水电站拦污栅水头损失和清污机械研究现状和趋势

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我国早期建造的绝大多数水电站拦污栅设计取 水压差荷载 2~ 3m 水头计算, 大量运行实践表明, 取此数值显然偏小[ 1] 。而且, 多数水电站未考虑拦 污栅清污设施, 对水深较小的中小型水电站, 采用潜 水员配合进行人工清污, 工作条件恶劣, 工作量大, 工作效率低; 对水深较大的大型水电站, 无法进行人 工清污, 如果无合适的 清污机械, 水力损失更 为严 重。因此, 为确保水电站的安全运行, 适时清除拦污 栅前的污物, 减少其进水口水头损失, 以提高经济效 益, 实施机械化清污是有效途径之一。
Hm 水轮机发电水头。 从( 3) 式可以看出 Q 较大时, Hm 的微小变化对
N 的影响很大, 所以在大型水轮机组中, 要求尽可能 减少水头损失。因此, 设计清污机械, 适时清除拦污
栅前的污物, 是减小水头损失的有效措施之一。
3 水电站清污机械分类
不管是已实现系列化生产的国外清污机械, 还 是国内研制的各种清污机械, 不外乎是有导轨和无 导轨两种型式。绝大多数清污 机械属于有导 轨型 式, 一般说来清污机在导轨上行驶, 其与挡水建筑物 或引水建筑物是同期施工的。若水电站蓄水发电后
清污量超过 3t/ 次, 操作简便, 时间短, 能较好地清除杂草、树 叶等比 较柔软的物质, 并可清除细长的树干、竹子等。
应用情况
适用于大中型电站, 在华北 等地水电 站广泛使用。 已在新疆、青海等地中小型 水电站广 泛使用。 在内中小型水电站使用, 并 已出口非 洲多个国家。
已在湖南马迹塘等电站使用。
动, 因粘滞性的作用, 产生切应力的结果。当液体沿 纵向边界流动时, 只要局部边界的形状或大小改变, 或有局部障碍, 液流内部结构就急剧变化, 液体质点 间的相对运动加强, 内摩擦增大, 产生较大的能量损 失, 这种发生在局部范围之内的水头损失称作局部 水头损失。液流在通过拦污栅时, 栅条对其有一个 局部阻碍作用, 产生局部水头损失。这是不可避免 的; 另外, 拦污栅所拦截的污物, 部分地堵塞栅孔, 使 拦污栅原有的边界条件改变, 加剧了对水流的阻碍 作用, 致使过栅的局部水头损失增加, 这部分损失, 通过清除污物, 可以全部或部分清除。 1. 2 影响拦污栅水头损失的因素
任玉珊1 , 刘淑珍2 , 于向军1 , 高金花1
( 1. 长春工程学院, 长春 130012; 2. 东风县水利局, 辽源 136300)
摘 要 分析了水电站拦污栅水头损失的机理, 拦
污栅水头损失与发电水头的关系; 介绍了国内外水
电站清污机械的种类、特点及应用情况。建议开展
对已建大中型水电站拦污栅锈蚀、堵塞状况的调查
4 清污机械的特点及其应用
4. 1 有导轨清污机械 有导轨清污机械有回转、耙斗和自动抓脱梁等
结构形式: 4. 1. 1 回转式清污机械[ 4]
回转式清污机械是集拦污与清污为一体的链式 除污栅, 它由固定框架、转动栅叶、板式滚子链和动 力传动装置组成, 见图 2。栅叶装配在板式滚子链 上, 当后者在链轮带动下回转时, 栅叶跟着回转, 污 物由栅叶的栅齿在回转中带出水面, 使污物自动脱 落于排污槽中。已被用于新疆马纳斯河水电站、湘 西青山水电站、陕西省绛帐水电站、广东省东江至深 圳供水工程泵站、引黄济青调水工程泵站、引滦工程 泵站等, 能较好地清除小杂物及漂浮物, 而且还可用 于北方地区排冰。此种清污机械仅适用于中小型水 电站或水泵站。 4. 1. 2 耙斗式清污机械[ 5]
( 2) 局部阻力系数随拦污栅有效断面比减小而 增加。
( 3) 当过栅流量一定时, 随着堵塞率的增加, 局 部阻力系数增大; 当栅孔堵塞率一定时, 阻力系数随 过栅流量增加而增大。
2 拦污栅水头损失与水轮机出力的 关系
水轮机组发电是 水的势能转换为机械能再转 化为电能 的结 果, 水 轮发 电 机组 管 路系 统 如图 1 所示:
研究, 为清污机的制造和适时清污提供水力学依据,
以保证水电站的安全和高效运行。
关键词 水电站; 拦污栅; 清污机; 发电水头
中图分类号: TV732. 2
文献标识码: A
文 章 编 号: 1009- 8984( 2002) 03-0012- 04
