抽水蓄能电站拦污栅相关问题的研究

抽水蓄能电站拦污栅相关问题的研究

司鸿颖，郭彬

河海大学水利水电工程学院,江苏南京(210098)

E-mail:shy349@

摘要：拦污栅设计合理与否直接影响着水电站的运行及其经济效益，因拦污栅而引起的电站事故时有发生。本文论述了抽水蓄能电站中的拦污栅在使用中出现的上下游水压差及振动问题，并指出了相应的措施。

关键词：抽水蓄能电站；拦污栅；水压差；振动

中图分类号：TV7

1 引言

拦污设备的功用是防止漂木、树枝、树叶、杂草、垃圾、浮冰等漂浮物随水流带入进水口，同时不让这些漂浮物堵塞进水口，影响进水能力。水电站拦污问题在水电站运行中是一项不容忽视的问题，拦污设计的合理与否，直接影响着电站运行状况的好坏及经济效益。拦污栅作为主要的拦污设备,在确保电站的安全运行方面起到了重要的作用。抽水蓄能电站因进出水口具有双向水流的水力特性，发电时上游进口为收缩流，水流经过栅面，流速不高，分布较均匀,栅体起拦污作用；下游出口为扩散流，水流需经过喇叭口扩散段抵达栅面，流速分布不均匀，使达到栅面的水流可能出现局部高流速区。抽水时则反之，所以进出水口均要满足正反向水流的要求，从而使得过栅水流条件较为复杂，可见，抽水蓄能电站拦污栅的运行条件比常规水电站要恶劣得多，拦污栅破坏的机率也更高。因此，抽水蓄能电站的拦污栅问题引起了工程技术界和学术界的极大关注，现在本人就水电站的拦污问题进行多方面的探讨，并提出改良意见，供有关设计和管理人员参考。

2 电站运行时拦污栅易发生的问题及对策

2．1 关于拦污栅上下游水压差

2．1．1 拦污栅前后水压差的发生

水流通过拦污栅时产生的水头损失即为拦污栅的压差。拦污栅的水头损失由两部分组成：一是固有水头损失——水流在通过拦污栅时，栅条对水流有局部的阻碍作用，产生局部水头损失，这是不可避免的。影响这种水头损失的因素有：栅条的几何形状、过栅水流的

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雷诺数、进口前断面的流速分布等。另一部分是附加水头损失——拦污栅所拦截的污物部分地阻塞栅孔，或水流的腐蚀作用而导致的锈蚀，使拦污栅原有的过流面积减小，加剧了对水流的阻碍作用，致使过栅局部水头损失增加。

在水电站正常运行时，污物堵塞拦污栅是水电站进水口运行中较为普遍的问题。因此，栅前、栅后水压差远不是理论计算的过栅水头损失。文献[6]在对48 座水电站的调查中发现半数以上的进水口曾发生不同程度的拦污栅堵塞。轻者，加大拦污栅的水头损失，减少进水口流量（根据目前资料，有4个进水口拦污栅压差达6~7m，2个达11~12m）；堵塞严重者，栅条受压变形或压断，机组减荷或被迫停机。对于运行多年的拦污栅来说，栅条锈蚀也会导致拦污栅过水面积减少，增加水头损失。模型实验结果表明[3]：（1）拦污栅的局部水头损失随着拦污栅开孔率的减小而增加，同时也随着雷诺数增加而增加，规律性较好，当雷诺数达到一定值时与雷诺数无关。拦污栅局部水头损失占管路总损失的百分数随着拦污栅开孔率的减小、雷诺数的增加而增加。（2）拦污栅堵塞率与过栅水头损失的关系为在同一开孔率、同一雷诺数情况下，过栅水头损失随着堵塞率的增加而增加；在同一开孔率、同一堵塞率的情况下，过栅水头损失随着雷诺数的增加而增加。拦污栅的局部水头损失系数有着与局部损失类似的特性，但是局部损失系数与雷诺数的对数有着良好的线性关系。局部水头损失增量在同一堵塞率情况下，开孔率越小，局部损失增量越大，当雷诺数达到一定值以后，局部水头损失增量值不变；在同一开孔率情况下，堵塞率增加，局部水头损失增量增加。

2．1．2 采取的措施

（1）对于那些进水口拦污栅上下游没有安设水位计定量描述水头损失对发电影响程度的电站，应该进行关于水电站进水口拦污栅锈蚀和堵塞规律的试验研究，掌握拦污栅的开孔率、堵塞率与过栅水头损失增量之间的关系，以便采取相应的措施。

