外置式拦污栅在小水电站的应用分析

2016-11-19 08:41郑鸣亚
中华建设科技 2016年4期
关键词:拦污栅水电站利用

郑鸣亚

【摘 要】在一些小水电采用外置式拦污栅,能够经济有效地解决一些低水头小水电站,因上游污物来量集中或单块重量太大,而威胁拦污栅的过流能力和安全,影响电站机组的正常运行。

【关键词】水电站;拦污栅;利用;方法

External trash rack in the application of small hydropower stations

Zheng Ming-ya

(Xinjiang Northern Construction Group Co., Ltd Kuitun Xinjiang 832000)

【Abstract】External trash rack, in a number of small hydropower can be cost-effective solution to the low head small hydropower stations, because of upstream dirt to concentrate or single mass is too large, while the threat of over-current capability and safety of the trash rack, the impact of power plantthe normal operation of the unit.

【Key words】Hydropower;Trash rack;Method

低水头径流式小水电站(以下简称电站)的站址一般处于河流的中下游河段,站址以上集雨面积大,流经人类聚居点多,这些河段的河水往往具有流量大、污物多的特点。每当雨季来时,河流的中上游,都有大量的污物被冲入河中,随河水流走,给中下游的电站的正常运行造成严重的威胁。

据调查,大部分的电站都遭遇过污物带来的麻烦。污物的影响一般来自于两种情况:一种是大块的污物,如枯木、树根等,这样的污物撞击拦污栅,轻则使栅条变形,重则撞破拦污栅,威胁机组的安全,这种污物很难清除,若不及时清除会影响电站出力;另一种是成片的漂浮污物,由于种种原因,河面漂浮污物容易集中连成片,当大片的漂浮污物进入电站流道时,在水流的推动下紧紧附着在拦污栅上,在短短的几秒钟内,拦污栅的过流能力迅速降低,需要紧急停机清污,严重的会损坏机组或电气控制设备。

对于这个问题,目前最为有效的解决办法是把拦污栅移出电站外,设于进水渠口,这样就能扩大拦污栅面积,降低过栅流速,消除污物的不利影响。下面对外置式拦污栅的特点、设计方法及优点等进行详细的论述。

1. 电站拦污栅的布置特点

电站拦污栅布置一般有两种方式:一种是外置式,拦污栅布置在电站进水渠口,离开厂房有一定的距离,栅墩是独立于厂房的砼结构,与厂房砼结构没有联系,栅叶立面布置一般设75°倾角,拦污栅底坎与拦砂坎结合设计,以降低土建投资。另一种是内置式,拦污栅就布置在电站厂房前部,栅墩属于厂房的一部分,拦污栅一般设一个倾角,后面是机组检修闸门;

外置式的布置特点是:所有的机组共用一道拦污栅,拦污栅总面积大,深度小,过栅流速较小,一般在0.8m/s以下,尤其是电站不满发时,过栅流速更小,且流速分布较为均匀,清污方便容易。

内置式的布置特点是:每台机组具有独立的拦污栅,栅面积小,深度大,过栅流速较大,一般达到1.5m/s以上,且流速分布不均匀,靠近流道口处的过栅流速更大,清污困难。

2. 外置式拦污栅的计算

外置式拦污栅的由两部分组成--栅座及栅叶,由于拦污栅所受的荷载不大,故栅叶的强度易满足要求,但要做到结构简单、运行安全、经济实用的设计目的也不易。带来困难的不是计算方法,而是一些计算参数的确定,这些参数直接影响拦污栅的经济及安全性,这些参数是过栅流速、设计水头及栅座抗倾安全系数K。下面就这几个重要参数的计算和取值进行计算分析。

2.1 过栅流速的计算及确定。

过栅流速是指水流在拦污栅内的流速,用公式表达为:V=Q/A,Q--通过拦污栅的流量,A--水面以下的拦污栅面积,需要扣除拦污栅的主次梁框架面积(可按孔口的15%计算),但栅片的面积不扣除。过栅流速太大,则水头损失较大,漂浮物的冲击力也比较大;过栅流速太小,水头损失很小,但栅面积就较大,造价较高。

笔者通过对设计过程中理论上的不同流速的经济比较,及建成后实际运行效果比较,认为过栅流速V=0.6~0.8m/s较为合适。通过调整拦污栅的底坎高程,改变拦污栅高度,或调整拦污栅平面轴线与电站进水方向的夹角,改变拦污栅总长,都可以调整过栅流速的大小。

2.2 拦污栅设计水头的选择。

拦污栅设计水头是指电站满发,拦污栅正常工作时,拦污栅前后可能出现的最大的水位差。这个参数目前没有可靠的计算方法,它是随时都会变化的,与水位、流量及栅上的污物附着量等多种因素有关。一些设计手册认为拦污栅的设计水头取2~4m较合适,但目前不少低水头电站,设计水头在5m以下,最低的只有2m多,故拦污栅设计水头取2~4m,显然太高了,据此设计的拦污栅造价必然很高,故应该具体问题具体分析。

笔者认为根据过栅水深及河流污物情况,来确定拦污栅的设计水头较为合理。据实际经验,低水头电站过栅流速的拦污栅设计水头取0.5~0.8m已足够了。通过计算可以知道:当拦污栅实际水头达0.5m时,在此水头作用下的过栅流速为2.3m,在过流量不变的前提下,此时拦污栅被堵的面积约2/3。而这种情况在实际运行时是不会出现的,原因是:河面污物是以漂浮物为主,当过栅流速较小时,拦污栅前污物会积成片,上部是堵住了,但中下部是畅通的。故选择拦污栅设计水头时,过栅水深大、污物多的取大值,过栅水深小、污物少的取小值,污物多少可大致按电站上游流域面积来判断。

