小型水电站拦污栅和清污措施

马晓明  孙长才
2018-01-04
来源:小水电

1 概述


目前,小水电站一般是靠人工清污,大部分低水头大流量电站,由于清污不及时,使拦污栅前后水压差大大超过设计标准。汛期的停机清污和拦污栅的安全运行成为汛期发电时的一个问题。笔者认为在电站设计时,对拦污栅设计以及防污清污措施的选择,应加以重视并综合考虑。


2 拦污栅设计时应考虑的问题

根据国内20多个工程的拦污栅事故调查统计,由于水流中污物的特殊性使污物塞栅,或者拦污栅的设计欠妥,往往造成栅体压弯、振动及失稳等问题。

1)栅条间距。栅条间距一般应按水轮机的类型和转轮直径D控制。轴流式水轮机D/20,混流式水轮机D/30,冲击式水轮机为喷嘴直径的1/5。在具体工程设计中,栅条间距应结合水流中污物的性质和数量,尽可能选择最大允许值。对大流量大机组,如轴流式水轮机,适当考虑以“排”为主。对小流量小机组,如混流式水轮机,则应以“拦”为主,栅条间距不宜大于100mm,但也不宜小于50mm。冲击式水轮机的栅条间距一般也不应小于20mm。

2)栅前流速。对于坝后式和引水式水电站的进水口拦污栅,其流速一般采用0.8m/s~1.2m/s,水流中杂物较多时为0.8m/s~1.0m/s。小水电站一般采用人工清污,流速建议不大于0.5m/s~0.8m/s。由于难于清污,深式进水口拦污栅前流速不宜超过0.5m/s。

3)拦污栅水头损失。水流通过拦污栅时的水头损失计算:

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式中,Δh—栅前后的水头损失(m);hr—栅条的水头损失(m);ξ—栅条的损失系数;β—栅条断面形状系数,矩形取β=2.34;δ—栅条厚度(mm);l—栅条净距(mm);α—拦污栅倾角;V1—栅前流速(m/s);V2—栅后流速(m/s)。

由于实际应用中拦污栅上经常有污物附着,水头损失要比计算值大得多,通常实际值可为计算值的3倍。作为拦污栅设计的水压差,应考虑部分堵塞情况,比如取4m的水位差设计。

4)拦污栅栅条稳定性分析。拦污栅栅面布置一般为双悬臂形式,由于栅条截面的狭长矩形特性,其侧向抗弯刚度和抗扭刚度相对其他型钢而言较低,常可能在弯应力尚未达到屈服点之前就发生失稳。由于这种整体失稳破坏往往突然发生的,失事前没有明显的征兆,故设计时应特别注意,不但要进行强度计算,还必须验算其稳定性。

栅条进行稳定计算时,一般总是将悬臂和跨中分开考虑,即悬臂部分用悬臂梁的稳定计算公式验算;跨中部分用简支梁的稳定计算公式验算。验算矩形截面用的稳定安全系数不小于2。由于栅条是一个整体,虽然各栅条由连杆和套管(或肋片和槽口)横向固定,但一般考虑更换方便而采用拼紧螺母或压板固定,这种连接方式对X轴方向的约束很小。因此目前采用的这种验算稳定的简化方法,对栅条支承的位置选择及截面大小的确定影响较大。

以栅条承受均布荷载,采取双支承为例,栅条的实际弯矩和挠度见图1。简支梁稳定验算的适用范围应为L0段(端弯矩为0),固端悬臂梁稳定验算适用范围为m0段(反弯点开始)。为了充分利用材料的特性,设计支承时尽可能使整个栅条稳定的安全系数相同,即通过满足条件:a)跨中和悬臂稳定安全系数相等;b)反弯点绕X轴转角为0;c)跨中点反弯点内弯矩为0。求得的理想支承位置m=0.2263 L;适用简支梁的跨距L0=0.3077 L;适用固端悬臂的长度m0=0.2334 L。对于2个以上支承以及承受清污设备的集中荷载时,栅条设计可按同样方法进行荷载、弯矩及绕X轴转角进行分析。

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3 几种较好的清污措施

1)浮式导污栅(网)。如果电站进水口的地形条件具备布置浮式导污栅,可以考虑浮式导污栅(网)。当溢流顺畅时,利用向下游泄流将污物引导排至下游,减轻进水口拦污栅的拦污压力。这种方式一般投资省,效果比较明显。图2为浮筒式拦污栅(网),其布置与水流方向的夹角一般不应大于30°。

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为提高导漂效果,可采取电动或手动简易清污装置。

图3为水力驱动渠道浮式导漂拦污栅(网)。这种方式比较适合渠道较窄,水位较稳定及水较浅的地方,旁路排污地点选择离河流较近的地方。

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2)清污机械。对于水电站而言,较为适用的有耙斗式、曲臂式及回转式。清污机的选用应根据来污量、污物性质和拦污栅的布置方式而定。

a.耙斗式清污机。根据布置方式可以采用固定式、移动式和单轨悬吊式。小型固定式耙斗清污机的耙斗张合可以采用手动操纵,如图4所示。耙斗的形式根据污物的不同可采用斗状或齿耙状。斗状耙斗适合树枝等浮游杆状及大尺寸垃圾的清理。齿耙式耙斗适用于水草等较细软的污物清理。为防止耙斗的侧向移动,耙的设计应有导向轮 ,耙斗挡水面积尽可能小。为保证耙斗贴压拦污栅面,一般应采取吊点偏心设计。采用耙斗式清污机时,应重视由于卡阻引起的拦污栅的安全性,以及耙斗在水下运行时水动力对清污效果的影响。

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b.曲臂连杆式清污机。这种形式的清污机适宜清理浅水倾斜布置的拦污栅上的污物,如水草、树枝及树叶等。清污动作由链条和曲臂完成。链条在水面以上,不易腐蚀,维修较为方便。动作原理见图5所示。

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c.回转耙式清污机。这种形式的清污机主要适用于小树枝、水草等体积较小而数量较多的情况下。齿耙在链条上固定,每隔一定距离固定一个齿耙。齿耙插入栅面一般为20mm~40mm,齿两侧与栅条的间隙一般为3mm左右。齿耙到达顶部,由活动的刮板或圆毛刷压紧并清理。动作原理见图6所示。

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