淺談攔污柵在水利工程中應(yīng)用

張萬雄

摘 要 本文就泵站攔污柵在使用中出現(xiàn)的阻塞、銹蝕、振動及清污方面存在的問題進(jìn)行探討，并結(jié)合泵站從空化和空蝕、機組頻繁開停機、能量和經(jīng)濟損失等方面分析了攔污柵對泵站的影響，對水利工程中的攔污柵應(yīng)用進(jìn)行初步的探討。

關(guān)鍵詞 泵站 攔污柵 阻塞 能量損失

一、前言

在引水工程中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(zhì)進(jìn)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(jié)構(gòu)相對簡單和對其重要性認(rèn)識上的缺乏，本文結(jié)合新疆尼勒克某引水工程對攔污柵在泵站運行中出現(xiàn)的問題及其對泵站的影響作分析，以此引出對攔污柵問題的探討，使泵站達(dá)到更好的經(jīng)濟效益。

二、攔污柵在使用中的常見問題

1.攔污柵發(fā)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(jìn)入進(jìn)水流道，防止其進(jìn)入泵站結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(shù)量無法預(yù)期估計和控制，所以攔污柵前堆積的污物經(jīng)常不能及時的清理，使得攔污柵發(fā)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(yán)重的甚至?xí)l(fā)生攔污柵結(jié)構(gòu)的變形以致遭到破壞。以尼勒克引水泵站為例，在攔污柵發(fā)生堵塞后，由于壓力超過攔污柵材料彎曲應(yīng)力極限值，造成攔污柵結(jié)構(gòu)彎曲變形而失穩(wěn)，被卷進(jìn)大泵碾成鐵餅。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、泵站被迫停止運行等，危害極大。

2.攔污柵發(fā)生銹蝕。攔污柵為空間剛架與平臺板的組合結(jié)構(gòu)，常年在水流中浸泡，必然會產(chǎn)生一定的銹蝕。攔污柵發(fā)生銹蝕雖沒有阻塞造成的后果嚴(yán)重，但銹蝕會導(dǎo)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.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(dǎo)致攔污柵損傷破壞的事件時有發(fā)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(fā)生的局部范圍內(nèi)，柵條尾部脫流產(chǎn)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(dāng)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(dǎo)致攔污柵的破壞。隨著水流雷諾數(shù)的增加，柵后可出現(xiàn)層流、周期性及紊流尾流3種流態(tài)。周期性尾流將激起攔污柵結(jié)構(gòu)的周期性振動；紊流尾流則使結(jié)構(gòu)產(chǎn)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。

三、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(jīng)濟損失等不同的方面考慮。本文結(jié)合尼勒克某引水工程中的攔污柵進(jìn)行分析。

1.水流通過攔污柵產(chǎn)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(chǎn)生局部水頭損失。另一部分附加水頭損失，其產(chǎn)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(dǎo)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。攔污柵局部水頭損失的產(chǎn)生導(dǎo)致多種不良的影響，如工作點的改變，產(chǎn)生振動，以及由此而產(chǎn)生的其他后果。

2.加劇水泵空化和空蝕。攔污柵阻塞使水泵工況點發(fā)生改變，水泵工況點流量減小。這樣進(jìn)入葉輪內(nèi)的水流方向偏離設(shè)計工況，由于葉片和葉輪室間有間隙而產(chǎn)生回流以及葉片產(chǎn)生的二次回流，導(dǎo)致水流的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)達(dá)到某種強度時旋轉(zhuǎn)流中心壓力下降而形成渦帶，當(dāng)葉輪進(jìn)口壓力降到一定值時，葉片背面會發(fā)生空化現(xiàn)象，當(dāng)壓力繼續(xù)降低時，就會發(fā)生空蝕，嚴(yán)重時會導(dǎo)致葉片背面空蝕區(qū)域從葉片進(jìn)口端向葉片中部發(fā)展。

水泵發(fā)生空化、空蝕時，大量氣泡的存在改變了流道內(nèi)特別是葉輪內(nèi)過流面積和流動方向，而使葉輪與水流之間能量交換的穩(wěn)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(dá)到斷流，嚴(yán)重破壞水泵工作性能。

另外由于氣泡連續(xù)發(fā)育膨脹和潰滅而產(chǎn)生的壓力脈動進(jìn)入轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉內(nèi)部，造成了轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)矩的脈動，引起軸功率的波動，且發(fā)出巨大的噪音，使運行不穩(wěn)定，并影響機組效率。當(dāng)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(xiàn)場試驗表明，當(dāng)氣泡區(qū)自激振蕩的壓力脈動頻率正好與整個系統(tǒng)的水力頻率接近時，就會造成氣穴共振。

3.機組頻繁開停機。為了排除攔污柵的阻塞就要對攔污柵進(jìn)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(shè)備帶來威脅。由于該工程主電機絕緣已經(jīng)嚴(yán)重老化，近幾年來已發(fā)生幾次定子絕緣在試驗時被擊穿、轉(zhuǎn)子線圈在運行中斷路的事故。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(chǎn)生的非恒定流會引起整個機組的壓力發(fā)生激烈的變化，產(chǎn)生振動破壞。

4.能量損失與經(jīng)濟損失。由于攔污柵的阻塞，使得進(jìn)入水泵的流量減小，水頭也隨之降低，機組脫離高效區(qū)，效率減小，造成能量的損失，從而產(chǎn)生一定的經(jīng)濟損失。該工程在1995年到2001年由于阻塞導(dǎo)致尼勒克應(yīng)用該水源的公司直接經(jīng)濟損失1 573.29萬元。

四、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(jīng)開展泵站清污機的研制，但基本目標(biāo)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(tài)，在露天環(huán)境中難以達(dá)到良好的維修保養(yǎng)，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(jìn)行。這種方式需要在一定水流速度的情況下進(jìn)行，且只能撈表面浮物，當(dāng)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。

目前該工程采用汽車吊撈清污方式，但是由于工作橋設(shè)計的配套問題，致使清污方式達(dá)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(nèi)和水泵至真空破壞閥下側(cè)出水流道的大量水?dāng)嗔骱蟮构噙M(jìn)水流道，造成攔污柵面瞬時水壓差達(dá)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(jìn)水池，無法清污。

五、結(jié)束語

（1）加強泵站攔污柵結(jié)構(gòu)與水頭損失關(guān)系、柵條的優(yōu)化力度，使得過柵流態(tài)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。

這正體現(xiàn)了攔污柵在城市生活和農(nóng)業(yè)灌溉等工程中所處的重要位置。因此，對水利工程中攔污柵的探討將有利于發(fā)揮攔污柵的應(yīng)用與效果，攔污柵的安全運行對泵站、水利發(fā)電站等水利工程的安全運行具有十分重要的意義。