2.3 栅座抗倾稳定系数K的计算。

栅座抗倾稳定系数K,是栅座的抵抗转动弯矩MG与转动弯矩MF的比值,即K=MG/MF,是衡量栅座抗倾稳定性的参数。栅座承受的荷载来自于拦污栅,拦污栅的主要的荷载是动水压力,这是一个均布的面积力,其大小为p=γh,γ是水容重,大小为9.8KN/m2,h是拦污栅的设计水头,按上面的分析进行选择。代入h计算可以知道,拦污栅的荷载并不大,只有5~8KN/m2,故栅座的结构强度和抗滑稳定性容易满足要求。正是由于荷载小,栅座的结构尺寸比较小,这使得抗倾稳定成了栅座是否安全的控制条件。实际设计中要考虑到计算误差和不可预见的不利因素,要求达到K≥2,同时,为了保证栅座结构的经济性,K值也不宜取太大,以K<3为好。

K值计算中要注意的两个易出错的地方:一是转动中心的确定,计算假设基础承载力是足够的,故当栅座发生转动时,一定是绕着底板下游立面最低点转动的,这点就是弯矩计算的转动中心点;二是计算结构自重时,水下部分结构要用浮容重计算。注意了这些易出错的地方, K值就计算准确了。

3. 外置式拦污栅的优点

3.1 对污物适应性强。

拦污栅外置后,它的面积大幅度增加,过栅流速大幅度降低,这增强了对不规则污物的适应性。故外置拦污栅能较好地消除成片污物,或大块的污物对电站正常运行的影响,提高了拦污效果。

当漂浮的成片污物随水来时,会在水面以下约1m深的范围内被拦污栅挡住,漂浮污物一般不会被吸入水下,拦污栅的中下部还是畅通无阻,但过栅流速及水头损失均有所增加,拦污栅过流能力能满足要求,电站发电出力有所下降,但不致于停机清污。而当上吨重的大块污物冲向拦污栅时,由于物体的动能与速度的平方成正比例,当一块污物以0.5m/s的速度(栅外置时),或以1.5m/s的速度(栅内置时)撞击拦污栅时,它们的能量相差了9倍,故即使外置拦污的设计强度比内置降低一半,其抗撞击安全系数也能比内置的提高4.5倍。由此可见,外置式拦污栅的抗大块污物撞击能力有了成倍提高,不会轻易被大块污物撞坏。

3.2 经济效益显著。

对内置式和外置式这两种拦污栅布置方式,没有进行过经济比较的设计者,可能会认为外置式的造价太高,不经济。其实不然,从长远利益来说,外置式拦污栅经济性更好。虽然从一次性投资来看,外置式比内置式高,但外置式的过栅水头损失小,电站年发电量比内置式多,即使不计内置式可能因污物造成的停机等事故的经济损失,外置式还是有经济优势的。下面通过实例来比较这两种布置方式的经济性。

某电站设计水头为3.5m,共装机 3台机,满发流量为90m3/s,拦污栅为内置式。其进水口的尺寸为4×4m(宽×高,下同),设拦污栅处进水口上部有所扩大,按4×5m计,其单发或满发的过栅流速均为1.76m/s,经计算,其水头损失为0.135m。后因过栅水头损失大及清污不便,厂方决定把拦污栅改为外置式。改造后,设了7孔5×3.5m的拦污栅,其满发过栅流速为0.86m/s(非满发时更小),其水头损失为0.028m。拦污栅改造投资估算总额为约20万元(其中栅叶投资约7万元),改造后,平均每年可以多发约21.7万度电,平均增加年产值5.4万元(年利用小时数按3000小时,电价按0.25元/度),投资回报年限仅为3.7年,而目前一般低水头电站的投资回报年限超过10年。由此可见,采用外置式拦污栅的经济效益显著。

3.3 人工清污比较方便。

小水电站一般是采用人工清污的,外置式拦污栅对人工清污提供了方便。主要表现在两方面:一是拦污栅的高度小了,清污耙易伸至栅底,清污变得容易;二是过栅流速降低,污物在拦污栅上的吸附力小,易于清除。

由于水电站进水口顶需要有一定的淹没深度,而清污平台是高于校核洪水位的,故当拦污栅采用内置式时,拦污栅很高,一般高于5m,人工清污较困难,且效果不好。采用外置式时,拦污栅底坎与拦砂坎结合,拦砂坎的设计高程较高,且清污平台只需高于正常水位就行了,不需高于校核洪水位,拦污栅的高度大幅度缩小,一般仅为内置式的一半,故外置式拦污栅清污相对容易。

正是因为外置式拦污栅有如此多的优势,不但在新建电站采用,而且一些原来采用了内置式拦污栅的已建电站,由于清污不便,或由于过栅水头损失太大,也要求对内置式拦污栅进行改造,把拦污栅改成了外置式,并在实践中取得了较好的经济及管理效果。

4. 采用外置式拦污栅需要注意的问题

拦污栅内置式时,由于拦污栅就设在厂房前部,如果人、畜或其它杂物,不小心掉入电站进水渠中,会被拦在拦污栅上,不会被冲入水轮机中。但外置式拦污栅,与厂房之间有一定的距离,隔着电站的进水渠,如有人、畜或其它杂物,掉入电站进水渠内,就会被直接冲入水轮机中,从而威胁人、畜生命安全及电站的运行安全。为了解决这个问题,需要把拦污栅与厂房之间的这一段区域,用拦杆结合钢丝网、或者围墙,封闭起来,任何尺寸大于钢丝网孔径的物体都不可能掉入这一段危险的区域,从而保证电站的运行安全。

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