水沙分离效应的应用探讨

贾瑞旗，何成连（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

水沙分离效应的应用探讨

贾瑞旗，何成连
（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

摘要：以黄河为代表的高含沙河流上的电站汛期时泥沙浓度极高，运行时造成水轮机过流部件产生严重磨蚀，一些电站汛期被迫停止发电。水工设计中采用的沉砂池和排砂底孔对水流中的推移质在电站进水口形成排沙漏斗，对减轻过机沙量，减轻水轮机泥沙磨损起到了一定作用，但仍有大量的悬移质泥沙进入水轮机。含沙水流流经蜗壳流道时在离心力作用下，水流中的悬移质向靠近蜗壳外侧下部运动。本文提出一种新的排沙思路，与业内人士共同探讨该方法的可行性。

关键词：离心力作用；泥沙分离；悬移质；蜗壳

0　引言

黄河流域及新疆等多泥沙河流含沙量较大，尤其是汛期时泥沙浓度相当高。许多电站出于保护转轮和过水部件的考虑，在汛期时停止发电来减少泥沙水流对转轮等的磨蚀。为保证电站汛期正常发电，水工设计中普遍采用在引水管路或进水口前设置沉砂池或排砂底孔来减少过机含沙量，或者修建排沙洞进行冲沙。设计一般考虑“门前清”，减少过机泥沙和粗颗粒过机，沉砂池和排砂底孔在很大程度上减少推移质和跃移质的过机量，但对含沙水流中的悬移质起不到明显的减少作用，本文基于弯管离心力的水沙分离效应，探讨利用水轮机蜗壳的水沙分离特性，通过在蜗壳鼻端设置排沙孔，将进入水轮机的粗颗粒、高浓度含沙水流直接排至尾水管，进一步减轻或消除进入水轮机有害泥沙，从而实现水轮机汛期发电目的。

1　离心力作用下的水沙分离效应

离心力是一种虚拟力或称为惯性力，它使旋转的物体远离它的旋转中心。当物体在做非直线运动时（非牛顿环境，例如：圆周运动或转弯运动），因物体一定有本身的质量存在，质量造成的惯性会强迫物体继续朝着运动轨迹的切线方向（原来那一瞬间前进的直线方向）前进，而非顺着接下来转弯过去的方向运动，这就是离心作用。

图1离心力作用示意图

离心作用是根据在一定角速度下做圆周运动的任何物体都受到一个向外的离心力来实现的，离心力的大小等于离心加速度与颗粒质量的乘积。

离心作用下的水沙分离效应是利用旋转运动的离心力及含沙水流中悬移沙粒的沉降系数不同来进行固液分离的。悬移质的分布是上稀下浓的，运行规律随机性强，不易分离，当含沙水流经过圆周运动或者是流经一定的角度时，悬移沙粒受离心力影响远离旋转中心移动，运动到外部边界时由于与边壁的摩擦减慢旋转，那里的离心力减弱从而使颗粒产生沉积。

2　工程现象

作者在进行黄河上某水电站效率测试时，在蜗壳上进行蜗壳差压流量测量，电站在清水期运行时一切正常，但在汛期进行低水头试验时，测试数据异常不稳定，致使效率试验无法开展。进一步分析原因时发现：蜗壳压差测流高、低压侧测压管排出的水流含沙浓度不同，靠近座环的低压侧测点排出的基本为清水，而蜗壳外壁高压测点排出的为高浓度含沙水。测压管中和蜗壳内部水流含沙浓度的不同，导致蜗壳差压规律紊乱，从而导致在含沙期，利用蜗壳压差测流试验结果的无规律（表1）。

表1汛期与汛期后测试性能参数对比

从蜗壳高低压测点在排水5min后同时取水，在机组不同出力下进行水流取样，沉淀24h后如图2。

图2各出力下蜗壳差压高、低压测点取样图

注：1号—80MW蜗壳差压高压侧，2号—80MW蜗壳差压低压侧，3号—50MW蜗壳差压高压侧，4号—50MW蜗壳差压低压侧，5号—20MW蜗壳差压高压侧，6号—20MW蜗壳差压低压侧，7号—80MW过机含沙量，从尾水管出口测压点取水。

不同出力下的含沙水取样可以看出，蜗壳差压高、低压测点水样含沙量不同，在蜗壳形成的水流离心力作用下，沙粒向蜗壳外侧边壁移动，从而高压侧为高浓度含沙水，低压侧基本为清水。最后粗颗粒、高浓度含沙水流集中于蜗壳鼻端进入水轮机，造成水轮机磨损。

3　提出的减沙、排沙方法

通过该电站汛期时的过机水流特征，提出一种利用蜗壳的水沙分离效应使泥沙集于蜗壳外壁的原理，通过在鼻端部位设置排沙管以减沙抗磨的方法，使电站在高含沙时段运行时减少泥沙进入水轮机，排沙管连接至尾水管肘管上，汛期发电水流含沙量高时，开启排沙管阀门，将蜗壳内的高浓度泥沙通过排沙管排泄至尾水管内，达到减少过机泥沙含量、减轻水轮机磨损的目的，解决多泥沙河流电站汛期不能运行的问题。

图3排沙管设置示意图

设想对于高含沙河流的电站，在蜗壳上设置排沙管，排沙管开口位于蜗壳外侧鼻端附近，并在管路上设截止阀，汛期打开阀门排除蜗壳流道内高浓度泥沙，直接将泥沙排到下游尾水，非汛期时关闭排沙阀。

4　结语

通过对水沙分离效应的观察，作者提出一种新的排沙减沙思路，同时拟进行下一步研究，通过对不同浓度的泥沙含量，在不同管径和转弯半径的试验管道中的分离情况来研究该方法的水沙分离效果，对水沙分离进行定量的分析研究，进一步确定排沙管安装位置和尺寸比例，期待与业内专业人员共同进行这方面的研究和工程应用尝试。

参考文献：

[1]邵学军，王兴奎.河流动力学概论[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2]鲁永华，任智峰，高文军，等.黄河龙口水利枢纽工程排沙洞设计[J].水利水电工程设计，2011（2）.

[3]鲁锋，刘经纬.浅谈三门峡水电厂机组浑水发电的稳定性[C]//水轮发电机组稳定性技术研讨会论文集，2007:34-36.

中图分类号：TV149

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）01-0067-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.023

收稿日期：2014-09-15

作者简介：贾瑞旗（1981-），男，工程师，从事水力机械原型和模型测试研究工作。