低含沙量海水泵房设计经验
时间：2012-3-28 9:53:29 来源：弘凌泵阀
泥沙淤积对于海水泵房而言，是一个比较难的课题，需要在设计中认真研究，掌握规律，逐步解决。本文通过探讨泥沙淤积的客观规律，并总结设汁中的一些经验教训，提出在设计中应注意的要点：资料收集，科研试验，系统设计，设备设汁，泵房布置(包括设备布置、泥沙处理措施、流速控制、流道形式、配水、管道等部分)，泥沙监测，泥沙清淤。希望通过以下描述分析能为今后类似工程的设计提供参考.
在设计取用低含沙量海水作为冷却水的泵房时，由于有泥沙这一特殊介质，则必然存在与一般清水泵房设计的不同之处。工程上有过由于对泥沙问题考虑不周而导致的教训。例如某电厂取水部分，在准备正式投入使用时发现，泥沙已将取水部分全部掩埋，无法取水。终只有修改取水方案，向外海延伸取水头部数十米才解决厂取水问题。再如另一电厂的取水泵房，也是由于考虑泥沙问题不周，造成如果按照原设计的运行模式，泥沙淤积会对系统正常运行产生威胁。终采用增加运行设备，改变原运行工况才解决了此问题。以上问题的解决都是以牺牲经济利益为前提的，而产生问题的根本原因正是对泥沙淤积缺乏正确的认识和考虑不周所致。就此提出一些在设计类似工程时所需注意的设计要点，供大家参考。
1 海水泵房
在海水泵房中，为整个系统的安全运行，一般需设置检修，海水处理、过滤、分配及提升等部分。当然，还需设置设备运输和组装等场地。
检修部分是检修闸板。可以在需要时隔离相关部分进行必要的维修。
海水处理部分是在海水中投加药液(如次氯酸钠溶液)，抑制和杀除海生物从而保护后续设备不会受到海生物滋生的影响。
海水过滤部分由格栅和格栅除污机以及滤网(板框或鼓形滤网)组成。前者去除海水中较大污物；后者去除海水中较小污物。这些措施同样是为了保护后续设备安全运行而设置的。
海水分配部分是为水泵和过滤设备设置的，起配水的功能。
海水提升部分是水泵。
同时还有必须的管线和阀门。
泵房实际上是对海水进行提升的构筑物。其余的附属设备和构筑物则是为了确保系统后续设备的安全运行而设置的。图1是某海水泵房的工艺平面布置图.
2有关泥沙的几个概念
2．1 泥沙
泥沙是指在水流中存在的可以随水流运动的固体颗粒。
2．2泥沙粒径和含沙量
水中的泥沙粒径级配和含沙量包括泥沙粒度分布、密度、中值粒径、平均含沙量和大含沙量。
2．3粗颗粒泥沙
按照我国水文工程界分类．粒径在2 mm以上的泥沙统称为粗颗粒泥沙2～0．05 mm的泥沙称之为沙粒。本文从沉降机理上将0.05 mm以上的泥沙称为粗颗粒泥沙粗颗粒泥沙的沉降主要是重力作用。
2．4细颗粒泥沙
按照我国水文工程界分类，粒径在0．05～0．005 ml-n的泥沙为粉沙，小于0．005 mm的泥沙为粘粒。本文从沉降机理上将0．05 mm以下的泥沙统称为细颗粒泥沙。
细颗粒泥沙的沉降要复杂得多，其中一个重要的因素是絮凝沉降.
2．5 絮凝现象
絮凝现象是细颗粒泥沙的主要特性。细颗粒泥沙受重力的影响较小，而表面的物理化学作用占主导。
一般把0.01 mm的沙粒作为有无絮凝现象的泥沙粒径界限。0．01至0．03 mm的泥沙也有絮凝现象，但不明显，属于过渡段。
颗粒表面一般带负电荷。海水中存在电解质。水有极性，可以受到静电引力。带负电荷的颗粒吸引一部分水分子在其周围整齐排列，形成吸附水膜。水膜中的水分子部分或全部失去自由活动的能力。同时还会有一些离子由于静电的吸引而存在于吸附
水膜中和散布在四周。
在两颗粒相互靠近时，会形成公共的吸附水膜将颗粒紧紧地结合在一起。公共吸附水膜中的离子会加剧吸附作用。此种现象称为絮凝。
细颗粒经进一步絮凝后，会形成絮团。絮团的沉降速度会增大。据研究，絮团的平均沉速为0.15～0，6 mm／s。
2．6压密过程
絮团初期沉降至底部时，其结构是高度蜂窝状，含水率高，密度低。在自重和
水压的作用下，絮团变形，絮团间的空隙将会逐渐消失。含水率降低，密度增大，粘结性增强。粗颗粒泥沙的压密现象更加突出。在某种程度上，可称之为“板土".
