空氣射流導(dǎo)污排草裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馬軍杰，趙海峰，趙建輝，耿林博

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心，陜西 渭南 714000）

0 前言

陜西省渭南市東雷二期抽黃工程的渠首樞紐太里一級(jí)站，位于合陽(yáng)縣坊鎮(zhèn)黃河右岸太里灣附近，1997年6 月投入運(yùn)行，控制灌溉面積126.5 萬(wàn)畝，設(shè)計(jì)流量40 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.84 m，總裝機(jī)容量6.16 MW。泵站進(jìn)水部分第一道閘門下部為鋼疊梁，用于攔擋大顆粒泥沙，其上部安裝有攔污柵，用于攔截河道雜物；第二道閘門為啟閉機(jī)檢修閘，用于第三道閘門或啟閉機(jī)檢修時(shí)封堵進(jìn)水口；第三道閘門為進(jìn)水閘，用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量。第二道閘門后設(shè)第二道攔污柵，配套2 臺(tái)GD1000型抓斗式清污機(jī)。

第一道攔污柵安裝在鋼疊梁之上，防止河道中漂浮物隨水流進(jìn)入水泵影響機(jī)組正常運(yùn)行。攔污柵攔截漂浮物后會(huì)對(duì)水流形成阻礙，造成水頭損失，影響泵站取水效率，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致水泵偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，葉輪容易發(fā)生汽蝕，因此攔污柵的清污工作是泵站日常運(yùn)行中的重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題。由于黃河流經(jīng)區(qū)域面積較廣、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，每年灌溉高峰期，河道中大量的懸浮柴草、生活垃圾漂浮物隨水流進(jìn)入取水口，擁堵在第一道攔污柵上，形成內(nèi)外水頭差，來(lái)水不暢導(dǎo)致停機(jī)必須進(jìn)行清理。目前泵站主要有人工清污和機(jī)械清污兩種方式，人工清污的弊端有：（1）作業(yè)周期較長(zhǎng)，影響正常生產(chǎn)效率；（2）頻繁停開(kāi)機(jī)，降低設(shè)備使用壽命，增加功耗；

（3）所需作業(yè)人數(shù)較多，增加班組工作量；（4）作業(yè)環(huán)境較為危險(xiǎn)，存在安全隱患。機(jī)械清污裝置主要有回轉(zhuǎn)式清污裝置、抓斗式清污裝置等，此類裝置對(duì)安裝場(chǎng)地要求高、部分機(jī)械裝置位于水下，維護(hù)困難。基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)空氣射流導(dǎo)污裝置，使用壓縮空氣將河道中的污物吹離進(jìn)水口，并對(duì)裝置的導(dǎo)污效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 空氣射流導(dǎo)污排草方案設(shè)計(jì)

太里一級(jí)站前污物主要以雜草為主，雜草根系較長(zhǎng)，一旦纏繞在攔污柵上便難以剝離，傳統(tǒng)的機(jī)械撈草方式實(shí)施起來(lái)較為困難。進(jìn)水閘處的水流變化劇烈，閘室前的水流主要沿著河道方向流動(dòng)，進(jìn)水方向的流速較低，水流進(jìn)入閘室后流速迅速增大，根據(jù)進(jìn)水閘前水流的特點(diǎn)，可以考慮通過(guò)機(jī)械裝置將污物推離閘室方向，使其順著水流流向下游，這樣既避免了河道中的漂浮物進(jìn)入閘室，也省去了對(duì)漂浮物打撈清運(yùn)等環(huán)節(jié)。基于此，在不影響現(xiàn)有抽黃工程的進(jìn)水量、在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，不在河道上新建水工建筑物、攔污柵工作時(shí)主機(jī)組不停機(jī)這三方面因素的考慮，設(shè)計(jì)利用空氣射流進(jìn)行導(dǎo)污排草的裝置。

