泵站攔污柵有關問題的研究|最新資料
摘要：就泵站攔污柵在使用中出現的阻塞、銹蝕、振動及清污方面存在的問題進行研究，并結合江蘇淮安二站從空化和空蝕、機組頻繁開停機、能量和經濟損失等方面分析了攔污柵對泵站的影響，研究內容對南水北調東線工程其它泵站也有一定的借鑒作用。
關鍵詞：泵站 攔污柵 阻塞 能量損失
1 前言
南水北調東線工程是以江蘇江水北調為基礎并擴大規模，向北延伸。由于地勢較低需采用抽水方式進行，除現有的江都水利樞紐、淮安各泵站外，還將在年內開工建設劉山站、解臺站、淮安四站、淮陰三站等抽水站，足見泵站在南水北調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進入泵站，確保泵站的安全運行方面起到了不可替代的作用。但是由于攔污柵結構相對簡單和對其重要性認識上的缺乏，對于攔污柵的研究并沒有達到應有的深度。本文結合江蘇淮安二站對攔污柵在泵站運行中出現的問題及其對泵站的影響作分析，以此引起對攔污柵問題的重視，使泵站達到更好的經濟效益。
2 攔污柵在使用中的常見問題
2.1 攔污柵發生阻塞
攔污柵的作用就是阻止水草、樹根、生活垃圾等異物進入進水流道，防止其進入泵站結構的內部，對水工建筑物和水力機械造成危害，使泵站的運行受到影響。但是水流所帶來的雜物碎塊的數量無法預期估計和控制，所以攔污柵前堆積的污物經常不能及時的清理，使得攔污柵發生阻塞，增加了攔污柵前后的水位差，即增大水流對攔污柵的作用力，嚴重的甚至會發生攔污柵結構的變形以致遭到破壞。以斗門縣西安大泵站為例，在攔污柵發生堵塞后，由于壓力超過攔污柵材料彎曲應力極限值，造成攔污柵結構彎曲變形而失穩，被卷進大泵輾成鐵餅[1]。攔污柵的阻塞變形增加了泵站運行能量消耗，引起水泵汽蝕、機組振動、泵站被迫停機等，危害極大。
2.2 攔污柵發生銹蝕
攔污柵為空間剛架與平臺板的組合結構，常年在水流中浸泡，必然會產生一定的銹蝕。攔污柵發生銹蝕雖沒有阻塞造成的后果嚴重，但銹蝕會導致攔污柵過水面積減少，增加水頭損失，減小了水泵的過流能力，同時也影響了水泵的效率。
2.3 攔污柵的振動問題
在攔污柵的使用中，由于對攔污柵動力特性方面考慮不周而導致攔污柵損傷破壞的事件時有發生。柵條振動究其原因主要有兩個因素：(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。水流在通過攔污柵時，在局部損失發生的局部范圍內，柵條尾部脫流產生的卡門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,將引起攔污柵共振，從而導致攔污柵的破壞。隨著水流雷諾數的增加，柵后可出現層流、周期性及紊流尾流3種流態[2]。周期性尾流將激起攔污柵結構的周期性振動；紊流尾流則使結構產生隨機性振動。柵條的自振頻率主要取決于柵條的尺寸、形狀、連接方式。
3 攔污柵對泵站的影響
攔污柵對泵站的影響可以從水力損失、工作點的改變、空化空蝕、振動、噪音、能量和經濟損失等不同的方面考慮。本文結合江蘇淮安二站進行分析。
淮安第二抽水站，位于京航大運河和蘇北灌溉總渠的交匯處，是江蘇省江水北調第二級提水工程之一。該工程于1975年1月動工興建，1978年12月竣工，工程總投資1 062萬元。該站與淮安抽水一站、淮安抽水三站共同擔負著白馬湖地區農田的排澇及蘇北地區農田的灌溉用水和該地區的工業、航運、城鄉人民生活用水的任務。
3.1 水流通過攔污柵產生水力損失
攔污柵的水力損失由兩部分組成：其一為固有水頭損失，即水流在通過攔污柵時，柵條對水流有局部的阻礙作用，產生局部水頭損失。另一部分附加水頭損失，其產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致的銹蝕，使攔污柵原有的邊界條件改變，加劇了對水流的阻礙作用，致使過柵的局部水頭損失增加[3]。
攔污柵的水頭損失[4]可按下式計算：
攔污柵局部水頭損失的產生導致多種不良的影響，如工作點的改變，產生振動，以及由此而產生的其他后果。表1為淮安二站由于攔污柵的阻塞而在進出水流道產生的水頭損失。
3.3 加劇水泵空化和空蝕
