空气射流导污排草装置设计与试验研究
2021-11-08马军杰赵海峰赵建辉耿林博
马军杰,赵海峰,赵建辉,耿林博
(渭南市东雷二期抽黄工程管理中心,陕西 渭南 714000)
0 前言
陕西省渭南市东雷二期抽黄工程的渠首枢纽太里一级站,位于合阳县坊镇黄河右岸太里湾附近,1997年6 月投入运行,控制灌溉面积126.5 万亩,设计流量40 m3/s,设计净扬程4.84 m,总装机容量6.16 MW。泵站进水部分第一道闸门下部为钢叠梁,用于拦挡大颗粒泥沙,其上部安装有拦污栅,用于拦截河道杂物;第二道闸门为启闭机检修闸,用于第三道闸门或启闭机检修时封堵进水口;第三道闸门为进水闸,用来调节进水流量。第二道闸门后设第二道拦污栅,配套2 台GD1000型抓斗式清污机。
第一道拦污栅安装在钢叠梁之上,防止河道中漂浮物随水流进入水泵影响机组正常运行。拦污栅拦截漂浮物后会对水流形成阻碍,造成水头损失,影响泵站取水效率,严重时可导致水泵偏离设计工况点,叶轮容易发生汽蚀,因此拦污栅的清污工作是泵站日常运行中的重点关注问题。由于黄河流经区域面积较广、生态环境复杂,每年灌溉高峰期,河道中大量的悬浮柴草、生活垃圾漂浮物随水流进入取水口,拥堵在第一道拦污栅上,形成内外水头差,来水不畅导致停机必须进行清理。目前泵站主要有人工清污和机械清污两种方式,人工清污的弊端有:(1)作业周期较长,影响正常生产效率;(2)频繁停开机,降低设备使用寿命,增加功耗;
(3)所需作业人数较多,增加班组工作量;(4)作业环境较为危险,存在安全隐患。机械清污装置主要有回转式清污装置、抓斗式清污装置等,此类装置对安装场地要求高、部分机械装置位于水下,维护困难。基于以上问题,本文设计空气射流导污装置,使用压缩空气将河道中的污物吹离进水口,并对装置的导污效果进行实验验证。
1 空气射流导污排草方案设计
太里一级站前污物主要以杂草为主,杂草根系较长,一旦缠绕在拦污栅上便难以剥离,传统的机械捞草方式实施起来较为困难。进水闸处的水流变化剧烈,闸室前的水流主要沿着河道方向流动,进水方向的流速较低,水流进入闸室后流速迅速增大,根据进水闸前水流的特点,可以考虑通过机械装置将污物推离闸室方向,使其顺着水流流向下游,这样既避免了河道中的漂浮物进入闸室,也省去了对漂浮物打捞清运等环节。基于此,在不影响现有抽黄工程的进水量、在现有基础上进行改造,不在河道上新建水工建筑物、拦污栅工作时主机组不停机这三方面因素的考虑,设计利用空气射流进行导污排草的装置。
空气射流导污装置的原理见图1,装置整体安装在进水闸室前,导污栅架可沿导轨上下移动,导污栅架上布置若干朝向下游的喷嘴,工作时压缩空气连续不断射出,将水面以上的漂浮物推离进水口,使其顺着河道流向下游,水面下喷射出的气流在水中形成连续的气泡,将水面下的杂物阻挡,使其流向下游。
图1 空气射流导污装置的原理图
空气射流导污排草装置的具体结构见图2,导轨安装在闸墩前端,导污栅架固定在两侧导轨之间,可沿导轨上下滑动。栅架两侧开设定位孔,可通过定位销将栅架的上下位置固定,站房内布置有空压机,通过管道将压缩空气输送到导污栅架内,栅架上布置有若干单向阀,单向阀前端安装有万向喷嘴,工作时通过泵站的龙门吊将导污栅架放置在合适的位置,根据水流的方向及流速将喷嘴调至合适的方向,开启空压机,将泵站前方的污物吹走;停机时,可将导污栅架提起,防止设备长时间泡在水下,造成不必要的损坏。