空氣射流導(dǎo)污裝置的原理見(jiàn)圖1，裝置整體安裝在進(jìn)水閘室前，導(dǎo)污柵架可沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)，導(dǎo)污柵架上布置若干朝向下游的噴嘴，工作時(shí)壓縮空氣連續(xù)不斷射出，將水面以上的漂浮物推離進(jìn)水口，使其順著河道流向下游，水面下噴射出的氣流在水中形成連續(xù)的氣泡，將水面下的雜物阻擋，使其流向下游。

圖1 空氣射流導(dǎo)污裝置的原理圖

空氣射流導(dǎo)污排草裝置的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，導(dǎo)軌安裝在閘墩前端，導(dǎo)污柵架固定在兩側(cè)導(dǎo)軌之間，可沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)。柵架兩側(cè)開(kāi)設(shè)定位孔，可通過(guò)定位銷將柵架的上下位置固定，站房?jī)?nèi)布置有空壓機(jī)，通過(guò)管道將壓縮空氣輸送到導(dǎo)污柵架內(nèi)，柵架上布置有若干單向閥，單向閥前端安裝有萬(wàn)向噴嘴，工作時(shí)通過(guò)泵站的龍門吊將導(dǎo)污柵架放置在合適的位置，根據(jù)水流的方向及流速將噴嘴調(diào)至合適的方向，開(kāi)啟空壓機(jī)，將泵站前方的污物吹走；停機(jī)時(shí)，可將導(dǎo)污柵架提起，防止設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間泡在水下，造成不必要的損壞。

圖2 空氣射流導(dǎo)污裝置的結(jié)構(gòu)圖

2 空氣射流導(dǎo)污排草試驗(yàn)方法及試驗(yàn)條件

為實(shí)現(xiàn)最佳的污排草效果，制定最小噴口直徑、導(dǎo)污排草氣壓、氣泵流量與噴口數(shù)量匹配、柵架安裝深度與導(dǎo)污排草效果4 組試驗(yàn)方案以探究與導(dǎo)污效果之間的關(guān)系。

2.1 試驗(yàn)方法

（1）最小噴口直徑試驗(yàn)

為確定最小噴口直徑，在導(dǎo)污柵架上底部第一排安裝20個(gè)直徑2 mm 噴頭，第二排安裝10 個(gè)直徑1 mm 噴頭，10 個(gè)直徑2 mm 噴頭；安裝完成后接入氣量4 m3/min、罐壓0.27 MPa 的氣泵，柵架氣壓為0.24 MPa；通過(guò)泵站的龍門吊將導(dǎo)污柵架放入工作位置，觀察并記錄直徑1 mm 噴頭和直徑2 mm 噴頭排草效果。

（2）導(dǎo)污排草氣壓試驗(yàn)

在導(dǎo)污柵架底部?jī)膳虐惭b40 個(gè)直徑為2 mm 噴頭，分別接入氣量6.5 m3/min、氣泵罐壓為0.4 MPa 和氣量為9 m3/min、氣泵罐壓為0.6 MPa 的氣泵，這兩種情況下柵架氣壓分別為0.35 MPa、0.5 MPa，使用龍門吊車將柵架沿其導(dǎo)軌放入工作位置，觀察并記錄不同氣壓的導(dǎo)污排草效果。

（3）氣泵流量與噴口數(shù)量匹配試驗(yàn)

在導(dǎo)污柵架底部?jī)膳乓呀?jīng)安裝40 個(gè)直徑為2mm 的噴頭，接入氣泵氣9 m3/min 條件下，使用龍門吊車將單流道空氣射流導(dǎo)污排草柵架吊裝至臺(tái)面。通過(guò)增加和減少柵架噴頭數(shù)量，來(lái)改變控制射流的總排氣量，每次增減或減少5 個(gè)噴頭，噴頭直徑均為2 mm，觀察柵架氣壓隨噴頭數(shù)量的變化規(guī)律，安裝調(diào)整柵架空氣射流噴頭過(guò)程見(jiàn)圖3。隨噴頭數(shù)量的增加，泵站的供氣量也需隨之增大，柵架氣壓太小，將不能達(dá)到導(dǎo)污排草的目的。重復(fù)6 次上述試驗(yàn)過(guò)程，獲得噴頭數(shù)量在25～50 個(gè)變化范圍內(nèi)的氣泵罐壓及柵架氣壓的變化規(guī)律。

