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(dòng)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(jī)組頻繁開停機(jī)、能量和經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(jī)械造成危害，使泵站的運(yùn)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(jì)和控制，所以攔污柵前堆積的污物經(jīng)常不能及時(shí)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(yùn)行能量消耗，引起水泵汽蝕、機(jī)組振動(dòng)、泵站被迫停止運(yùn)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(huì)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(huì)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(shí)也影響了水泵的效率。

3.攔污柵的振動(dòng)問題。在攔污柵的使用中，由于對攔污柵動(dòng)力特性方面考慮不周而導(dǎo)致攔污柵損傷破壞的事件時(shí)有發(fā)生。柵條振動(dòng)究其原因主要有兩個(gè)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(shí)，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(shí)，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(dòng)；紊流尾流則使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隨機(jī)性振動(dòng)。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(diǎn)的改變、空化空蝕、振動(dòng)、噪音、能量和經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(diǎn)的改變，產(chǎn)生振動(dòng)，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(diǎn)發(fā)生改變，水泵工況點(diǎn)流量減小。這樣進(jìn)入葉輪內(nèi)的水流方向偏離設(shè)計(jì)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(qiáng)度時(shí)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(shí)，葉片背面會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，當(dāng)壓力繼續(xù)降低時(shí)，就會(huì)發(fā)生空蝕，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(shí)，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(dòng)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(yáng)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(dòng)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(dòng)，引起軸功率的波動(dòng)，且發(fā)出巨大的噪音，使運(yùn)行不穩(wěn)定，并影響機(jī)組效率。當(dāng)脈動(dòng)頻率接近水泵或某些部件的固有頻率時(shí)，會(huì)引起較大的振幅?；窗捕镜默F(xiàn)場試驗(yàn)表明，當(dāng)氣泡區(qū)自激振蕩的壓力脈動(dòng)頻率正好與整個(gè)系統(tǒng)的水力頻率接近時(shí)，就會(huì)造成氣穴共振。

3.機(jī)組頻繁開停機(jī)。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(jī)，這不僅對泵站的基本運(yùn)行不利而且對主機(jī)電的性能和絕緣設(shè)備帶來威脅。由于該工程主電機(jī)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(yàn)時(shí)被擊穿、轉(zhuǎn)子線圈在運(yùn)行中斷路的事故。同時(shí)由于每次開停機(jī)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(huì)引起整個(gè)機(jī)組的壓力發(fā)生激烈的變化，產(chǎn)生振動(dòng)破壞。

4.能量損失與經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jì)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(jì)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(jī)的研制，但基本目標(biāo)是研究機(jī)械的清污功能，沒有充分考慮排灌泵站的運(yùn)行和管理特點(diǎn)。而排灌泵站一般年均運(yùn)行時(shí)間較短，一年中大概有80%的時(shí)間清污機(jī)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(jī)運(yùn)行，清污機(jī)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(shí)，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(jì)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(jī)斷流方式，停機(jī)時(shí)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(shí)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(qiáng)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(dòng)。

（2） 開展泵站攔污柵堵塞、銹蝕影響水頭損失的試驗(yàn)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(shí)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(yùn)行對泵站、水利發(fā)電站等水利工程的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。