（2）对于污物来源少的抽水蓄能电站，可以不设拦污栅，来提高过栅流速，这是抽水蓄能电站拦污栅设计的新趋向。如日本神流川上库进/出水口的过栅流速从原设计的0.74m/s 提高到1.43m/s，试验得到的vmax=4.3m/s，已建成投运。

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2．2 拦污栅的振动

2．2．1 拦污栅的振动问题

拦污栅一般由栅条、主梁及边框构成， 面积较大， 结构刚度较小， 动态特性复杂， 如果设计安装不当，在高速过栅水流作用下，可能会产生剧烈的振动，甚至使拦污栅遭到破坏。国内外有许多这样的案例[1]，表2-2为美国抽水蓄能电站拦污栅振动破坏实例。

表2-2 美国8座抽水蓄能电站拦污栅振动破坏实例

电站名称 位置 破坏情况 破坏原因

A 尾水拦污栅 栅条下落不明，破坏集中于底部、尾水

管犄角处 振动及制栅材料金属特性不良个

B 尾水拦污栅 1号机拦污栅一分为二；2号机拦污栅

导桩靴被冲走；3号机拦污栅地脚螺栓

松动

振动

C 尾水拦污栅 1号机拦污栅36根栅条失踪；2号机拦

污栅垂直槽形导轨梁磨损 栅条共振，垂向振型基频与干扰频率接近，引起共振

D 尾水拦污栅 栅条断裂丢失 干扰频率与栅条顺流向四阶频

率接近

E 引水拦污栅 1号机拦污栅栅条失踪；2号机拦污栅

栅条断裂，丢失

振动

F 尾水拦污栅 栅条断裂丢失 振动

G 尾水拦污栅 整扇拦污栅被冲走 振动

H 尾水拦污栅 栅条断裂丢失 振动与焊接不良

由上可见，主要是下库进/出口在发电出流时拦污栅被破坏。破坏情况主要有两种：单根栅条在横向或顺水流向发生振动破坏，也可能有扭振；整扇拦污栅在垂直水流或顺水流方向发生振动破坏。

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栅条振动的原因主要有两个因素：水流激振和自振频率。其中水流激振是拦污栅破坏的主要原因。水流在通过拦污栅时， 在局部损失发生的范围内，栅条尾部脱流产生的卡门涡街引起横向激振力，该激振力的频率随流速的增加而增加。当拦污栅表面作用力的频率与拦污栅的固有频率一致或接近时，将引起拦污栅共振，从而导致拦污栅破坏。随着水流雷诺数的增加，栅后可出现层流、周期性及紊流尾流三种流态。周期性尾流将激起拦污栅结构的周期性振动；紊流尾流则使结构产生随机性振动。工程实例表明[2]， 拦污栅短期内就损坏，主要是周期性尾流的作用。栅后尾流是一种常见的流动现象，也是拦污栅振动的主要振源。2．2．2 对拦污栅振动问题采取的措施

（1）影响拦污栅绕流特性的主要因素有栅叶的剖面形状、栅叶的长宽比和栅叶的间距以及来流条件等。而栅叶前后缘形状是影响拦污栅栅叶振动强弱的最主要因素。因此， 控制栅叶前缘水流的状况可以改变栅叶的振动响应特性。

（2）栅条的共振取决于与横梁的间距、栅条之间的相互连接、栅条形状以及栅条间距等。栅条的自振频率主要取决于栅条的尺寸、形状、连接方式。因此，在设计拦污栅时应兼顾以上多种因素。

（3）加强栅条与山体构架的连接，采用良好的焊接，提高其固定系数，缩短每根栅条的自由长度，既增加栅条之间的固定点。为了提高整个栅片的自振频率，常用地脚螺栓、楔子板将栅片固定在栅槽内。

（4）减小过栅流速是一个重要措施，当过栅流速达到一定程度时，栅条尾部就会出现交替的旋涡脱落，其频率随过栅流速的增大而增大。意大利在抽水蓄能电站拦污栅方面有较成熟的经验，他们把出流时的平均过栅流速控制在 1.2m/s 以下( 一般采用 0.8～1.0m/s)。在流连分布的均匀性方面，其最大流速与平均流速之比小于1.5（一般控制在小于 1.3）。

3 结语

抽水蓄能电站要满足进/出水口正反向水流的要求，因此在安装设计拦污栅时要多方面考虑其要满足的条件。本文仅在水压差和振动两方面进行了研究，拦污栅的堵塞、清污、防锈蚀、结构受力等也是研究工作的重点。

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