2．7 水流紊动
水流平稳与否的一个重要指标是雷诺数(RP)。在渠道中：
Re=vR/u
式中u—水流速度，m／s；
R—水力半径(w／x)m；
w—过水断面面积，m2；
x一湿周，m；
v—流体的运动粘性系数，cm2／s。
2．8混合沙的沉降
在粗颗粒泥沙和细颗粒泥沙共存的情况下，沉降是粗颗粒泥沙的重力沉降和细颗粒泥沙的絮凝沉降共同作用。在体积比含沙量为0．35％～2．25％时，可以认为粗颗粒泥沙不受细颗粒泥沙絮凝沉降的影响。
3 设计要点
3．1 资料收集
在进行设汁时，首先要收集相关资料。
以下是重要的设计输入资料：水文资料(包括设汁水温、设计水位、波浪等)；取水水质资料；取水泥沙级配和含沙量；取水泥沙的启动流速；取水泥沙的不淤流速；取水污物的来源；水泵的NPSHb 。
上述资料是在设计的不同阶段获得的。设计水温、设计水位、波浪和取水水质在可研阶段委托相关的科研单位调研、计算、分析获得。取水污物可以通过调研、分析，在可研阶段或方案设计阶段获得。水泵的NPSH是在初步设计阶段由设计方经过水力计算向水泵生产厂家提出。泥沙资料是在初步设计阶段才能终确定。
在泥沙出现压密现象后，使泥沙重新回到水体中的流速是启动流速。使泥沙悬浮：于水中不发生沉积的流速是不淤流速。启动流速应大于不淤流速。不淤流速需要在试验或调研中获得。
从本文第2节的内容可以看出，泥沙级配和含沙量是分析泥沙沉降规律的必要资料，也是确定工艺布置形式的依据。泥沙的启动和不淤流速是进行
泵房工艺流道和管线计算、布置的控制参数。在设计中应时刻重视对这两个参数的使用。如果这类参数没有取得或使用有误，则会使工艺流道和管道的计算存在一定的盲目性，有可能在取得数据后要对艺尺寸进行较大的调整。工艺布置的确定是各工种开始工作的前提，是输入条件。一般情况下，海水泵房属于一个大的项目，设汁周期较长。如：果工艺尺发生较大的变动，势必影响设计周期，导致一定的人员和资源的浪费，甚至造成工程延期的不良后果。
3．2 科研试验
在根据搜集的资料和本身工艺要求进行泵房布置后，委托相关科研单位利用数模和物模试验分析在各种设计工况下泥沙运动的规律是很有必要的。数模试验在流态简单、边界条件容易确定的部分精确度较高。有些工程，利用数模试验可以清楚地分析出泥沙的运动规律。大多数工程，数模试验在可研阶段实施，目的是对泥沙运动规律下定性的结论，同时作：为下一步物模试验的基础。物模试验适用于各种情况。可以是大范围的，包括整个泵房；也可以是局部的，对某些有疑问的区域进行试验；还可以先进行大范围的，然后有针对性的作局部试验。通过试验，可以比较准确地了解泥沙沉积形态，从试验报告中还可以得到一些非常有价值的数据和建议。根据得到的结果对设计进行修正，使之更加合理。
有的工程在进行物模试验之后，根据试验结果对没计方案要进行大的调整。而这些工作的进行，有利于将问题解决在设计阶段，避免在工程运行后采取被动的解决方案，而此时的解决方案局限性很大。
图2是一个方案设计阶段泵房的工艺布置示意。其经过科研试验后进行了较大的修改。终布局形式见图1相关部分。
在试验中发现，由于水泵运行工况比较复杂，进水前池水流的流态并非如图2中箭头所示，而是在前池出现了许多漩涡和死区。这些区域泥沙的Re将下降，导致淤积的产生。试验结果表明这些淤积将会影响工艺的安全运行。设计依据试验结果和建议作大的修改。
3．3 系统设计
系统设计是确定设备参数和构筑物形式、规模的基础。在系统设计中主要应确定以下内容：系统的流程，系统参数，系统中所需的设备，系统运行工况，水量、水质要求，水位。
系统流程的确定除了工艺上的要求外，布置也是其中一项制约因素。在确定系统流程时，应充分考虑泥沙淤积对系统可能造成的影响。
系统运行工况对采用何种工艺布置方案至关重要。运行工况简单，取水的流量在各处变化不大，解决泥沙淤积问题要相对简单得多。如果运行工况复杂，势必造成泵房内各处的流体流态复杂，工艺尺寸要适应各种运行工况比较困难。在前言中所举的例子就是由于工艺尺寸不适应各种工况所致。3．2节的例子也是此类问题的体现。
3．4 设备设计
根据系统的设计要求，对相关的主要设备进行优化比较。这包括对所有关键设备的优化组合。对影响整个泵房布置和大小的设备尤其要认真分析，从中确定佳的设备形式。如过滤设备可以选择鼓形滤网和板框滤网，鼓形滤网也有网内进水网外出水和网外进水网内出水等形式。水泵可以选择涡壳泵、斜流泵、卧式离心泵、立式离心泵等。
