賈瑞旗，何成連（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

水沙分離效應(yīng)的應(yīng)用探討

賈瑞旗，何成連
（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

摘要：以黃河為代表的高含沙河流上的電站汛期時泥沙濃度極高，運(yùn)行時造成水輪機(jī)過流部件產(chǎn)生嚴(yán)重磨蝕，一些電站汛期被迫停止發(fā)電。水工設(shè)計中采用的沉砂池和排砂底孔對水流中的推移質(zhì)在電站進(jìn)水口形成排沙漏斗，對減輕過機(jī)沙量，減輕水輪機(jī)泥沙磨損起到了一定作用，但仍有大量的懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入水輪機(jī)。含沙水流流經(jīng)蝸殼流道時在離心力作用下，水流中的懸移質(zhì)向靠近蝸殼外側(cè)下部運(yùn)動。本文提出一種新的排沙思路，與業(yè)內(nèi)人士共同探討該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：離心力作用；泥沙分離；懸移質(zhì)；蝸殼

0　引言

黃河流域及新疆等多泥沙河流含沙量較大，尤其是汛期時泥沙濃度相當(dāng)高。許多電站出于保護(hù)轉(zhuǎn)輪和過水部件的考慮，在汛期時停止發(fā)電來減少泥沙水流對轉(zhuǎn)輪等的磨蝕。為保證電站汛期正常發(fā)電，水工設(shè)計中普遍采用在引水管路或進(jìn)水口前設(shè)置沉砂池或排砂底孔來減少過機(jī)含沙量，或者修建排沙洞進(jìn)行沖沙。設(shè)計一般考慮“門前清”，減少過機(jī)泥沙和粗顆粒過機(jī)，沉砂池和排砂底孔在很大程度上減少推移質(zhì)和躍移質(zhì)的過機(jī)量，但對含沙水流中的懸移質(zhì)起不到明顯的減少作用，本文基于彎管離心力的水沙分離效應(yīng)，探討利用水輪機(jī)蝸殼的水沙分離特性，通過在蝸殼鼻端設(shè)置排沙孔，將進(jìn)入水輪機(jī)的粗顆粒、高濃度含沙水流直接排至尾水管，進(jìn)一步減輕或消除進(jìn)入水輪機(jī)有害泥沙，從而實現(xiàn)水輪機(jī)汛期發(fā)電目的。

1　離心力作用下的水沙分離效應(yīng)

離心力是一種虛擬力或稱為慣性力，它使旋轉(zhuǎn)的物體遠(yuǎn)離它的旋轉(zhuǎn)中心。當(dāng)物體在做非直線運(yùn)動時（非牛頓環(huán)境，例如：圓周運(yùn)動或轉(zhuǎn)彎運(yùn)動），因物體一定有本身的質(zhì)量存在，質(zhì)量造成的慣性會強(qiáng)迫物體繼續(xù)朝著運(yùn)動軌跡的切線方向（原來那一瞬間前進(jìn)的直線方向）前進(jìn)，而非順著接下來轉(zhuǎn)彎過去的方向運(yùn)動，這就是離心作用。

圖1離心力作用示意圖

離心作用是根據(jù)在一定角速度下做圓周運(yùn)動的任何物體都受到一個向外的離心力來實現(xiàn)的，離心力的大小等于離心加速度與顆粒質(zhì)量的乘積。

離心作用下的水沙分離效應(yīng)是利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的離心力及含沙水流中懸移沙粒的沉降系數(shù)不同來進(jìn)行固液分離的。懸移質(zhì)的分布是上稀下濃的，運(yùn)行規(guī)律隨機(jī)性強(qiáng)，不易分離，當(dāng)含沙水流經(jīng)過圓周運(yùn)動或者是流經(jīng)一定的角度時，懸移沙粒受離心力影響遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心移動，運(yùn)動到外部邊界時由于與邊壁的摩擦減慢旋轉(zhuǎn)，那里的離心力減弱從而使顆粒產(chǎn)生沉積。

