研究将有利于发挥泵站对人民生活的积极作用，因此拦污栅作为泵站安全运行的重要因素更有其研究价值。
参考文献：
[1] 张耀权.解决西安大泵站拦污栅失稳的办法[J].广东水利水电，2003（1）：37-39
[2] 阎诗武.水电站拦污栅的振动[J].水利水运工程学报，2001（2）：74-77
[3] 高金花.水电站进水口拦污栅的局部水头损失及其研究现状[J].工业技术经济，1997.（4）：112-113
[4] 淮安第二抽水站拦污栅对机组运行影响评价及对策研究报告（R）.江苏省灌溉总渠管理处，河海大学，2003.10，1-37
[5] 刘跃波.淮安第二抽水站拦污栅堵塞现状介析[J].江苏水利，2003（6）：1-2
[6] 韩向远.排灌泵站清污机械化的新途径[J].中国农村水利水电，2002（6）：1
江苏省灌溉总渠管理处淮安三站拦污栅阻水研究，该项目已通过江苏省科技厅组织的鉴定，苏科鉴字【2003】第1193
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