在水力发电工程中, 为了满足取水要求, 需要在 引水压力钢管进口处设置拦污栅, 以拦截水中的污 物, 防止水轮发电机组被破坏。因此, 水流在通过拦 污栅时受到阻碍, 产生局部水头损失, 导致发电水头 减少。随着水轮机运行时间的增长, 进水口拦污栅 前及栅条间的污物将逐渐增多, 若不及时清除, 拦污 栅前后水位差 逐渐超过设计允 许值, 甚 至可达 7m 以上[ 1] , 严重影响水轮机出力, 并可能压垮拦污栅, 致使水轮发电机组停运, 造成重大的经济损失。因 此, 对拦污栅水头损失和清污机械的研究, 日益受到 重视。
( 1) 式中: Z1、Z2 1- 1 断面和 2- 2 断面位置水头;
P1/ r、P2/ r 1- 1 断 面和 2- 2 断面的压 强
v1、v2 hw
水头; 1- 1 断面和 2- 2 断面的平均流速; 1- 2 断面水头损失。
2. 2 水头损失 hw
hw = hf + hj
( 2)
式中: hf 沿程水头损失; hj 局部水头损失。 拦污栅的局部水头损失包含于局部水头损失当
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长春工程学院学报 ( 自然科学版) 2002 年 第 3 卷 第 3 期 J. Changchun Inst. Tech. ( Nat. Sci. Edi. ) , 2002, Vol. 3, No. 3
ISSN 1009- 8984 CN 22- 1323/ N
水பைடு நூலகம்站拦污栅水头损失和清污机械研究现状和趋势
开展大中型水电站拦污栅堵塞、锈蚀影响水力 发电水头的试验研究和理论研究, 建立水头损失与 发电机组出力关系曲线;
在线监测进水口引水压力钢管沿程水头损失和 局部水头损失, 进行水轮发电机组效率试验研究, 为 制定清污和维修计划提供可靠依据。
名称
栅链回转 式拦污机 回转式拦污 栅清污机
抓斗式 清污机 门式移动 清污机
收稿日期: 2002- 04- 01 基金项目: 国家电力公司东北公司科技计划项目 96JN 18 作者简介: 任玉珊( 1964, 3- ) , 男( 汉) , 伊通, 副教授
主要研究钢结构, ( 0431) 5955991- 2589
1 拦污栅水头损失的成因及影响因素
1. 1 拦污栅水头损失的成因 水头损失是由于 液流内部质点之间有相对运
耙斗式机 械清污机
表 1 清污机主要性能和应用情况表
主要性能
能清除树枝、漂木、杂草、垃圾、浮石、冰块; 移动速度 3~ 7m/ min。占 地面积小, 安装维护检修方便。
能清除污物及冰块; 回转速度 5~ 10m/ min, 清污重量 1~ 10t 。 能清除栅条间污物, 并可清除流木、树枝、树根及动物尸体等 较大污 物, 常与自动抓脱梁配合使用, 稳定性好。 工作速度 3~ 5m/ min, 上升和下降匀速, 自控性能好。
良好。 4. 2. 2 抓斗式清污机械[ 6]
抓斗有对称式栅条结构和非对称式栅条结构两 种, 而且抓斗张闭有油缸 控制或钢丝绳控 制之分。 可自上而下对拦污栅清污。此种清污机仅能对直栅 式拦污栅栅条间清污, 清污效果较差, 但其适于清除 拦污栅前的流木、树枝、树根及动物尸 体等较大污 物, 常与自动抓脱梁配合清污, 清污效果更好。湖北 清江隔河岩水电站配备的清污机械就是液压穿轴式 自动抓脱梁与油缸控制张闭的对称式栅条结构的抓
利用自动抓脱梁将铅直放置的拦污栅抓取提出 水面清污后再放回原处拦污。自动抓脱梁可分为全 机械操作式和液压穿轴式两大类。
全机械操作式自动抓脱梁有自动挂钩式、重锤 吊钩式、挂脱自如式等多种型式。自动挂钩式挂脱 可靠性较差、结构复杂、维修保养不方便, 多用于中 小启闭力的吨位等级; 重锤吊钩式自动抓脱梁已被 用于云峰水电站等; 挂脱自如式自动抓脱梁已被用
影响拦污栅局部水头损失的原因有: 栅条的几 何形状, 过栅水流的雷诺数, 进口前断面的流速分布 等。近年来, 对拦污栅堵塞或锈蚀改变栅孔结构使 局部水头损失增加的研究取得了一些成果[ 2] , 具体 表现为:
( 1) 在相同的上游平均流速下, 随栅孔尺寸的加 大, 局部阻力系数减少; 在相同栅孔下, 局部阻力系 数随上游平均流速增大而增加。