图2 空气射流导污装置的结构图
2 空气射流导污排草试验方法及试验条件
为实现最佳的污排草效果,制定最小喷口直径、导污排草气压、气泵流量与喷口数量匹配、栅架安装深度与导污排草效果4 组试验方案以探究与导污效果之间的关系。
2.1 试验方法
(1)最小喷口直径试验
为确定最小喷口直径,在导污栅架上底部第一排安装20个直径2 mm 喷头,第二排安装10 个直径1 mm 喷头,10 个直径2 mm 喷头;安装完成后接入气量4 m3/min、罐压0.27 MPa 的气泵,栅架气压为0.24 MPa;通过泵站的龙门吊将导污栅架放入工作位置,观察并记录直径1 mm 喷头和直径2 mm 喷头排草效果。
(2)导污排草气压试验
在导污栅架底部两排安装40 个直径为2 mm 喷头,分别接入气量6.5 m3/min、气泵罐压为0.4 MPa 和气量为9 m3/min、气泵罐压为0.6 MPa 的气泵,这两种情况下栅架气压分别为0.35 MPa、0.5 MPa,使用龙门吊车将栅架沿其导轨放入工作位置,观察并记录不同气压的导污排草效果。
(3)气泵流量与喷口数量匹配试验
在导污栅架底部两排已经安装40 个直径为2mm 的喷头,接入气泵气9 m3/min 条件下,使用龙门吊车将单流道空气射流导污排草栅架吊装至台面。通过增加和减少栅架喷头数量,来改变控制射流的总排气量,每次增减或减少5 个喷头,喷头直径均为2 mm,观察栅架气压随喷头数量的变化规律,安装调整栅架空气射流喷头过程见图3。随喷头数量的增加,泵站的供气量也需随之增大,栅架气压太小,将不能达到导污排草的目的。重复6 次上述试验过程,获得喷头数量在25~50 个变化范围内的气泵罐压及栅架气压的变化规律。
图3 安装调整栅架空气射流喷头过程
(4)栅架下潜深度与导污排草效果试验
在栅架导污排草的喷头直径和最小栅架压力确定后,在气泵气量9 m3/min、气泵罐压0.6 MPa,栅架气压0.5 MPa 条件下,通过龙门吊车将排草栅架沿其轨道吊装不同的栅架下潜深度,吊装过程见图4;将栅架起吊至上层喷头距水面深分别为100 mm、60 mm、20 mm 时,观察并记录导草效果。
图4 单流道空气射流导污排草栅架吊装过程
2.2 试验条件
单流道空气射流栅架的喷头总数为240 个,横向布置20 个,纵向布置12 个,试验太里一级站组织,气站设在进水闸后,见图5,采用如图6 所示的龙门吊车来起吊单流道空气射流导污排草系统的栅架,通过调整喷头和堵头数量来改变喷气口的数量。
图5 单流道空气射流泵站
图6 龙门吊车
3 空气射流导污排草试验结果及其分析
(1)喷头口径试验结果及分析
在气泵供气量为4 m3/min、栅架气压为0.24 MPa,将安装有喷头的栅架下潜到水面下深50 mm,不同型号喷头的导污排草效果见图7。直径2 mm 喷头所产生的空气射流可以将草基本将草拒止在栅架外,直径1 mm 喷头所产生的空气射流不足以将草推离栅架,最终水中的浮草吸附在栅架上。喷头直径越大,在气压一定情况下,栅架需要的喷气量越大,所需的气站功率就越大,因此,能够满足导污排草效果的最小喷头直径为2mm。
图7 气泵给气量4m3/min 时不同型号喷头的导污排草效果
(2)导污排草气压试验结果及分析
在气泵供气量为6.5 m3/min、栅架气压为0.35 MPa,将安装有喷头的栅架下潜到水面下深50 mm,导污排草效果见图8。由于试验时伴有吹向栅架方向的东风,导致流向栅架方向的水流速度增大,最后浮草吸附在栅架上。
