低含沙量海水泵房設計經驗

時間：2012-3-28 9:53:29來源：http://m.next-generationconsulting.com作者：弘凌泵閥

泥沙淤積對于海水泵房而言，是一個比較難的課題，需要在設計中認真研究，掌握規律，逐步解決。本文通過探討泥沙淤積的客觀規律，并總結設汁中的一些經驗教訓，提出在設計中應注意的要點：資料收集，科研試驗，系統設計，設備設汁，泵房布置(包括設備布置、泥沙處理措施、流速控制、流道形式、配水、管道等部分)，泥沙監測，泥沙清淤。希望通過以下描述分析能為今后類似工程的設計提供參考.

在設計取用低含沙量海水作為冷卻水的泵房時，由于有泥沙這一特殊介質，則必然存在與一般清水泵房設計的不同之處。工程上有過由于對泥沙問題考慮不周而導致的教訓。例如某電廠取水部分，在準備正式投入使用時發現，泥沙已將取水部分全部掩埋，無法取水。終只有修改取水方案，向外海延伸取水頭部數十米才解決廠取水問題。再如另一電廠的取水泵房，也是由于考慮泥沙問題不周，造成如果按照原設計的運行模式，泥沙淤積會對系統正常運行產生威脅。終采用增加運行設備，改變原運行工況才解決了此問題。以上問題的解決都是以犧牲經濟利益為前提的，而產生問題的根本原因正是對泥沙淤積缺乏正確的認識和考慮不周所致。就此提出一些在設計類似工程時所需注意的設計要點，供大家參考。

1 海水泵房

在海水泵房中，為整個系統的安全運行，一般需設置檢修，海水處理、過濾、分配及提升等部分。當然，還需設置設備運輸和組裝等場地。

檢修部分是檢修閘板。可以在需要時隔離相關部分進行必要的維修。

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后續設備不會受到海生物滋生的影響。

海水過濾部分由格柵和格柵除污機以及濾網(板框或鼓形濾網)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后續設備安全運行而設置的。

海水分配部分是為水泵和過濾設備設置的，起配水的功能。

海水提升部分是水泵。

同時還有必須的管線和閥門。

泵房實際上是對海水進行提升的構筑物。其余的附屬設備和構筑物則是為了確保系統后續設備的安全運行而設置的。圖1是某海水泵房的工藝平面布置圖.

2有關泥沙的幾個概念

2．1 泥沙

泥沙是指在水流中存在的可以隨水流運動的固體顆粒。

2．2泥沙粒徑和含沙量

水中的泥沙粒徑級配和含沙量包括泥沙粒度分布、密度、中值粒徑、平均含沙量和大含沙量。

2．3粗顆粒泥沙

按照我國水文工程界分類．粒徑在2 mm以上的泥沙統稱為粗顆粒泥沙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細顆粒泥沙

按照我國水文工程界分類，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。本文從沉降機理上將0．05 mm以下的泥沙統稱為細顆粒泥沙。

細顆粒泥沙的沉降要復雜得多，其中一個重要的因素是絮凝沉降.

2．5 絮凝現象

絮凝現象是細顆粒泥沙的主要特性。細顆粒泥沙受重力的影響較小，而表面的物理化學作用占主導。

一般把0.01 mm的沙粒作為有無絮凝現象的泥沙粒徑界限。0．01至0．03 mm的泥沙也有絮凝現象，但不明顯，屬于過渡段。

顆粒表面一般帶負電荷。海水中存在電解質。水有極性，可以受到靜電引力。帶負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的能力。同時還會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，會形成公共的吸附水膜將顆粒緊緊地結合在一起。公共吸附水膜中的離子會加劇吸附作用。此種現象稱為絮凝。

細顆粒經進一步絮凝后，會形成絮團。絮團的沉降速度會增大。據研究，絮團的平均沉速為0.15～0，6 mm／s。

2．6壓密過程

絮團初期沉降至底部時，其結構是高度蜂窩狀，含水率高，密度低。在自重和

水壓的作用下，絮團變形，絮團間的空隙將會逐漸消失。含水率降低，密度增大，粘結性增強。粗顆粒泥沙的壓密現象更加突出。在某種程度上，可稱之為“板土".

