低含沙量海水泵房設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
時(shí)間：2012-3-28 9:53:29 來(lái)源：http://www.wuxizhizhen.cn 作者：弘凌泵閥 閱讀次數(shù)：2061泥沙淤積對(duì)于海水泵房而言，是一個(gè)比較難的課題，需要在設(shè)計(jì)中認(rèn)真研究，掌握規(guī)律，逐步解決。本文通過(guò)探討泥沙淤積的客觀規(guī)律，并總結(jié)設(shè)汁中的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的要點(diǎn)：資料收集，科研試驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)備設(shè)汁，泵房布置(包括設(shè)備布置、泥沙處理措施、流速控制、流道形式、配水、管道等部分)，泥沙監(jiān)測(cè)，泥沙清淤。希望通過(guò)以下描述分析能為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供參考.
在設(shè)計(jì)取用低含沙量海水作為冷卻水的泵房時(shí)，由于有泥沙這一特殊介質(zhì)，則必然存在與一般清水泵房設(shè)計(jì)的不同之處。工程上有過(guò)由于對(duì)泥沙問(wèn)題考慮不周而導(dǎo)致的教訓(xùn)。例如某電廠取水部分，在準(zhǔn)備正式投入使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，泥沙已將取水部分全部掩埋，無(wú)法取水。最終只有修改取水方案，向外海延伸取水頭部數(shù)十米才解決廠取水問(wèn)題。再如另一電廠的取水泵房，也是由于考慮泥沙問(wèn)題不周，造成如果按照原設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式，泥沙淤積會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生威脅。最終采用增加運(yùn)行設(shè)備，改變?cè)\(yùn)行工況才解決了此問(wèn)題。以上問(wèn)題的解決都是以犧牲經(jīng)濟(jì)利益為前提的，而產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因正是對(duì)泥沙淤積缺乏正確的認(rèn)識(shí)和考慮不周所致。就此提出一些在設(shè)計(jì)類似工程時(shí)所需注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供大家參考。
1 海水泵房
在海水泵房中，為整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，一般需設(shè)置檢修，海水處理、過(guò)濾、分配及提升等部分。當(dāng)然，還需設(shè)置設(shè)備運(yùn)輸和組裝等場(chǎng)地。
檢修部分是檢修閘板。可以在需要時(shí)隔離相關(guān)部分進(jìn)行必要的維修。
海水處理部分是在海水中投加藥液(如次氯酸鈉溶液)，抑制和殺除海生物從而保護(hù)后續(xù)設(shè)備不會(huì)受到海生物滋生的影響。
海水過(guò)濾部分由格柵和格柵除污機(jī)以及濾網(wǎng)(板框或鼓形濾網(wǎng))組成。前者去除海水中較大污物；后者去除海水中較小污物。這些措施同樣是為了保護(hù)后續(xù)設(shè)備安全運(yùn)行而設(shè)置的。
海水分配部分是為水泵和過(guò)濾設(shè)備設(shè)置的，起配水的功能。
海水提升部分是水泵。
同時(shí)還有必須的管線和閥門。
泵房實(shí)際上是對(duì)海水進(jìn)行提升的構(gòu)筑物。其余的附屬設(shè)備和構(gòu)筑物則是為了確保系統(tǒng)后續(xù)設(shè)備的安全運(yùn)行而設(shè)置的。圖1是某海水泵房的工藝平面布置圖.
2有關(guān)泥沙的幾個(gè)概念
2．1 泥沙
泥沙是指在水流中存在的可以隨水流運(yùn)動(dòng)的固體顆粒。
2．2泥沙粒徑和含沙量
水中的泥沙粒徑級(jí)配和含沙量包括泥沙粒度分布、密度、中值粒徑、平均含沙量和最大含沙量。
2．3粗顆粒泥沙
按照我國(guó)水文工程界分類．粒徑在2 mm以上的泥沙統(tǒng)稱為粗顆粒泥沙2～0．05 mm的泥沙稱之為沙粒。本文從沉降機(jī)理上將0.05 mm以上的泥沙稱為粗顆粒泥沙粗顆粒泥沙的沉降主要是重力作用。
2．4細(xì)顆粒泥沙
按照我國(guó)水文工程界分類，粒徑在0．05～0．005 ml-n的泥沙為粉沙，小于0．005 mm的泥沙為粘粒。本文從沉降機(jī)理上將0．05 mm以下的泥沙統(tǒng)稱為細(xì)顆粒泥沙。
細(xì)顆粒泥沙的沉降要復(fù)雜得多，其中一個(gè)重要的因素是絮凝沉降.