图8 气泵给气量6.5m3/min 导污排草效果(伴有吹向栅架正面的东风)
在气泵供气量为9 m3/min、栅架气压为0.5 MPa,将安装有喷头的栅架下潜到水面下深50 mm,在栅架通气前后的导污排草效果见图9。由于该时段黄河水中浮草较多,在给栅架通气前,栅架上吸附不少的浮草。在栅架通气后,空气射流除了能够阻止河水中浮草远离栅架,而且还能够将栅架上已经吸附的杂物推离栅架,顺河水流向下游。所以满足导污排草效果的最小栅架气压为0.5MPa。
图9 气泵给气量9 m3/min 时导污排草效果
在40 个直径2mm 喷头情况下,气泵供气量与气泵罐压和栅架气压的关系见图10。随着气泵供气量的增大,气泵罐压和栅架气压增大。栅架气压随气泵供气量之间基本呈线性关系,线性拟合后的栅架气压P与泵站供气量Q 的关系式为:
图10 在40 个直径2mm 喷头下的气压与气泵供气量关系图
受管道节流能量损失和长距离通气管道影响,不同情况下栅架气压小于气泵罐压,且随气泵供气量增大,栅架气压与气泵罐压之间的差值增大。
(3)气泵流量与喷口数量匹配试验结果及分析
在气泵供气量为9 m3/min 情况下,直径2 mm 喷头数量与气泵罐压和栅架气压的关系见图11。随着喷头数量的增大,气泵罐压和栅架气压减小。栅架气压随喷头数量之间呈线性关系,线性拟合后的栅架气压P与喷头数量N 的关系式为:
图11 在供气量9 m3/min 下的气压与喷头数量关系图
P=-0.01046N+0.9205
不同情况下栅架气压小于气泵罐压,且随喷头数量的增大,栅架气压与气泵罐压之间的差值增大。
(4)栅架下潜深度与导污排草效果试验结果及分析
在气泵供气量为9 m3/min,栅架气压为0.5 MPa,将空气射流栅架上层喷头下潜距水面不同深度,导污排草效果见表1。喷头下潜100 mm 时,可以将浮草推力栅架3 cm~8 cm;喷头下潜60 mm 时,可以将浮草推力栅架10 cm~15 cm;喷头下潜20 mm时,可以将浮草推力栅架25 cm~30 cm。随着喷头下潜深度的增大,导污排草效果减弱。
表1 栅架下潜深度与导污排草效果试验结果表
4 结论
通过上述试验结果可得,能够满足导污排草效果的最小喷头孔径为2 mm,最小栅架气压为0.5 MPa,空气射流栅架的喷头下潜深度20 mm 时,导污排草效果较好,可以有效将黄河引水口的浮草拦截在25 cm 之外,能够满足抽黄引水工程中的引水口导污排草要求。
按照栅架喷头下潜深度的导污排草试验结果可知,空气射流喷头不宜下潜深度过大,同时考虑到栅架制造的经济性、起吊使用的便捷性以及空压机实际使用供气量,最终的空气射流导污排草栅架以一到两排喷头为主。这样可以大大减轻空气射流栅架的复杂程度和重量,并且改造实施简单易行。
根据获得栅架气压与气泵供气量和喷头数量的关系,在满足空气射流导污排草的栅架气压0.5MPa 条件下,栅架如果按照一排20 个直径2 mm 喷头设计,单个流道所需的供气量约为4.5 m3/min,空压机最小功率为30 kW;栅架如果按照两排40 个直径2 mm 喷头设计,单个流道所需的供气量约为9 m3/min,空压机最小功率为55 kW。
此外,如果能够对空气射流喷头的分布密度和喷头喷射角度进一步优化,导污排草效果会更佳,空气射流所需的气泵功率也会降低。