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低含（hán）沙量海水泵房設計經驗（yàn）
時間：2012-3-28 9:53:29來源：http://www.csxhchem.com作者：麻豆传煤官网APP入口IOS泵閥
泥沙（shā）淤積對於海（hǎi）水泵（bèng）房而言，是一個比較難的（de）課題（tí），需要在設計中認真研究，掌握規律，逐步解決（jué）。本文通過探討泥沙淤積的客觀（guān）規律（lǜ），並總結設汁中的一些經（jīng）驗教訓，提出在設計中應注意的要點：資料收集，科研試驗，係統設（shè）計，設備設汁，泵房布（bù）置(包（bāo）括設備布置、泥沙處理措施、流速控製、流道形式、配水、管道等部（bù）分)，泥沙監測，泥沙清（qīng）淤。希望通過以下描述分析能為今後類似工程的設計提供參（cān）考.
在設（shè）計取（qǔ）用低含沙量海水作為冷卻水的泵房時，由於有泥沙這一特殊介質（zhì），則必然存在與（yǔ）一般清水泵房設計的不同之處（chù）。工程上（shàng）有（yǒu）過由於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（shí）發現，泥沙已將取水部分全部掩埋，無法取水。終隻有修改取（qǔ）水方案，向外海延伸取水頭部數十（shí）米才解決廠取水問（wèn）題。再如另一電廠的取水泵房，也是由於考慮泥沙問題不（bú）周，造成如果按照原設計的運行模式，泥沙淤積會對（duì）係統正常（cháng）運行產生威脅（xié）。終采用增加運行（háng）設備，改變原運行工況才解決了此問題。以（yǐ）上問題的（de）解決都是（shì）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（zhōu）所致。就此提（tí）出（chū）一些在設計類似工程時所需注意的設計要點，供大（dà）家參（cān）考。
1 海水泵（bèng）房
在海水泵房中，為整個係統的安全運行，一般需設置檢修，海水處理、過濾、分配（pèi）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（bǎn）。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)，抑製和殺除海生物從而保護後續設備不會受到海生物滋（zī）生的影響。
海水過濾部分由格柵和格柵除汙機以及（jí）濾網(板框或鼓形濾網)組成。前者去除海水中較大汙物；後者去除海水中（zhōng）較小汙（wū）物。這些措施同樣是為了保護後續設備安（ān）全運行而設置的（de）。
海水分配部分是為水泵（bèng）和過濾設備（bèi）設置的，起（qǐ）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（mén）。
泵房實際上是對海水進行提升的構築物（wù）。其餘的附屬設備和構築物（wù）則是為（wéi）了確保係統後（hòu）續設備的（de）安全運行而設置的。圖1是某海水泵房的工藝平麵布置圖.
2有關泥沙的幾個概念
2．1 泥沙
泥沙是（shì）指在水（shuǐ）流中存在的可以隨水（shuǐ）流運動的固體顆粒。
2．2泥沙粒徑和（hé）含（hán）沙量
水中的泥沙粒徑級配和含沙量包括泥沙粒（lì）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（wǒ）國水（shuǐ）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（shā）粗顆粒泥（ní）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，小於0．005 mm的泥沙為粘粒。本文從沉降機理上（shàng）將0．05 mm以下的泥沙統（tǒng）稱為細顆粒泥沙。
細顆粒泥（ní）沙的沉（chén）降要複雜得多，其中一個重要的因素是絮凝沉降.