2．5 絮凝現(xiàn)象
絮凝現(xiàn)象是細(xì)顆粒泥沙的主要特性。細(xì)顆粒泥沙受重力的影響較小，而表面的物理化學(xué)作用占主導(dǎo)。
一般把0.01 mm的沙粒作為有無(wú)絮凝現(xiàn)象的泥沙粒徑界限。0．01至0．03 mm的泥沙也有絮凝現(xiàn)象，但不明顯，屬于過(guò)渡段。
顆粒表面一般帶負(fù)電荷。海水中存在電解質(zhì)。水有極性，可以受到靜電引力。帶負(fù)電荷的顆粒吸引一部分水分子在其周圍整齊排列，形成吸附水膜。水膜中的水分子部分或全部失去自由活動(dòng)的能力。同時(shí)還會(huì)有一些離子由于靜電的吸引而存在于吸附
水膜中和散布在四周。
在兩顆粒相互靠近時(shí)，會(huì)形成公共的吸附水膜將顆粒緊緊地結(jié)合在一起。公共吸附水膜中的離子會(huì)加劇吸附作用。此種現(xiàn)象稱為絮凝。
細(xì)顆粒經(jīng)進(jìn)一步絮凝后，會(huì)形成絮團(tuán)。絮團(tuán)的沉降速度會(huì)增大。據(jù)研究，絮團(tuán)的平均沉速為0.15～0，6 mm／s。
2．6壓密過(guò)程
絮團(tuán)初期沉降至底部時(shí)，其結(jié)構(gòu)是高度蜂窩狀，含水率高，密度低。在自重和
水壓的作用下，絮團(tuán)變形，絮團(tuán)間的空隙將會(huì)逐漸消失。含水率降低，密度增大，粘結(jié)性增強(qiáng)。粗顆粒泥沙的壓密現(xiàn)象更加突出。在某種程度上，可稱之為“板土".
2．7 水流紊動(dòng)
水流平穩(wěn)與否的一個(gè)重要指標(biāo)是雷諾數(shù)(RP)。在渠道中：
Re=vR/u
式中u—水流速度，m／s；
R—水力半徑(w／x)m；
w—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；
x一濕周，m；
v—流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，cm2／s。
2．8混合沙的沉降
在粗顆粒泥沙和細(xì)顆粒泥沙共存的情況下，沉降是粗顆粒泥沙的重力沉降和細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降共同作用。在體積比含沙量為0．35％～2．25％時(shí)，可以認(rèn)為粗顆粒泥沙不受細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的影響。
3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3．1 資料收集
在進(jìn)行設(shè)汁時(shí)，首先要收集相關(guān)資料。
以下是重要的設(shè)計(jì)輸入資料：水文資料(包括設(shè)汁水溫、設(shè)計(jì)水位、波浪等)；取水水質(zhì)資料；取水泥沙級(jí)配和含沙量；取水泥沙的啟動(dòng)流速；取水泥沙的不淤流速；取水污物的來(lái)源；水泵的NPSHb 。
上述資料是在設(shè)計(jì)的不同階段獲得的。設(shè)計(jì)水溫、設(shè)計(jì)水位、波浪和取水水質(zhì)在可研階段委托相關(guān)的科研單位調(diào)研、計(jì)算、分析獲得。取水污物可以通過(guò)調(diào)研、分析，在可研階段或方案設(shè)計(jì)階段獲得。水泵的NPSH是在初步設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)方經(jīng)過(guò)水力計(jì)算向水泵生產(chǎn)廠家提出。泥沙資料是在初步設(shè)計(jì)階段才能最終確定。
在泥沙出現(xiàn)壓密現(xiàn)象后，使泥沙重新回到水體中的流速是啟動(dòng)流速。使泥沙懸浮：于水中不發(fā)生沉積的流速是不淤流速。啟動(dòng)流速應(yīng)大于不淤流速。不淤流速需要在試驗(yàn)或調(diào)研中獲得。
從本文第2節(jié)的內(nèi)容可以看出，泥沙級(jí)配和含沙量是分析泥沙沉降規(guī)律的必要資料，也是確定工藝布置形式的依據(jù)。泥沙的啟動(dòng)和不淤流速是進(jìn)行
泵房工藝流道和管線計(jì)算、布置的控制參數(shù)。在設(shè)計(jì)中應(yīng)時(shí)刻重視對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的使用。如果這類參數(shù)沒(méi)有取得或使用有誤，則會(huì)使工藝流道和管道的計(jì)算存在一定的盲目性，有可能在取得數(shù)據(jù)后要對(duì)藝尺寸進(jìn)行較大的調(diào)整。工藝布置的確定是各工種開始工作的前提，是輸入條件。一般情況下，海水泵房屬于一個(gè)大的項(xiàng)目，設(shè)汁周期較長(zhǎng)。如：果工藝尺發(fā)生較大的變動(dòng)，勢(shì)必影響設(shè)計(jì)周期，導(dǎo)致一定的人員和資源的浪費(fèi)，甚至造成工程延期的不良后果。