任玉珊, 等: 水电站拦污栅水头损 失和清污机械研究现状和趋势
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再加装导轨难度极大, 只好考虑无导轨型式的清污 机械。
清污机械的清污效果好坏主要取决于执行机构 的性能, 按执行机构的型式划分, 清污机械可分为回 转、耙斗、自动抓脱梁、挖斗和抓斗等结构型式。
图 1 水轮发电机组管路系统简图
2. 1 列 1、2 断面能量方程[ 3] Z 1 + P1/ r + v12/ 2g = Z2 + P 2/ r + v22/ 2g + hw
中, 当水轮发电机组管路系统确定后, 流量 Q 一定 时, Z1、Z2、P1/ r、P2/ r, v1 和 v2 为不变的数, 因此, 拦污 栅水头损失增加时, 水轮机发电水头 Hm 必然减少。 2. 3 水轮发电机组出力
N = QH m
( 3)
式中: N 水轮机实际出力;
水轮机效率;
为水容量; Q 流量;
4. 2. 1 挖斗式清污机械 挖斗为栅条型式结构, 可对拦污栅自下而上清
污, 挖斗用钢丝绳或用钢性臂架控制。装在钢性臂 架上的挖斗, 在水中作业时可承受各种水流冲击比 用钢丝绳起吊的挖斗性能优 越可靠, 见图 4。此种 清污机械适用于低水头发电的水电站, 尤其适用于 直栅式拦污栅, 清污能力较大, 用钢性臂架控制的挖 斗式清 污机已 被用于 葛洲 坝水 电站等, 清 污效 果
已在江 西 长 岗、西 洱 河 等 水电 站 使 用; 适用于中小水电站的倾 斜式拦污 栅清污。
研究设计新型清污机械, 尤其是针对早期建造 无清污设施的大中型水电站, 设计并制造集清污、运 输于一体的船载式清污机是提高水轮发电机组发电 效率的有效措施之一。
参考文献
1 董毓新, 李彦硕 水电站建筑物 结构分析[M ] . 大连: 大连 理工大学出版社, 1995.
任玉珊, 等: 水电站拦污栅水头损 失和清污机械研究现状和趋势
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闭的非对称式栅条结构抓斗进行清污的, 由潜水员 证实较好地清除了拦污栅前的较大污物。各种清污 机主要性能和应用情况见表 1。
5 研究现状分析及建议
图 4 挖斗式清污机
斗式清污机。云峰水电站利用自制的钢丝绳控制张
关于拦污栅水流特性的研究, 国内外已做了大 量的工作, 有些成果已被工程设计采用。但对拦污 栅锈蚀、堵塞与水头损失的关系研究并不多; 国外水 电站清污机械已实现系列化生产, 国内还没有确切 的清污机械系列产品, 多数情况为结合工程具体实 际进行仿造设计, 清污机 械设计生产缺乏 创造性。 因此建议如下:
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长春工程学院学报( 自然科学版)
2002, 3( 3)
于湖南五强溪水电站。液压穿轴自动抓脱梁, 动作 灵活, 其挂脱可靠性较好, 体积较小起重容量大, 多
用于大中启闭力的吨位等级。已被用于葛洲坝水电 站、湖北清江隔河岩水电站和湖南五强溪水电站等。
图 2 回转式清污机
图 3 耙斗式清污机
4. 2 无导轨清污机械 无导轨清污机械有挖斗和抓斗等型式。
2 沈兴致 带胸墙的拦污栅 网蓖阻力 特性试验研 究[ J] . 西 北勘测设计, 1990, 11.
这种清污机械的耙斗的耙齿成栅条形, 间距与 拦污栅栅条间距相等, 耙齿能插入栅条内一定深度, 以便耙取塞在栅条间的污物。为防止卡阻, 在耙齿 上设压力弹簧, 遇障碍时将使耙齿上抬, 越过障碍继 续工作, 见图 3。另外还设有拐臂对耙齿施加一定 压力以确保齿尖插入栅条内耙取淤积密实的污物。 耙斗依靠自重沿导轨下降, 利用卷扬机通过钢丝绳 牵引上升。已被用于礼河三级水电站、西洱河一级 水电站、江西长冈水电站( 属于耙斗式清污机械的改 进型, 也可称梳齿式清污机械) 、非洲喀麦隆共和国 的格拉都斯水电站等, 能较好地清除杂草、树叶等比 较柔软的物质。此种清污机械仅适用于中小型水电 站的倾斜式拦污栅清污。 4. 1. 3 自动抓脱梁
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