攔污柵阻塞使水泵工況點發生改變，水泵工況點流量減小。這樣進入葉輪內的水流方向偏離設計工況，由于葉片和葉輪室間有間隙而產生回流以及葉片產生的二次回流，導致水流的旋轉，當旋轉達到某種強度時旋轉流中心壓力下降而形成渦帶，當葉輪進口壓力降到一定值時，葉片背面會發生空化現象，當壓力繼續降低時，就會發生空蝕，嚴重時會導致葉片背面空蝕區域從葉片進口端向葉片中部發展。
水泵發生空化、空蝕時，大量汽泡的存在改變了流道內特別是葉輪內過流面積和流動方向，而使葉輪與水流之間能量交換的穩定性遭到破壞，能量損失增加，引起流量、揚程及效率的下降，甚至達到斷流，嚴重破壞水泵工作性能。
另外由于氣泡連續發育膨脹和潰滅而產生的壓力脈動進入轉輪及導葉內部，造成了轉輪轉距的脈動，引起軸功率的波動，且發出巨大的噪音，使運行不穩定，并影響機組效率。當脈動頻率接近水泵或某些部件的固有頻率時，會引起較大的振幅。淮安二站的現場試驗表明，當氣泡區自激振蕩的壓力脈動頻率正好與整個系統的水力頻率接近時，就會造成氣穴共振[4]。
3.4 機組頻繁開停機
為了排除攔污柵的阻塞就要對攔污柵進行清污，若采用人工清污，要頻繁的開停機，這不僅對泵站的基本運行不利而且對主機電的性能和絕緣設備帶來威脅。如淮安二站的主電機絕緣己經嚴重老化，近幾年來已發生幾次定子絕緣在試驗時被擊穿、轉子線圈在運行中斷路的事故[5]。同時由于每次開停機所引起的水泵裝置的過渡過程對泵站的危害更大，由于工況的變化而產生的非恒定流會引起整個機組的壓力發生激烈的變化，產生振動破壞。
3.5 能量損失與經濟損失
由于攔污柵的阻塞，使得進入水泵的流量減小，水頭也隨之降低，機組脫離高效區，效率減小，造成能量的損失，從而產生一定的經濟損失。淮安二站在1995年到2001年由于阻塞導致的損失1 573.29萬元，如表2所示[4]。
4 攔污柵清污存在的問題
為了解決泵站清污問題，很早就已經開展泵站清污機的研制，但基本目標是研究機械的清污功能，沒有充分考慮排灌泵站的運行和管理特點。而排灌泵站一般年均運行時間較短,一年中大概有80%的時間清污機處于閑置狀態，在露天環境中難以達到良好的維修保養，所以一旦泵站開機運行，清污機卻不能保證正常工作，緊急的清污工作就只能采用人工進行[6]。這種方式需要在一定水流速度的情況下進行，且只能撈表面浮物，當柵差在0.2 m以上時，上部水流加快，就無法打撈1.5 m水面以下的卡阻物。
目前淮安二站采用汽車吊撈和船撈兩種清污方式，但是由于工作橋設計的不夠合理，致使這兩種清污方式都達不到理想的效果。又因采用真空破壞閥停機斷流方式，停機時水泵內和水泵至真空破壞閥下側出水流道的大量水斷流后倒灌進水流道，造成攔污柵面瞬時水壓差達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水池，無法清污[6]。
5結語
(1) 加強泵站攔污柵結構與水頭損失關系、柵條的優化設計的研究力度，使得過柵流態有利于減小空化、空蝕和振動。
(2) 開展泵站攔污柵堵塞、銹蝕影響水頭損失的試驗研究和理論研究，尋求更高效的清污方式，保證攔污柵得到及時有效的清污。
(3) 南水北調工程是國家為解決我國水資源缺乏而采取的一項舉世矚目的水利工程，其東線工程以梯級泵站為基礎，逐級提水北送，規劃調水規模每年148億m3，以解決黃淮地區的缺水問題。這正體現了泵站在城市生活和農業灌溉中所處的重要位置，因此加強對泵站的研究將有利于發揮泵站對人民生活的積極作用，因此攔污柵作為泵站安全運行的重要因素更有其研究價值。
參考文獻：
[1] 張耀權.解決西安大泵站攔污柵失穩的辦法[J].廣東水利水電，2003（1）：37-39
[2] 閻詩武.水電站攔污柵的振動[J].水利水運工程學報，2001（2）：74-77
[3] 高金花.水電站進水口攔污柵的局部水頭損失及其研究現狀[J].工業技術經濟，1997.（4）：112-113
[4] 淮安第二抽水站攔污柵對機組運行影響評價及對策研究報告（R）.江蘇省灌溉總渠管理處，河海大學，2003.10，1-37
[5] 劉躍波.淮安第二抽水站攔污柵堵塞現狀介析[J].江蘇水利，2003（6）：1-2
[6] 韓向遠.排灌泵站清污機械化的新途徑[J].中國農村水利水電，2002（6）：1
江蘇省灌溉總渠管理處淮安三站攔污柵阻水研究，該項目已通過江蘇省科技廳組織的鑒定，蘇科鑒字【2003】第1193
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