3．2 科研試驗(yàn)
在根據(jù)搜集的資料和本身工藝要求進(jìn)行泵房布置后，委托相關(guān)科研單位利用數(shù)模和物模試驗(yàn)分析在各種設(shè)計(jì)工況下泥沙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是很有必要的。數(shù)模試驗(yàn)在流態(tài)簡(jiǎn)單、邊界條件容易確定的部分精確度較高。有些工程，利用數(shù)模試驗(yàn)可以清楚地分析出泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。大多數(shù)工程，數(shù)模試驗(yàn)在可研階段實(shí)施，目的是對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律下定性的結(jié)論，同時(shí)作：為下一步物模試驗(yàn)的基礎(chǔ)。物模試驗(yàn)適用于各種情況。可以是大范圍的，包括整個(gè)泵房；也可以是局部的，對(duì)某些有疑問(wèn)的區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)；還可以先進(jìn)行大范圍的，然后有針對(duì)性的作局部試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)，可以比較準(zhǔn)確地了解泥沙沉積形態(tài)，從試驗(yàn)報(bào)告中還可以得到一些非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)和建議。根據(jù)得到的結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，使之更加合理。
有的工程在進(jìn)行物模試驗(yàn)之后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)沒(méi)計(jì)方案要進(jìn)行大的調(diào)整。而這些工作的進(jìn)行，有利于將問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段，避免在工程運(yùn)行后采取被動(dòng)的解決方案，而此時(shí)的解決方案局限性很大。
圖2是一個(gè)方案設(shè)計(jì)階段泵房的工藝布置示意。其經(jīng)過(guò)科研試驗(yàn)后進(jìn)行了較大的修改。最終布局形式見(jiàn)圖1相關(guān)部分。
在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于水泵運(yùn)行工況比較復(fù)雜，進(jìn)水前池水流的流態(tài)并非如圖2中箭頭所示，而是在前池出現(xiàn)了許多漩渦和死區(qū)。這些區(qū)域泥沙的Re將下降，導(dǎo)致淤積的產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果表明這些淤積將會(huì)影響工藝的安全運(yùn)行。設(shè)計(jì)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和建議作大的修改。
3．3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)是確定設(shè)備參數(shù)和構(gòu)筑物形式、規(guī)模的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要應(yīng)確定以下內(nèi)容：系統(tǒng)的流程，系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)中所需的設(shè)備，系統(tǒng)運(yùn)行工況，水量、水質(zhì)要求，水位。
系統(tǒng)流程的確定除了工藝上的要求外，布置也是其中一項(xiàng)制約因素。在確定系統(tǒng)流程時(shí)，應(yīng)充分考慮泥沙淤積對(duì)系統(tǒng)可能造成的影響。
