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泵站拦污栅有关问题的研究

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]。 3.2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]。

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