【摘要】本文結(jié)合南水北調(diào)東線(xiàn)第一期工程淮陰三站清污機(jī)橋設(shè)計(jì)與建設(shè)的實(shí)例，分析計(jì)算了清污機(jī)橋孔口凈寬對(duì)過(guò)柵水頭損失及其對(duì)泵站運(yùn)行效率的影響，分析計(jì)算了柵前污物引起的過(guò)柵水頭損失對(duì)水泵運(yùn)行工況、運(yùn)行成本的影響。此研究?jī)?nèi)容對(duì)南水北調(diào)東線(xiàn)工程其它泵站也有一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】清污機(jī)機(jī)橋；能量損失；效率；影響

1、前言

南水北調(diào)東線(xiàn)工程通過(guò)泵站逐級(jí)抽水由長(zhǎng)江向北方送水，建設(shè)、設(shè)計(jì)單位對(duì)泵站主機(jī)組的裝置效率極為重視，每個(gè)泵站都通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行比選，一些泵站的水泵主要部件甚至選用進(jìn)口產(chǎn)品，水泵的裝置效率一般達(dá)到 75%一77%之間，水泵機(jī)組的造價(jià)一般都在1000萬(wàn)元以上，水泵的裝置效率每欲提高1個(gè)百分點(diǎn)，其造價(jià)往往需要增加很多。清污機(jī)橋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。但是由于清污機(jī)橋結(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)于清污機(jī)橋的研究并沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的深度。本文結(jié)合淮陰三站對(duì)清污機(jī)橋在泵站運(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)清污機(jī)橋問(wèn)題的重視，使泵站達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)效益。

2、工程概況

淮陰三站工程位于江蘇省淮安市清浦區(qū)和平鎮(zhèn)境內(nèi)，與現(xiàn)有淮陰一站并列布置，和淮陰一、二站、洪澤站共同組成南水北調(diào)東線(xiàn)第三梯級(jí)，具有向北調(diào)水、改善水環(huán)境、提高航運(yùn)保證率等功能?；搓幦竟こ虨棰竦裙こ?，主要建筑物級(jí)別為Ⅰ級(jí)，次要建筑物為3級(jí)。淮陰三站設(shè)計(jì)流量為100 m3/s，安裝4臺(tái)套178GZ-4.78變頻調(diào)節(jié)貫流泵，配TBP2200-48/3000同步電機(jī)，葉輪直徑3.2m， 單機(jī)流量33.4 m3/s，功率2200kW，總裝機(jī)容量為8800kW。主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為125轉(zhuǎn)/分。進(jìn)水引河上設(shè)清污機(jī)橋，中間9孔安裝HQ-6m回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，兩側(cè)各安裝一固定式攔污柵，清污能力30t/h。

3、清污機(jī)在使用中常見(jiàn)的問(wèn)題

3.1 清污機(jī)發(fā)生阻塞

清污機(jī)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，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)重的會(huì)發(fā)生攔污柵結(jié)構(gòu)的變形以致遭到破壞。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。

3.2 清污機(jī)柵發(fā)生銹蝕

清污機(jī)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。

3.3清污機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題

在清污機(jī)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。

4、清污機(jī)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、清污機(jī)橋口孔寬、清污機(jī)橋前污物等不同的方面考慮。

4.1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。

攔污柵的水頭損失可按下式計(jì)算：

式中v —柵前平均流速；

ξ —柵條的水頭損失系數(shù)。其表達(dá)式為

式中β -柵條斷面形狀系數(shù)；

s-柵條厚度；

b-柵條凈距；

-攔污柵與水平面所成的傾角

即柵條的損失系數(shù)與柵條斷面形狀系數(shù)、柵條厚度、柵條凈距和攔污柵與水平面所成的傾角 有關(guān)。因此水力學(xué)的角度講，欄污柵結(jié)構(gòu)型式對(duì)過(guò)柵水頭損失的影響是顯著的，特別是不同的柵條形狀，會(huì)產(chǎn)生不同的水流阻力。