圖3 安裝調(diào)整柵架空氣射流噴頭過(guò)程

（4）柵架下潛深度與導(dǎo)污排草效果試驗(yàn)

在柵架導(dǎo)污排草的噴頭直徑和最小柵架壓力確定后，在氣泵氣量9 m3/min、氣泵罐壓0.6 MPa，柵架氣壓0.5 MPa 條件下，通過(guò)龍門吊車將排草柵架沿其軌道吊裝不同的柵架下潛深度，吊裝過(guò)程見(jiàn)圖4；將柵架起吊至上層噴頭距水面深分別為100 mm、60 mm、20 mm 時(shí)，觀察并記錄導(dǎo)草效果。

圖4 單流道空氣射流導(dǎo)污排草柵架吊裝過(guò)程

2.2 試驗(yàn)條件

單流道空氣射流柵架的噴頭總數(shù)為240 個(gè)，橫向布置20 個(gè)，縱向布置12 個(gè)，試驗(yàn)太里一級(jí)站組織，氣站設(shè)在進(jìn)水閘后，見(jiàn)圖5，采用如圖6 所示的龍門吊車來(lái)起吊單流道空氣射流導(dǎo)污排草系統(tǒng)的柵架，通過(guò)調(diào)整噴頭和堵頭數(shù)量來(lái)改變噴氣口的數(shù)量。

圖5 單流道空氣射流泵站

圖6 龍門吊車

3 空氣射流導(dǎo)污排草試驗(yàn)結(jié)果及其分析

（1）噴頭口徑試驗(yàn)結(jié)果及分析

在氣泵供氣量為4 m3/min、柵架氣壓為0.24 MPa，將安裝有噴頭的柵架下潛到水面下深50 mm，不同型號(hào)噴頭的導(dǎo)污排草效果見(jiàn)圖7。直徑2 mm 噴頭所產(chǎn)生的空氣射流可以將草基本將草拒止在柵架外，直徑1 mm 噴頭所產(chǎn)生的空氣射流不足以將草推離柵架，最終水中的浮草吸附在柵架上。噴頭直徑越大，在氣壓一定情況下，柵架需要的噴氣量越大，所需的氣站功率就越大，因此，能夠滿足導(dǎo)污排草效果的最小噴頭直徑為2mm。

圖7 氣泵給氣量4m3/min 時(shí)不同型號(hào)噴頭的導(dǎo)污排草效果

（2）導(dǎo)污排草氣壓試驗(yàn)結(jié)果及分析

在氣泵供氣量為6.5 m3/min、柵架氣壓為0.35 MPa，將安裝有噴頭的柵架下潛到水面下深50 mm，導(dǎo)污排草效果見(jiàn)圖8。由于試驗(yàn)時(shí)伴有吹向柵架方向的東風(fēng)，導(dǎo)致流向柵架方向的水流速度增大，最后浮草吸附在柵架上。

圖8 氣泵給氣量6.5m3/min 導(dǎo)污排草效果（伴有吹向柵架正面的東風(fēng)）

在氣泵供氣量為9 m3/min、柵架氣壓為0.5 MPa，將安裝有噴頭的柵架下潛到水面下深50 mm，在柵架通氣前后的導(dǎo)污排草效果見(jiàn)圖9。由于該時(shí)段黃河水中浮草較多，在給柵架通氣前，柵架上吸附不少的浮草。在柵架通氣后，空氣射流除了能夠阻止河水中浮草遠(yuǎn)離柵架，而且還能夠?qū)偶苌弦呀?jīng)吸附的雜物推離柵架，順河水流向下游。所以滿足導(dǎo)污排草效果的最小柵架氣壓為0.5MPa。

圖9 氣泵給氣量9 m3/min 時(shí)導(dǎo)污排草效果

在40 個(gè)直徑2mm 噴頭情況下，氣泵供氣量與氣泵罐壓和柵架氣壓的關(guān)系見(jiàn)圖10。隨著氣泵供氣量的增大，氣泵罐壓和柵架氣壓增大。柵架氣壓隨氣泵供氣量之間基本呈線性關(guān)系，線性擬合后的柵架氣壓P與泵站供氣量Q 的關(guān)系式為：

