水沙分離效應的應用探討

賈瑞旗，何成連（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

水沙分離效應的應用探討

賈瑞旗，何成連
（中水北方勘測設計研究有限責任公司，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，運行時造成水輪機過流部件產生嚴重磨蝕，一些電站汛期被迫停止發電。水工設計中采用的沉砂池和排砂底孔對水流中的推移質在電站進水口形成排沙漏斗，對減輕過機沙量，減輕水輪機泥沙磨損起到了一定作用，但仍有大量的懸移質泥沙進入水輪機。含沙水流流經蝸殼流道時在離心力作用下，水流中的懸移質向靠近蝸殼外側下部運動。本文提出一種新的排沙思路，與業內人士共同探討該方法的可行性。

關鍵詞：離心力作用；泥沙分離；懸移質；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高。許多電站出于保護轉輪和過水部件的考慮，在汛期時停止發電來減少泥沙水流對轉輪等的磨蝕。為保證電站汛期正常發電，水工設計中普遍采用在引水管路或進水口前設置沉砂池或排砂底孔來減少過機含沙量，或者修建排沙洞進行沖沙。設計一般考慮“門前清”，減少過機泥沙和粗顆粒過機，沉砂池和排砂底孔在很大程度上減少推移質和躍移質的過機量，但對含沙水流中的懸移質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，探討利用水輪機蝸殼的水沙分離特性，通過在蝸殼鼻端設置排沙孔，將進入水輪機的粗顆粒、高濃度含沙水流直接排至尾水管，進一步減輕或消除進入水輪機有害泥沙，從而實現水輪機汛期發電目的。

1　離心力作用下的水沙分離效應

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

圖1離心力作用示意圖

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

離心作用下的水沙分離效應是利用旋轉運動的離心力及含沙水流中懸移沙粒的沉降系數不同來進行固液分離的。懸移質的分布是上稀下濃的，運行規律隨機性強，不易分離，當含沙水流經過圓周運動或者是流經一定的角度時，懸移沙粒受離心力影響遠離旋轉中心移動，運動到外部邊界時由于與邊壁的摩擦減慢旋轉，那里的離心力減弱從而使顆粒產生沉積。

2　工程現象

作者在進行黃河上某水電站效率測試時，在蝸殼上進行蝸殼差壓流量測量，電站在清水期運行時一切正常，但在汛期進行低水頭試驗時，測試數據異常不穩定，致使效率試驗無法開展。進一步分析原因時發現：蝸殼壓差測流高、低壓側測壓管排出的水流含沙濃度不同，靠近座環的低壓側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。測壓管中和蝸殼內部水流含沙濃度的不同，導致蝸殼差壓規律紊亂，從而導致在含沙期，利用蝸殼壓差測流試驗結果的無規律（表1）。

表1汛期與汛期后測試性能參數對比

從蝸殼高低壓測點在排水5min后同時取水，在機組不同出力下進行水流取樣，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，2號—80MW蝸殼差壓低壓側，3號—50MW蝸殼差壓高壓側，4號—50MW蝸殼差壓低壓側，5號—20MW蝸殼差壓高壓側，6號—20MW蝸殼差壓低壓側，7號—80MW過機含沙量，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，沙粒向蝸殼外側邊壁移動，從而高壓側為高濃度含沙水，低壓側基本為清水。最后粗顆粒、高濃度含沙水流集中于蝸殼鼻端進入水輪機，造成水輪機磨損。

3　提出的減沙、排沙方法

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

圖3排沙管設置示意圖

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

4　結語

通過對水沙分離效應的觀察，作者提出一種新的排沙減沙思路，同時擬進行下一步研究，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，對水沙分離進行定量的分析研究，進一步確定排沙管安裝位置和尺寸比例，期待與業內專業人員共同進行這方面的研究和工程應用嘗試。

參考文獻：

[1]邵學軍，王興奎.河流動力學概論[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]魯永華，任智峰，高文軍，等.黃河龍口水利樞紐工程排沙洞設計[J].水利水電工程設計，2011（2）.

[3]魯鋒，劉經緯.淺談三門峽水電廠機組渾水發電的穩定性[C]//水輪發電機組穩定性技術研討會論文集，2007:34-36.

中圖分類號：TV149

文獻標識碼：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，從事水力機械原型和模型測試研究工作。