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。

4.2工作點(diǎn)的改變

水泵的工作點(diǎn)是由抽水裝置性能曲線(xiàn)Q ? 和水泵的Q ? H 曲線(xiàn)的交點(diǎn)所確定的。

式中S —管路沿層損失和局部阻力參數(shù)之和；

—實(shí)際的凈揚(yáng)程。

由此可見(jiàn)，隨著攔污柵局部水頭損失的增加，裝置性能曲線(xiàn)Q ? 將沿著Q ? H 曲線(xiàn)上移，即工作點(diǎn)發(fā)生改變。由于工作點(diǎn)的改變，水泵的運(yùn)行可能由高效區(qū)轉(zhuǎn)為非高效區(qū)，以致引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象。

4.3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。

4.4 清污機(jī)橋孔口凈寬的影響

清污機(jī)橋的孔口凈寬普遍在3-6m為便于比分析。清污機(jī)橋主要特性：柵體傾斜角75°，柵條中心距150mm，柵條規(guī)格8x60mm，齒耙軸軸徑83mm，主梁翼緣寬50-70mm，邊梁規(guī)格I32a。清污機(jī)橋阻水面積由清污機(jī)柵體和閘墩2部分組成。柵體阻水由柵條、水平主梁、板鏈軌道、齒耙引起，按迎水面積計(jì)算，并將柵體阻水影響折算為閘墩厚度，按 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算過(guò)柵水頭差。水流經(jīng)過(guò)清污機(jī)橋時(shí)產(chǎn)生的過(guò)柵水頭差，按寬頂堰過(guò)柵流量公式計(jì)算，

式中B-閘孔總凈寬（m）

Q-水閘設(shè)計(jì)最大泄洪流量（m3/s）

m-流量系數(shù)

-側(cè)收縮系數(shù)

-閘上總水頭（m）

-淹沒(méi)系數(shù)

經(jīng)計(jì)算可分析，孔口凈寬3m的清污機(jī)橋過(guò)柵水頭損失達(dá)0.1m?？卓趦魧挻笥?m的清污機(jī)橋過(guò)柵水頭損失基本相同。過(guò)柵水頭損失導(dǎo)致站前實(shí)際水位低于理論水位，水泵揚(yáng)程增加，實(shí)際運(yùn)行功率提高約 2%-3%，清污機(jī)橋的過(guò)柵水頭

損失對(duì)水泵運(yùn)行的影響不容忽視。因此，站前清污機(jī)橋孔口凈寬不宜太小，建議采用 4m以上。

4.5清污機(jī)橋前污物的影響

根據(jù)多年設(shè)計(jì)調(diào)查，江蘇境內(nèi)泵站揚(yáng)程一般在2-7m之間，清污機(jī)橋前污物以水花生、糧食秸桿為主，如不及時(shí)清污，過(guò)柵水位差可達(dá)到0.2-0.5m。

水泵裝置運(yùn)行工作點(diǎn)，亦稱(chēng)為運(yùn)行工況，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際工作時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。水泵運(yùn)行工作點(diǎn)主要取決于3個(gè)因素，即水泵的性能、管路損失及上下游水位差的配合。這3個(gè)因素中任何一項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，水泵工況均隨著變化。水流經(jīng)過(guò)清污機(jī)橋產(chǎn)生過(guò)柵水頭損失，導(dǎo)致站前水位發(fā)生變化，水泵運(yùn)行工況就會(huì)產(chǎn)生調(diào)整，其流量、效率、功率都會(huì)隨水頭的變化而變化。

5、結(jié)論

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)。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。因此在泵站設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程中，不斷研究提高水泵運(yùn)行效率的同時(shí)，也應(yīng)重視對(duì)清污機(jī)橋等站前建筑物的研究，重視清污機(jī)橋的布置和選型，加強(qiáng)清污機(jī)的運(yùn)行管理。

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