2．5 絮凝現象
絮（xù）凝現象是細顆（kē）粒泥沙的主要（yào）特性。細顆粒泥沙受重力的影響較小，而表麵的物理化學（xué）作用占主導。
一般把0.01 mm的沙粒作為有無絮（xù）凝現象的泥沙粒徑界限。0．01至0．03 mm的泥（ní）沙也有絮凝現（xiàn）象，但不（bú）明顯，屬於過渡段。
顆粒（lì）表麵一（yī）般帶負電（diàn）荷。海水中存在電解質。水有極性（xìng），可以受到靜電引力。帶負電荷（hé）的（de）顆粒吸引一部分水分子在其周圍整齊（qí）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（néng）力。同時還會（huì）有一些離子由於靜電的吸引而存在（zài）於吸附
水膜（mó）中和散布在四周。
在兩顆粒（lì）相互靠近時，會形成公共的吸附（fù）水膜將顆粒緊緊地結合在一起。公共吸附水膜中的離子會（huì）加劇吸附作（zuò）用。此種現象稱為絮凝。
細顆粒經進一步絮凝後，會形成絮團（tuán）。絮團的沉降速度會（huì）增大。據研究，絮團的平均沉（chén）速為0.15～0，6 mm／s。
2．6壓密過（guò）程
絮團初期沉降（jiàng）至底部時，其結構是高（gāo）度蜂窩狀，含水率（lǜ）高，密（mì）度低。在自重和
水壓的作用下，絮團（tuán）變形（xíng），絮團間（jiān）的空隙將會逐漸消失。含水率降低，密度增（zēng）大，粘結性增強（qiáng）。粗顆粒泥沙的（de）壓（yā）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（dòng）
水流平穩與否的一個重要指標是雷諾（nuò）數（shù）(RP)。在渠道中：
Re=vR/u
式中u—水流速度（dù），m／s；
R—水力半徑(w／x)m；
w—過水斷麵麵積，m2；
x一濕周，m；
v—流體（tǐ）的運動（dòng）粘性（xìng）係數，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（de）情況下，沉降是粗顆粒（lì）泥沙的重力沉降（jiàng）和（hé）細顆粒泥沙的絮凝沉降共同作用。在體積比含沙（shā）量為0．35％～2．25％時，可以（yǐ）認為粗顆（kē）粒泥沙（shā）不（bú）受細顆粒（lì）泥沙（shā）絮凝沉降的影響。
3 設（shè）計要點（diǎn）
3．1 資料收集
在進行（háng）設汁時，首先要（yào）收集相關資料。
以下是重要的設計輸入資料：水文資料（liào）(包括設汁水溫、設計水位、波浪等)；取水水（shuǐ）質資料；取水泥沙級配和含沙量；取水泥沙的啟動流（liú）速；取水泥沙的不淤流速（sù）；取水汙物的來（lái）源；水泵的NPSHb 。
上述資料是（shì）在設計的不同階段獲得（dé）的。設計（jì）水溫、設計水位、波浪和取水水（shuǐ）質在可研階段委托相關的（de）科研單位調研、計算、分析獲得。取水汙物可以通過調（diào）研、分析，在（zài）可研階段或方案設計階段獲得。水泵的NPSH是在初（chū）步設計階段（duàn）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（bù）設計（jì）階段才能終確定（dìng）。
在泥沙出現壓密現（xiàn）象後，使泥沙重新回到水（shuǐ）體中（zhōng）的流速是啟動流速。使（shǐ）泥沙懸浮：於水（shuǐ）中不發生沉積的流速是不淤流速。啟動流速應大於不（bú）淤流速。不淤流速需要在試驗或調研中獲得（dé）。
從本文第2節的內容（róng）可以看出，泥（ní）沙（shā）級配和（hé）含沙量是分（fèn）析泥沙沉降規律的（de）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（liú）道和管線計算、布置的控製參數。在設計中（zhōng）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（liú）道（dào）和管道（dào）的計算存在一定的盲目性（xìng），有可能在取得數據後要對藝尺（chǐ）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（shuǐ）泵（bèng）房屬於一個大的項目（mù），設汁周期較長。如：果工藝尺發生較大的變動，勢必（bì）影響（xiǎng）設（shè）計（jì）周期，導致（zhì）一定的人員（yuán）和資源的浪費，甚至造成工（gōng）程延期的不良後果。
3．2 科研（yán）試驗（yàn）