2．7 水流紊動

水流平穩與否的一個重要指標是雷諾數(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—過水斷面面積，m2；

x一濕周，m；

v—流體的運動粘性系數，cm2／s。

2．8混合沙的沉降

在粗顆粒泥沙和細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，可以認為粗顆粒泥沙不受細顆粒泥沙絮凝沉降的影響。

3 設計要點

3．1 資料收集

在進行設汁時，首先要收集相關資料。

以下是重要的設計輸入資料：水文資料(包括設汁水溫、設計水位、波浪等)；取水水質資料；取水泥沙級配和含沙量；取水泥沙的啟動流速；取水泥沙的不淤流速；取水污物的來源；水泵的NPSHb 。

上述資料是在設計的不同階段獲得的。設計水溫、設計水位、波浪和取水水質在可研階段委托相關的科研單位調研、計算、分析獲得。取水污物可以通過調研、分析，在可研階段或方案設計階段獲得。水泵的NPSH是在初步設計階段由設計方經過水力計算向水泵生產廠家提出。泥沙資料是在初步設計階段才能終確定。

在泥沙出現壓密現象后，使泥沙重新回到水體中的流速是啟動流速。使泥沙懸浮：于水中不發生沉積的流速是不淤流速。啟動流速應大于不淤流速。不淤流速需要在試驗或調研中獲得。

從本文第2節的內容可以看出，泥沙級配和含沙量是分析泥沙沉降規律的必要資料，也是確定工藝布置形式的依據。泥沙的啟動和不淤流速是進行

泵房工藝流道和管線計算、布置的控制參數。在設計中應時刻重視對這兩個參數的使用。如果這類參數沒有取得或使用有誤，則會使工藝流道和管道的計算存在一定的盲目性，有可能在取得數據后要對藝尺寸進行較大的調整。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，海水泵房屬于一個大的項目，設汁周期較長。如：果工藝尺發生較大的變動，勢必影響設計周期，導致一定的人員和資源的浪費，甚至造成工程延期的不良后果。

3．2 科研試驗

在根據搜集的資料和本身工藝要求進行泵房布置后，委托相關科研單位利用數模和物模試驗分析在各種設計工況下泥沙運動的規律是很有必要的。數模試驗在流態簡單、邊界條件容易確定的部分精確度較高。有些工程，利用數模試驗可以清楚地分析出泥沙的運動規律。大多數工程，數模試驗在可研階段實施，目的是對泥沙運動規律下定性的結論，同時作：為下一步物模試驗的基礎。物模試驗適用于各種情況。可以是大范圍的，包括整個泵房；也可以是局部的，對某些有疑問的區域進行試驗；還可以先進行大范圍的，然后有針對性的作局部試驗。通過試驗，可以比較準確地了解泥沙沉積形態，從試驗報告中還可以得到一些非常有價值的數據和建議。根據得到的結果對設計進行修正，使之更加合理。

有的工程在進行物模試驗之后，根據試驗結果對沒計方案要進行大的調整。而這些工作的進行，有利于將問題解決在設計階段，避免在工程運行后采取被動的解決方案，而此時的解決方案局限性很大。

圖2是一個方案設計階段泵房的工藝布置示意。其經過科研試驗后進行了較大的修改。終布局形式見圖1相關部分。

在試驗中發現，由于水泵運行工況比較復雜，進水前池水流的流態并非如圖2中箭頭所示，而是在前池出現了許多漩渦和死區。這些區域泥沙的Re將下降，導致淤積的產生。試驗結果表明這些淤積將會影響工藝的安全運行。設計依據試驗結果和建議作大的修改。

3．3 系統設計

系統設計是確定設備參數和構筑物形式、規模的基礎。在系統設計中主要應確定以下內容：系統的流程，系統參數，系統中所需的設備，系統運行工況，水量、水質要求，水位。

系統流程的確定除了工藝上的要求外，布置也是其中一項制約因素。在確定系統流程時，應充分考慮泥沙淤積對系統可能造成的影響。

系統運行工況對采用何種工藝布置方案至關重要。運行工況簡單，取水的流量在各處變化不大，解決泥沙淤積問題要相對簡單得多。如果運行工況復雜，勢必造成泵房內各處的流體流態復雜，工藝尺寸要適應各種運行工況比較困難。在前言中所舉的例子就是由于工藝尺寸不適應各種工況所致。3．2節的例子也是此類問題的體現。