2　工程現(xiàn)象

作者在進(jìn)行黃河上某水電站效率測試時，在蝸殼上進(jìn)行蝸殼差壓流量測量，電站在清水期運(yùn)行時一切正常，但在汛期進(jìn)行低水頭試驗時，測試數(shù)據(jù)異常不穩(wěn)定，致使效率試驗無法開展。進(jìn)一步分析原因時發(fā)現(xiàn)：蝸殼壓差測流高、低壓側(cè)測壓管排出的水流含沙濃度不同，靠近座環(huán)的低壓側(cè)測點排出的基本為清水，而蝸殼外壁高壓測點排出的為高濃度含沙水。測壓管中和蝸殼內(nèi)部水流含沙濃度的不同，導(dǎo)致蝸殼差壓規(guī)律紊亂，從而導(dǎo)致在含沙期，利用蝸殼壓差測流試驗結(jié)果的無規(guī)律（表1）。

表1汛期與汛期后測試性能參數(shù)對比

從蝸殼高低壓測點在排水5min后同時取水，在機(jī)組不同出力下進(jìn)行水流取樣，沉淀24h后如圖2。

圖2各出力下蝸殼差壓高、低壓測點取樣圖

注：1號—80MW蝸殼差壓高壓側(cè)，2號—80MW蝸殼差壓低壓側(cè)，3號—50MW蝸殼差壓高壓側(cè)，4號—50MW蝸殼差壓低壓側(cè)，5號—20MW蝸殼差壓高壓側(cè)，6號—20MW蝸殼差壓低壓側(cè)，7號—80MW過機(jī)含沙量，從尾水管出口測壓點取水。

不同出力下的含沙水取樣可以看出，蝸殼差壓高、低壓測點水樣含沙量不同，在蝸殼形成的水流離心力作用下，沙粒向蝸殼外側(cè)邊壁移動，從而高壓側(cè)為高濃度含沙水，低壓側(cè)基本為清水。最后粗顆粒、高濃度含沙水流集中于蝸殼鼻端進(jìn)入水輪機(jī)，造成水輪機(jī)磨損。

3　提出的減沙、排沙方法

通過該電站汛期時的過機(jī)水流特征，提出一種利用蝸殼的水沙分離效應(yīng)使泥沙集于蝸殼外壁的原理，通過在鼻端部位設(shè)置排沙管以減沙抗磨的方法，使電站在高含沙時段運(yùn)行時減少泥沙進(jìn)入水輪機(jī)，排沙管連接至尾水管肘管上，汛期發(fā)電水流含沙量高時，開啟排沙管閥門，將蝸殼內(nèi)的高濃度泥沙通過排沙管排泄至尾水管內(nèi)，達(dá)到減少過機(jī)泥沙含量、減輕水輪機(jī)磨損的目的，解決多泥沙河流電站汛期不能運(yùn)行的問題。

圖3排沙管設(shè)置示意圖

設(shè)想對于高含沙河流的電站，在蝸殼上設(shè)置排沙管，排沙管開口位于蝸殼外側(cè)鼻端附近，并在管路上設(shè)截止閥，汛期打開閥門排除蝸殼流道內(nèi)高濃度泥沙，直接將泥沙排到下游尾水，非汛期時關(guān)閉排沙閥。

4　結(jié)語

通過對水沙分離效應(yīng)的觀察，作者提出一種新的排沙減沙思路，同時擬進(jìn)行下一步研究，通過對不同濃度的泥沙含量，在不同管徑和轉(zhuǎn)彎半徑的試驗管道中的分離情況來研究該方法的水沙分離效果，對水沙分離進(jìn)行定量的分析研究，進(jìn)一步確定排沙管安裝位置和尺寸比例，期待與業(yè)內(nèi)專業(yè)人員共同進(jìn)行這方面的研究和工程應(yīng)用嘗試。

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中圖分類號：TV149

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）01-0067-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.023

收稿日期：2014-09-15

作者簡介：賈瑞旗（1981-），男，工程師，從事水力機(jī)械原型和模型測試研究工作。