系統(tǒng)運(yùn)行工況對(duì)采用何種工藝布置方案至關(guān)重要。運(yùn)行工況簡(jiǎn)單，取水的流量在各處變化不大，解決泥沙淤積問(wèn)題要相對(duì)簡(jiǎn)單得多。如果運(yùn)行工況復(fù)雜，勢(shì)必造成泵房?jī)?nèi)各處的流體流態(tài)復(fù)雜，工藝尺寸要適應(yīng)各種運(yùn)行工況比較困難。在前言中所舉的例子就是由于工藝尺寸不適應(yīng)各種工況所致。3．2節(jié)的例子也是此類問(wèn)題的體現(xiàn)。
3．4 設(shè)備設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)相關(guān)的主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化比較。這包括對(duì)所有關(guān)鍵設(shè)備的優(yōu)化組合。對(duì)影響整個(gè)泵房布置和大小的設(shè)備尤其要認(rèn)真分析，從中確定最佳的設(shè)備形式。如過(guò)濾設(shè)備可以選擇鼓形濾網(wǎng)和板框?yàn)V網(wǎng)，鼓形濾網(wǎng)也有網(wǎng)內(nèi)進(jìn)水網(wǎng)外出水和網(wǎng)外進(jìn)水網(wǎng)內(nèi)出水等形式。水泵可以選擇渦殼泵、斜流泵、臥式離心泵、立式離心泵等。
一般而言，過(guò)濾設(shè)備(指鼓形濾網(wǎng)和板框?yàn)V網(wǎng))處的水流速度比較慢，過(guò)水?dāng)嗝骐S外海潮位的變化而變化，很容易出現(xiàn)低于不淤流速的情況。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮此處可能出現(xiàn)的泥沙沉降和壓密現(xiàn)想，圖3是解決這類問(wèn)顥的一種方法示例，、
圖3的方法是在鼓形濾網(wǎng)間的底部作一個(gè)弧形流道，利用出水管水流的抽吸作用和泥沙在重力作用下的自然下滑使泥沙不致淤積。
水泵設(shè)計(jì)應(yīng)注意的因素之一是泥沙的磨蝕作用。如果水力模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)忽視了這一點(diǎn)，會(huì)使水泵葉輪沖刷嚴(yán)重，下口環(huán)部分磨損加劇，水泵的使用壽命會(huì)大幅度下降，甚至?xí){到系統(tǒng)的正常使用，進(jìn)而影響電廠的順利運(yùn)行。某工程的水泵由于泥沙問(wèn)題導(dǎo)致葉輪磨損嚴(yán)重和下口環(huán)出現(xiàn)坑面正是這種問(wèn)題的佐證。因素之二是水泵的NPSH。如果設(shè)計(jì)中的NPSH值不妥，將導(dǎo)致氣蝕，進(jìn)而迅速破壞水泵。這是在水泵工藝設(shè)計(jì)中必須慎重考慮
的。
對(duì)于閘板設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)慎重選擇。由于海水水位在不停地發(fā)生變化，每天都會(huì)有高低潮位交替出現(xiàn)，且變化的速率很慢。如果選擇一般的下游止水式閘門(從水流方向講，閘門的密封面在下游)，閘門落下后，在閘門和大海之間實(shí)際上形成了連通管。漲潮時(shí)水流流向閘門間，泥沙也隨之帶入，部分泥沙將沉積在連通管內(nèi)。落潮時(shí)水流流向大海，此時(shí)流出海水的含沙量將降低，此種現(xiàn)象稱為“呼吸"現(xiàn)象。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，壓密現(xiàn)象會(huì)逐步增強(qiáng)，泥沙淤積的厚度、泥沙的粘性、泥沙的密度都會(huì)增大。如果淤積到很嚴(yán)重的程度，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)面臨泥沙濃度劇增、磨損加劇，甚至有水泵氣蝕的威脅存在(水泵的NPSH與阻力損失成正比)。但此種閘門簡(jiǎn)單，不需增加動(dòng)力設(shè)備，故障率低。如果選擇上游止水式閘門，“呼吸”現(xiàn)象可以避免，且大大延長(zhǎng)取水部分泥沙淤積的時(shí)間。但此種閘門需要增加動(dòng)力設(shè)備，以抵抗水的壓力，且由于機(jī)械部件增加，故障率也隨之上升。
在優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)束后，應(yīng)根據(jù)選定的設(shè)備形式和參數(shù)編制主要設(shè)備的技術(shù)規(guī)格書，供設(shè)備談判、采購(gòu)、制造和技術(shù)服務(wù)之用。