在根據搜集的資料和本（běn）身工藝要求進行泵房布置後（hòu），委托相關科研單（dān）位利（lì）用數模和物（wù）模試（shì）驗分析在各種設計工況下泥沙運動（dòng）的規律是很有必要的。數模試驗在流態簡單、邊界條（tiáo）件容易確定的部分精確度較高。有些工程，利用數模試驗（yàn）可以清楚地分析出（chū）泥沙的運動規律。大多數工程，數模試驗在可研階段（duàn）實（shí）施，目的是對泥沙運動規律下定性（xìng）的（de）結論，同（tóng）時作：為下一步（bù）物（wù）模試驗的基（jī）礎。物模試驗適用於各種情況。可以是大範圍的，包括整個泵房；也可以是局部的，對某些（xiē）有疑問的（de）區域進行試驗；還可（kě）以先（xiān）進行大範圍的，然後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（hé）理。
有的工程在進行物模（mó）試驗之後，根據試（shì）驗結果對沒計方案（àn）要進行大的調整。而（ér）這些工作的進行，有利於將問題解（jiě）決（jué）在設計階段，避免在工程運行（háng）後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（àn）設計階段泵房的（de）工藝布置示意。其經過科研試（shì）驗後進行了較大的修改。終布局形式見圖1相（xiàng）關部分。
在試驗中發現，由於水泵運行工況（kuàng）比較複雜，進水前池水流的流態並非如圖（tú）2中箭頭所示，而是在前池出現了許多漩渦和死區（qū）。這些區域泥沙（shā）的Re將下（xià）降，導致淤積的產生。試驗結果表明這（zhè）些淤積（jī）將會（huì）影響工（gōng）藝的安全運行。設計依（yī）據試驗結果和建議作大的修改。
3．3 係統（tǒng）設計
係統設計是確（què）定設備參數和構築物形式、規模的基礎。在係統（tǒng）設計中主要應確定以下內容：係統的流程，係統參數，係統中所需的（de）設備，係統運行工況，水量、水質要求，水位。
係統流程的確定除了工藝上的要求（qiú）外，布（bù）置也是其（qí）中一項製（zhì）約因（yīn）素。在確定係統流程時，應充分考慮泥沙淤積對係統可能造成的影響。
係統運行（háng）工況對采用何種（zhǒng）工藝布置方案至關重要。運（yùn）行工況簡單，取水的流量在（zài）各處變化不大，解決泥沙淤積問題要相對簡單得多。如果運行工況複雜，勢必造成泵（bèng）房（fáng）內各處的流體流態複雜，工藝尺寸（cùn）要適應各種運行工（gōng）況比較困難。在前（qián）言中所舉的例子（zǐ）就是由於工藝尺寸不適應各種工況所（suǒ）致。3．2節的例子也是此類問題的體現。
3．4 設備設計（jì）
根據係統（tǒng）的設計要（yào）求，對相（xiàng）關的主要設備進行優化比較。這（zhè）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（xiǎo）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（lǜ）網（wǎng），鼓形濾（lǜ）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（bèng）、斜流泵、臥式離心泵、立式離心泵等。
一（yī）般而言，過濾設備(指（zhǐ）鼓形濾網和板框濾網)處的水流（liú）速度比較慢，過水（shuǐ）斷麵隨外海潮位的變化而變化，很容易（yì）出現低於不淤流速的情況。在設（shè）計時，應充分考慮此處可能出現的泥沙沉降和（hé）壓密現想，圖3是解（jiě）決這類問顥的一種方法示例，、
圖3的方法是（shì）在鼓（gǔ）形濾網間的底部作一個弧形流道，利用（yòng）出水管水流的抽吸作用和泥沙（shā）在重力作用下的自然下滑使泥沙不致淤積。
水泵設計應（yīng）注（zhù）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（gòu）忽視了這一（yī）點，會使水（shuǐ）泵葉輪衝刷嚴重，下口（kǒu）環部分磨損加劇，水泵的使用壽命會大幅度下降，甚至會威脅到係（xì）統的正（zhèng）常使用，進而影響電廠的順（shùn）利運行。某（mǒu）工程的水泵由於泥沙問題導致葉輪磨損嚴重和下口環出現坑麵正是這種問題的佐證。因素之（zhī）二是水泵的NPSH。如果設計中的NPSH值不妥，將導致氣蝕（shí），進而迅速破壞水泵。這是在水泵工藝設計中必須慎重（chóng）考慮
的。
