淮陰三站清污機橋對機組運行效率影響有關問題的研究

【摘要】本文結合南水北調東線第一期工程淮陰三站清污機橋設計與建設的實例，分析計算了清污機橋孔口凈寬對過柵水頭損失及其對泵站運行效率的影響，分析計算了柵前污物引起的過柵水頭損失對水泵運行工況、運行成本的影響。此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】清污機機橋；能量損失；效率；影響

1、前言

南水北調東線工程通過泵站逐級抽水由長江向北方送水，建設、設計單位對泵站主機組的裝置效率極為重視，每個泵站都通過模型試驗進行比選，一些泵站的水泵主要部件甚至選用進口產品，水泵的裝置效率一般達到 75%一77%之間，水泵機組的造價一般都在1000萬元以上，水泵的裝置效率每欲提高1個百分點，其造價往往需要增加很多。清污機橋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。但是由于清污機橋結構相對簡單和對其重要性認識上的缺乏，對于清污機橋的研究并沒有達到應有的深度。本文結合淮陰三站對清污機橋在泵站運行中出現的問題及其對泵站的影響作分析，以此引起對清污機橋問題的重視，使泵站達到更好的經濟效益。

2、工程概況

淮陰三站工程位于江蘇省淮安市清浦區和平鎮境內，與現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東線第三梯級，具有向北調水、改善水環境、提高航運保證率等功能。淮陰三站工程為Ⅰ等工程，主要建筑物級別為Ⅰ級，次要建筑物為3級。淮陰三站設計流量為100 m3/s，安裝4臺套178GZ-4.78變頻調節貫流泵，配TBP2200-48/3000同步電機，葉輪直徑3.2m， 單機流量33.4 m3/s，功率2200kW，總裝機容量為8800kW。主機額定轉速為125轉/分。進水引河上設清污機橋，中間9孔安裝HQ-6m回轉式清污機，兩側各安裝一固定式攔污柵，清污能力30t/h。

3、清污機在使用中常見的問題

3.1 清污機發生阻塞

清污機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，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，嚴重的會發生攔污柵結構的變形以致遭到破壞。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。

3.2 清污機柵發生銹蝕

清污機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。

3.3清污機的振動問題

在清污機攔污柵的使用中，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。

4、清污機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、清污機橋口孔寬、清污機橋前污物等不同的方面考慮。

4.1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。

攔污柵的水頭損失可按下式計算：

式中v —柵前平均流速；

ξ —柵條的水頭損失系數。其表達式為

式中β -柵條斷面形狀系數；

s-柵條厚度；

b-柵條凈距；

-攔污柵與水平面所成的傾角

即柵條的損失系數與柵條斷面形狀系數、柵條厚度、柵條凈距和攔污柵與水平面所成的傾角 有關。因此水力學的角度講，欄污柵結構型式對過柵水頭損失的影響是顯著的，特別是不同的柵條形狀，會產生不同的水流阻力。

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。

4.2工作點的改變

水泵的工作點是由抽水裝置性能曲線Q ? 和水泵的Q ? H 曲線的交點所確定的。

式中S —管路沿層損失和局部阻力參數之和；

—實際的凈揚程。

由此可見，隨著攔污柵局部水頭損失的增加，裝置性能曲線Q ? 將沿著Q ? H 曲線上移，即工作點發生改變。由于工作點的改變，水泵的運行可能由高效區轉為非高效區，以致引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發生嚴重的氣穴現象。

4.3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。

4.4 清污機橋孔口凈寬的影響

清污機橋的孔口凈寬普遍在3-6m為便于比分析。清污機橋主要特性：柵體傾斜角75°，柵條中心距150mm，柵條規格8x60mm，齒耙軸軸徑83mm，主梁翼緣寬50-70mm，邊梁規格I32a。清污機橋阻水面積由清污機柵體和閘墩2部分組成。柵體阻水由柵條、水平主梁、板鏈軌道、齒耙引起，按迎水面積計算，并將柵體阻水影響折算為閘墩厚度，按 《水閘設計規范》計算過柵水頭差。水流經過清污機橋時產生的過柵水頭差，按寬頂堰過柵流量公式計算，

式中B-閘孔總凈寬（m）

Q-水閘設計最大泄洪流量（m3/s）

m-流量系數

-側收縮系數

-閘上總水頭（m）

-淹沒系數

經計算可分析，孔口凈寬3m的清污機橋過柵水頭損失達0.1m。孔口凈寬大于4m的清污機橋過柵水頭損失基本相同。過柵水頭損失導致站前實際水位低于理論水位，水泵揚程增加，實際運行功率提高約 2%-3%，清污機橋的過柵水頭

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

4.5清污機橋前污物的影響

根據多年設計調查，江蘇境內泵站揚程一般在2-7m之間，清污機橋前污物以水花生、糧食秸桿為主，如不及時清污，過柵水位差可達到0.2-0.5m。

水泵裝置運行工作點，亦稱為運行工況，是指水泵在確定的管路系統中，實際工作時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數。水泵運行工作點主要取決于3個因素，即水泵的性能、管路損失及上下游水位差的配合。這3個因素中任何一項發生變化時，水泵工況均隨著變化。水流經過清污機橋產生過柵水頭損失，導致站前水位發生變化，水泵運行工況就會產生調整，其流量、效率、功率都會隨水頭的變化而變化。

5、結論

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。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。因此在泵站設計、建設過程中，不斷研究提高水泵運行效率的同時，也應重視對清污機橋等站前建筑物的研究，重視清污機橋的布置和選型，加強清污機的運行管理。

參考文獻：

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