一般而言，过滤设备(指鼓形滤网和板框滤网)处的水流速度比较慢，过水断面随外海潮位的变化而变化，很容易出现低于不淤流速的情况。在设计时，应充分考虑此处可能出现的泥沙沉降和压密现想，图3是解决这类问颢的一种方法示例，、
图3的方法是在鼓形滤网间的底部作一个弧形流道，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积。
水泵设计应注意的因素之一是泥沙的磨蚀作用。如果水力模型和内部结构忽视了这一点，会使水泵叶轮冲刷严重，下口环部分磨损加剧，水泵的使用寿命会大幅度下降，甚至会威胁到系统的正常使用，进而影响电厂的顺利运行。某工程的水泵由于泥沙问题导致叶轮磨损严重和下口环出现坑面正是这种问题的佐证。因素之二是水泵的NPSH。如果设计中的NPSH值不妥，将导致气蚀，进而迅速破坏水泵。这是在水泵工艺设计中必须慎重考虑
的。
对于闸板设计应当慎重选择。由于海水水位在不停地发生变化，每天都会有高低潮位交替出现，且变化的速率很慢。如果选择一般的下游止水式闸门(从水流方向讲，闸门的密封面在下游)，闸门落下后，在闸门和大海之间实际上形成了连通管。涨潮时水流流向闸门间，泥沙也随之带入，部分泥沙将沉积在连通管内。落潮时水流流向大海，此时流出海水的含沙量将降低，此种现象称为“呼吸"现象。随着时间的延长，压密现象会逐步增强，泥沙淤积的厚度、泥沙的粘性、泥沙的密度都会增大。如果淤积到很严重的程度，系统启动时会面临泥沙浓度剧增、磨损加剧，甚至有水泵气蚀的威胁存在(水泵的NPSH与阻力损失成正比)。但此种闸门简单，不需增加动力设备，故障率低。如果选择上游止水式闸门，“呼吸”现象可以避免，且大大延长取水部分泥沙淤积的时间。但此种闸门需要增加动力设备，以抵抗水的压力，且由于机械部件增加，故障率也随之上升。
在优化设备设计结束后，应根据选定的设备形式和参数编制主要设备的技术规格书，供设备谈判、采购、制造和技术服务之用。
3．5 泵房布置
3．5．1 设备布置
经过优化选择设备后，对泵房进行合理布置。
设备布置与设备设计是相辅相成的。两者必须紧密配合才能使设计合理化。
3．5．2泥沙处理措旅
在考虑泥沙淤积解决措施的过程中，必须清醒地认识到，泥沙淤积是客观规律。解决泥沙淤积问题，并不是理想地做到泥沙进出平衡，而是在可能的范围内控制泥沙的沉积形态。重要的是能够做到预计泥沙的沉积形态和规律，使泥沙沉积处于受控状态，从而可以采取各种措施消除泥沙淤积对系统运行的危害。
3．5．2．1 流速控制
控制泥沙运动重要的参数是雷诺数(Re)。Re是衡量水流紊动性大小的一个指标。Re越大，水流带走泥沙的能力就越大。在Re大到一定程度时，水流的紊动加剧，已沉降的泥沙会由于扰动的力度被重新带回到水中。同理，一定的水流紊动会使水中的泥沙处于悬浮状态，不致沉积。从2．7节中可以看出，融实际上的控制参数是流速，其余的参数在环境一定、布置确定的情况下基本上属于常数。
不同的取水高程可能会导致启动流速和不淤流速的不同。
在进行泵房布置时，应利用流道的流速设计尽量使泥沙的沉积处于可以预测的状态。同时，应重点分析系统的各种运行工况对流道的适应性，以尽量避免由于工况的复杂性所导致的流速不足的问题出现。
3．5．2．2 流道形式
在设计流道的过程中，应尽量消除流道沟的死角。避免由丁二水流涡旋消耗泥沙颗粒的能量而使泥沙在死角处沉积。图4是一个避免此类问题出现的
示例。
3．5．2．3 凸出水部分
在配水部分水流变向、水流涡旋、结构死角出现的机会大，泥沙的沉积现象比较普遍。
配水部分应考虑系统的运行工况，这将决定水流的分布状况。在复杂的情况下，可以借助于泥沙的物模试验，对设计的合理性进行验证并可以根据
试验结果修正设计(参见3．2节)。
3．5．2．4 管道部分
管道部分应引起高度重视的是水中泥沙的扩散作用。应尽量避免管道长期处于停运状态而引起的泥沙累积效应。
3．6泥沙监测
对于存在泥沙淤积的区域(一般是在配水部分)，为更好地了解泥沙的淤积形态，掌握量化的数据，在有条件时，可以增加泥沙淤积厚度监测仪。
监测仪一般采用超声波型式。利用超声波发射和反射的时间差，计算出泥沙淤积的厚度。超声波发射接收装置应浸没在水中，不允许露出水面。由于超声波存在发射角，应避免在测量区域内有障碍物，否则会影响测量的准确性。
3.7 泥沙清淤
在掌握了泥沙淤积形态的基础上，可以设置泥沙清淤设备。定期清淤，保证系统的正常运行。清淤设备可以使用类似于水处理沉砂池中的移动式泥浆泵、气力泵或人工等手段。
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