圖10 在40 個(gè)直徑2mm 噴頭下的氣壓與氣泵供氣量關(guān)系圖

受管道節(jié)流能量損失和長(zhǎng)距離通氣管道影響，不同情況下柵架氣壓小于氣泵罐壓，且隨氣泵供氣量增大，柵架氣壓與氣泵罐壓之間的差值增大。

（3）氣泵流量與噴口數(shù)量匹配試驗(yàn)結(jié)果及分析

在氣泵供氣量為9 m3/min 情況下，直徑2 mm 噴頭數(shù)量與氣泵罐壓和柵架氣壓的關(guān)系見(jiàn)圖11。隨著噴頭數(shù)量的增大，氣泵罐壓和柵架氣壓減小。柵架氣壓隨噴頭數(shù)量之間呈線性關(guān)系，線性擬合后的柵架氣壓P與噴頭數(shù)量N 的關(guān)系式為：

圖11 在供氣量9 m3/min 下的氣壓與噴頭數(shù)量關(guān)系圖

P=-0.01046N+0.9205

不同情況下柵架氣壓小于氣泵罐壓，且隨噴頭數(shù)量的增大，柵架氣壓與氣泵罐壓之間的差值增大。

（4）柵架下潛深度與導(dǎo)污排草效果試驗(yàn)結(jié)果及分析

在氣泵供氣量為9 m3/min，柵架氣壓為0.5 MPa，將空氣射流柵架上層噴頭下潛距水面不同深度，導(dǎo)污排草效果見(jiàn)表1。噴頭下潛100 mm 時(shí)，可以將浮草推力柵架3 cm～8 cm；噴頭下潛60 mm 時(shí)，可以將浮草推力柵架10 cm～15 cm；噴頭下潛20 mm時(shí)，可以將浮草推力柵架25 cm～30 cm。隨著噴頭下潛深度的增大，導(dǎo)污排草效果減弱。

表1 柵架下潛深度與導(dǎo)污排草效果試驗(yàn)結(jié)果表

4 結(jié)論

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果可得，能夠滿足導(dǎo)污排草效果的最小噴頭孔徑為2 mm，最小柵架氣壓為0.5 MPa，空氣射流柵架的噴頭下潛深度20 mm 時(shí)，導(dǎo)污排草效果較好，可以有效將黃河引水口的浮草攔截在25 cm 之外，能夠滿足抽黃引水工程中的引水口導(dǎo)污排草要求。

按照柵架噴頭下潛深度的導(dǎo)污排草試驗(yàn)結(jié)果可知，空氣射流噴頭不宜下潛深度過(guò)大，同時(shí)考慮到柵架制造的經(jīng)濟(jì)性、起吊使用的便捷性以及空壓機(jī)實(shí)際使用供氣量，最終的空氣射流導(dǎo)污排草柵架以一到兩排噴頭為主。這樣可以大大減輕空氣射流柵架的復(fù)雜程度和重量，并且改造實(shí)施簡(jiǎn)單易行。

根據(jù)獲得柵架氣壓與氣泵供氣量和噴頭數(shù)量的關(guān)系，在滿足空氣射流導(dǎo)污排草的柵架氣壓0.5MPa 條件下，柵架如果按照一排20 個(gè)直徑2 mm 噴頭設(shè)計(jì)，單個(gè)流道所需的供氣量約為4.5 m3/min，空壓機(jī)最小功率為30 kW；柵架如果按照兩排40 個(gè)直徑2 mm 噴頭設(shè)計(jì)，單個(gè)流道所需的供氣量約為9 m3/min，空壓機(jī)最小功率為55 kW。

此外，如果能夠?qū)諝馍淞鲊婎^的分布密度和噴頭噴射角度進(jìn)一步優(yōu)化，導(dǎo)污排草效果會(huì)更佳，空氣射流所需的氣泵功率也會(huì)降低。