3．5 泵房布置
3．5．1 設(shè)備布置
經(jīng)過(guò)優(yōu)化選擇設(shè)備后，對(duì)泵房進(jìn)行合理布置。
設(shè)備布置與設(shè)備設(shè)計(jì)是相輔相成的。兩者必須緊密配合才能使設(shè)計(jì)合理化。
3．5．2泥沙處理措旅
在考慮泥沙淤積解決措施的過(guò)程中，必須清醒地認(rèn)識(shí)到，泥沙淤積是客觀規(guī)律。解決泥沙淤積問(wèn)題，并不是理想地做到泥沙進(jìn)出平衡，而是在可能的范圍內(nèi)控制泥沙的沉積形態(tài)。最重要的是能夠做到預(yù)計(jì)泥沙的沉積形態(tài)和規(guī)律，使泥沙沉積處于受控狀態(tài)，從而可以采取各種措施消除泥沙淤積對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的危害。
3．5．2．1 流速控制
控制泥沙運(yùn)動(dòng)最重要的參數(shù)是雷諾數(shù)(Re)。Re是衡量水流紊動(dòng)性大小的一個(gè)指標(biāo)。Re越大，水流帶走泥沙的能力就越大。在Re大到一定程度時(shí)，水流的紊動(dòng)加劇，已沉降的泥沙會(huì)由于擾動(dòng)的力度被重新帶回到水中。同理，一定的水流紊動(dòng)會(huì)使水中的泥沙處于懸浮狀態(tài)，不致沉積。從2．7節(jié)中可以看出，融實(shí)際上的控制參數(shù)是流速，其余的參數(shù)在環(huán)境一定、布置確定的情況下基本上屬于常數(shù)。
不同的取水高程可能會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)流速和不淤流速的不同。
在進(jìn)行泵房布置時(shí)，應(yīng)利用流道的流速設(shè)計(jì)盡量使泥沙的沉積處于可以預(yù)測(cè)的狀態(tài)。同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)分析系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況對(duì)流道的適應(yīng)性，以盡量避免由于工況的復(fù)雜性所導(dǎo)致的流速不足的問(wèn)題出現(xiàn)。
3．5．2．2 流道形式
在設(shè)計(jì)流道的過(guò)程中，應(yīng)盡量消除流道溝的死角。避免由丁二水流渦旋消耗泥沙顆粒的能量而使泥沙在死角處沉積。圖4是一個(gè)避免此類問(wèn)題出現(xiàn)的
示例。
3．5．2．3 凸出水部分
在配水部分水流變向、水流渦旋、結(jié)構(gòu)死角出現(xiàn)的機(jī)會(huì)最大，泥沙的沉積現(xiàn)象比較普遍。
配水部分應(yīng)考慮系統(tǒng)的運(yùn)行工況，這將決定水流的分布狀況。在復(fù)雜的情況下，可以借助于泥沙的物模試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證并可以根據(jù)
試驗(yàn)結(jié)果修正設(shè)計(jì)(參見(jiàn)3．2節(jié))。
3．5．2．4 管道部分
管道部分應(yīng)引起高度重視的是水中泥沙的擴(kuò)散作用。應(yīng)盡量避免管道長(zhǎng)期處于停運(yùn)狀態(tài)而引起的泥沙累積效應(yīng)。
3．6泥沙監(jiān)測(cè)
對(duì)于存在泥沙淤積的區(qū)域(一般是在配水部分)，為更好地了解泥沙的淤積形態(tài)，掌握量化的數(shù)據(jù)，在有條件時(shí)，可以增加泥沙淤積厚度監(jiān)測(cè)儀。
監(jiān)測(cè)儀一般采用超聲波型式。利用超聲波發(fā)射和反射的時(shí)間差，計(jì)算出泥沙淤積的厚度。超聲波發(fā)射接收裝置應(yīng)浸沒(méi)在水中，不允許露出水面。由于超聲波存在發(fā)射角，應(yīng)避免在測(cè)量區(qū)域內(nèi)有障礙物，否則會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。
3.7 泥沙清淤
在掌握了泥沙淤積形態(tài)的基礎(chǔ)上，可以設(shè)置泥沙清淤設(shè)備。定期清淤，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。清淤設(shè)備可以使用類似于水處理沉砂池中的移動(dòng)式泥漿泵、氣力泵或人工等手段。
上一條：海水泵的幾種材料的比較
泵的知識(shí)
PUMP KNOWLEDGE