對於閘板設計（jì）應當慎重選擇。由於海水（shuǐ）水位在不（bú）停地發生變化，每（měi）天都會有高低潮位交替出現，且變（biàn）化的速率很慢。如果選擇一般的（de）下遊止（zhǐ）水式（shì）閘門(從水流（liú）方向講，閘門的密封麵在下遊)，閘門落下（xià）後，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（nèi）。落潮時水（shuǐ）流流向大海，此時流（liú）出海水的含沙量將降低，此（cǐ）種現（xiàn）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（zhān）性、泥沙的密度（dù）都會增大。如果淤積到很嚴重的程度，係統啟動時（shí）會麵臨泥沙（shā）濃度（dù）劇增、磨（mó）損（sǔn）加劇，甚至（zhì）有水泵氣蝕的威脅存在（zài）(水泵的NPSH與阻力損失成正比)。但此種閘門簡單，不（bú）需增加動力設備，故障率低。如（rú）果選擇上遊止水式閘門，“呼吸”現象可以避免（miǎn），且大大延長取水部（bù）分泥沙淤（yū）積的時（shí）間。但此種閘門需要增加動力設（shè）備，以抵抗水（shuǐ）的壓力，且由於機械部件增加，故障率也隨之上升。
在優化（huà）設備設計結束後（hòu），應根據選定（dìng）的設備形式和參數編製（zhì）主要設備（bèi）的技術規格書，供設備談判、采購、製造和技術服務之用。
3．5 泵房布置
3．5．1 設備布置
經過（guò）優化選擇設備後（hòu），對泵房進行合理布置（zhì）。
設備布置與設備設計是相輔相成的。兩者必（bì）須緊密配合才能使設（shè）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（guò）程中，必須清醒地認（rèn）識到，泥沙淤積是客（kè）觀規律。解決泥沙淤積問題，並不（bú）是理想地做到泥沙進出平衡，而是在可能的範圍內控製泥沙的沉積形態。重（chóng）要的是能夠做（zuò）到預計泥沙的沉積形態和規律，使泥沙沉積（jī）處於受控狀態，從而可以采取各種措施消除泥沙淤積對（duì）係統運行的危害。
3．5．2．1 流速控製
控製泥沙運（yùn）動重要（yào）的參數是雷（léi）諾數(Re)。Re是（shì）衡量水流紊動性大（dà）小（xiǎo）的一個（gè）指（zhǐ）標。Re越大，水流帶走泥沙（shā）的能力就越大。在Re大到一定程度時，水（shuǐ）流的（de）紊動（dòng）加劇，已沉降的（de）泥沙會由於擾動的力度被重新帶回到（dào）水中。同理，一定（dìng）的（de）水（shuǐ）流紊動（dòng）會使水（shuǐ）中的泥沙處於懸浮狀態，不致沉積。從2．7節中可以看（kàn）出，融實際（jì）上的控製參數是流速，其（qí）餘的參數在環境一定、布置確定的情況下基本上屬於常數。
不同的取水高（gāo）程可能（néng）會導致啟動流速和不淤流速的不同。
在進行泵房布置（zhì）時，應利用流道的（de）流速設計盡（jìn）量使泥沙的沉積處於可以（yǐ）預測的狀（zhuàng）態。同時，應重點（diǎn）分析係統的各種運行工況對流道的適應（yīng）性，以盡量（liàng）避免由於工況的複雜性（xìng）所導致的流速（sù）不（bú）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（liàng）消除（chú）流道溝的死（sǐ）角。避免由丁二水流渦旋消耗泥沙顆粒的能量而（ér）使泥沙在死角（jiǎo）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（bǐ）較普遍。
配水部分應考慮係統的運行工況，這將（jiāng）決定（dìng）水流的分布狀況。在複雜的（de）情況（kuàng）下，可以借助於（yú）泥沙的物模試驗，對（duì）設計的（de）合理性進（jìn）行驗證並可以根據
試（shì）驗結果修正設計(參見3．2節（jiē）)。
3．5．2．4 管道部分
管（guǎn）道部分應引起高度重視的是水中泥沙的擴散作用。應盡（jìn）量避免管道長期處於停運狀態而引起的（de）泥（ní）沙累積效應。
3．6泥沙（shā）監測
對於存在泥沙淤積的區域(一般是在配水部分)，為更好（hǎo）地了解泥沙的淤（yū）積形態（tài），掌（zhǎng）握量化的數據，在有條件時，可以增加泥沙淤積厚度監測儀。
監測（cè）儀一般采用（yòng）超聲波型式。利用（yòng）超聲波發射和反射的時間差，計算出泥沙淤積的厚度。超聲波發射接收裝置應浸（jìn）沒在（zài）水中，不允（yǔn）許露出水（shuǐ）麵。由於超聲波存在發射角，應避免在測量區域內有障礙物，否則（zé）會影響測量的準確性。
3.7 泥沙清淤
在（zài）掌握了泥沙淤（yū）積形態的（de）基礎上，可以設置泥沙清淤設備（bèi）。定期清淤，保證係統的正常運行。清淤設（shè）備（bèi）可以使用類（lèi）似於水處理沉砂池中的移動式（shì）泥漿泵、氣力泵或人工等手（shǒu）段。