3．4 設備設計

根據系統的設計要求，對相關的主要設備進行優化比較。這包括對所有關鍵設備的優化組合。對影響整個泵房布置和大小的設備尤其要認真分析，從中確定佳的設備形式。如過濾設備可以選擇鼓形濾網和板框濾網，鼓形濾網也有網內進水網外出水和網外進水網內出水等形式。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，過濾設備(指鼓形濾網和板框濾網)處的水流速度比較慢，過水斷面隨外海潮位的變化而變化，很容易出現低于不淤流速的情況。在設計時，應充分考慮此處可能出現的泥沙沉降和壓密現想，圖3是解決這類問顥的一種方法示例，、

圖3的方法是在鼓形濾網間的底部作一個弧形流道，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。

水泵設計應注意的因素之一是泥沙的磨蝕作用。如果水力模型和內部結構忽視了這一點，會使水泵葉輪沖刷嚴重，下口環部分磨損加劇，水泵的使用壽命會大幅度下降，甚至會威脅到系統的正常使用，進而影響電廠的順利運行。某工程的水泵由于泥沙問題導致葉輪磨損嚴重和下口環出現坑面正是這種問題的佐證。因素之二是水泵的NPSH。如果設計中的NPSH值不妥，將導致氣蝕，進而迅速破壞水泵。這是在水泵工藝設計中必須慎重考慮

的。

對于閘板設計應當慎重選擇。由于海水水位在不停地發生變化，每天都會有高低潮位交替出現，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際上形成了連通管。漲潮時水流流向閘門間，泥沙也隨之帶入，部分泥沙將沉積在連通管內。落潮時水流流向大海，此時流出海水的含沙量將降低，此種現象稱為“呼吸"現象。隨著時間的延長，壓密現象會逐步增強，泥沙淤積的厚度、泥沙的粘性、泥沙的密度都會增大。如果淤積到很嚴重的程度，系統啟動時會面臨泥沙濃度劇增、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)。但此種閘門簡單，不需增加動力設備，故障率低。如果選擇上游止水式閘門，“呼吸”現象可以避免，且大大延長取水部分泥沙淤積的時間。但此種閘門需要增加動力設備，以抵抗水的壓力，且由于機械部件增加，故障率也隨之上升。

在優化設備設計結束后，應根據選定的設備形式和參數編制主要設備的技術規格書，供設備談判、采購、制造和技術服務之用。

3．5 泵房布置

3．5．1 設備布置

經過優化選擇設備后，對泵房進行合理布置。

設備布置與設備設計是相輔相成的。兩者必須緊密配合才能使設計合理化。

3．5．2泥沙處理措旅

在考慮泥沙淤積解決措施的過程中，必須清醒地認識到，泥沙淤積是客觀規律。解決泥沙淤積問題，并不是理想地做到泥沙進出平衡，而是在可能的范圍內控制泥沙的沉積形態。重要的是能夠做到預計泥沙的沉積形態和規律，使泥沙沉積處于受控狀態，從而可以采取各種措施消除泥沙淤積對系統運行的危害。

3．5．2．1 流速控制

控制泥沙運動重要的參數是雷諾數(Re)。Re是衡量水流紊動性大小的一個指標。Re越大，水流帶走泥沙的能力就越大。在Re大到一定程度時，水流的紊動加劇，已沉降的泥沙會由于擾動的力度被重新帶回到水中。同理，一定的水流紊動會使水中的泥沙處于懸浮狀態，不致沉積。從2．7節中可以看出，融實際上的控制參數是流速，其余的參數在環境一定、布置確定的情況下基本上屬于常數。

不同的取水高程可能會導致啟動流速和不淤流速的不同。

在進行泵房布置時，應利用流道的流速設計盡量使泥沙的沉積處于可以預測的狀態。同時，應重點分析系統的各種運行工況對流道的適應性，以盡量避免由于工況的復雜性所導致的流速不足的問題出現。

3．5．2．2 流道形式

在設計流道的過程中，應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是一個避免此類問題出現的

示例。

3．5．2．3 凸出水部分

在配水部分水流變向、水流渦旋、結構死角出現的機會大，泥沙的沉積現象比較普遍。

配水部分應考慮系統的運行工況，這將決定水流的分布狀況。在復雜的情況下，可以借助于泥沙的物模試驗，對設計的合理性進行驗證并可以根據

試驗結果修正設計(參見3．2節)。

3．5．2．4 管道部分

管道部分應引起高度重視的是水中泥沙的擴散作用。應盡量避免管道長期處于停運狀態而引起的泥沙累積效應。

3．6泥沙監測