低含沙量（liàng）海（hǎi）水泵房设计经验
时间：2012-3-28 9:53:29 来源：弘凌泵阀（fá）
泥沙淤积对于海（hǎi）水泵房（fáng）而言，是一个比较难的课（kè）题（tí），需要在设计中认真研究，掌（zhǎng）握规律（lǜ），逐步解决。本文通过探讨泥沙淤积的客观规（guī）律，并总结设汁（zhī）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（zhī），泵房布置(包括设备布置、泥沙处（chù）理（lǐ）措施、流速控制、流道形式（shì）、配水、管（guǎn）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（de）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（yī）特殊介质，则必然存在与一般清（qīng）水泵房设（shè）计的不同之（zhī）处。工程上（shàng）有过由于对泥沙问题考（kǎo）虑不周而导致的教训。例如某电厂（chǎng）取水部分，在（zài）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（zhī）有修改取水（shuǐ）方案（àn），向外海延（yán）伸取水头部数（shù）十米才解决厂取水问题。再如另一电厂的取水泵房，也是（shì）由于考虑泥沙问题不周，造成如果按照原设计的运行模（mó）式，泥沙淤积会对系统正常（cháng）运行（háng）产生威胁。终采用增加运行设（shè）备，改变原运行工况（kuàng）才解决了此问题。以上（shàng）问题的解决（jué）都是以（yǐ）牺牲经济利益为前提的，而（ér）产（chǎn）生问（wèn）题的根本原因正是对泥沙淤积缺乏正确的认识和（hé）考虑不周所致。就此提出一些在设（shè）计类似工程时所需注意的设计要（yào）点，供大家参考。
1 海（hǎi）水泵房
在海水泵房（fáng）中，为整个系统的安全运行，一般（bān）需设置（zhì）检修，海水处理、过滤、分配及（jí）提升等部分。当然，还需设置设备运（yùn）输和组装等场地。
检（jiǎn）修部分是检修闸板。可以在需要时隔离相关部分进（jìn）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（suān）钠溶液)，抑制和杀除海（hǎi）生物从而保护后续设备不会受到海生物滋（zī）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（gǔ）形（xíng）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（shè）备安（ān）全运行而设置的。
海水分配部分是为水泵（bèng）和过滤设备设置的，起配水的功能。
海（hǎi）水提升部（bù）分是（shì）水泵。
同时还有（yǒu）必须（xū）的管线和阀门。
泵房实际上是对海水（shuǐ）进行提升（shēng）的构筑物。其（qí）余的附属设备和构（gòu）筑物则是为了确（què）保系统后（hòu）续设备的安全（quán）运行而设置（zhì）的。图1是某海（hǎi）水泵房的工艺（yì）平面布置图.
2有关（guān）泥沙的几个概念
2．1 泥沙
泥沙是指在（zài）水流中（zhōng）存在的可以（yǐ）随水流运动的固体颗粒。
2．2泥沙粒径和含沙量
水（shuǐ）中的泥沙粒径级配和含沙量包括泥沙粒度（dù）分布、密度、中值粒径、平均含沙量和（hé）大含（hán）沙量。
2．3粗颗粒泥沙
按照我国（guó）水文工程界分类．粒径在2 mm以上（shàng）的泥沙统称为粗（cū）颗粒（lì）泥沙2～0．05 mm的泥沙称之为沙粒。本文从沉降机理（lǐ）上（shàng）将0.05 mm以上的泥沙称为粗颗粒（lì）泥沙粗颗粒泥沙的沉降（jiàng）主要是重力作用。
2．4细颗粒泥（ní）沙（shā）
按照我国水文（wén）工程（chéng）界分类，粒径在0．05～0．005 ml-n的泥沙为粉沙，小于（yú）0．005 mm的泥沙为粘（zhān）粒。本（běn）文从（cóng）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（jiàng）要复杂（zá）得多，其中一个重要的因素是絮凝沉降.
2．5 絮凝现象（xiàng）
絮凝现象（xiàng）是（shì）细颗粒泥沙的主要特性。细颗粒泥沙受重力的（de）影响较小，而表面的物理化学（xué）作（zuò）用占主（zhǔ）导（dǎo）。
一般把0.01 mm的沙粒作为有无絮（xù）凝现象（xiàng）的泥沙粒径界限。0．01至0．03 mm的泥沙也有絮凝现象（xiàng），但不（bú）明显（xiǎn），属于过渡段。
颗粒表面一般带负电荷。海水中存在电解（jiě）质。水有极性，可以受到静（jìng）电引力。带负电荷的颗粒吸引一（yī）部分水分子在其周围整齐排（pái）列，形成吸附水膜。水（shuǐ）膜中的水（shuǐ）分子部（bù）分或全部失去自由（yóu）活动的能力。同时还会（huì）有一些离（lí）子（zǐ）由于静电的吸引而存在于吸附
水膜中（zhōng）和散布在四周。
在两颗（kē）粒相（xiàng）互靠近时（shí），会（huì）形成公共的吸附水膜将颗粒紧紧地结合在一起。公（gōng）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（xù）凝后，会（huì）形成絮团。絮团的沉（chén）降速度会增大。据研（yán）究，絮团（tuán）的平均沉速为（wéi）0.15～0，6 mm／s。
2．6压密过程
絮团初期沉降至底部时，其（qí）结构是高度蜂窝状（zhuàng），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（zhú）渐消失。含水率降低，密度增大，粘（zhān）结性增强。粗（cū）颗粒泥沙的压密现象更加突出。在某种程度（dù）上，可称之为（wéi）“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（dào）中：
Re=vR/u
式中u—水流速度，m／s；
R—水（shuǐ）力半径(w／x)m；
w—过水断面面积（jī），m2；
x一湿周，m；
v—流体的运动粘（zhān）性系数，cm2／s。
2．8混合沙的沉降（jiàng）
在粗颗粒泥沙（shā）和细（xì）颗（kē）粒（lì）泥沙共存的情况下，沉降是粗颗粒泥沙的重（chóng）力沉降和细（xì）颗（kē）粒泥沙的（de）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（wéi）粗颗粒泥沙不受细颗粒泥沙絮凝沉降的影响。
3 设计要点（diǎn）
3．1 资料收集
在进行（háng）设汁时，首先要收集相关资料。
以下是重要的设（shè）计输入资料：水（shuǐ）文资料（liào）(包括设汁（zhī）水温、设计水位、波浪等)；取水水质资（zī）料；取水泥沙级配和含沙（shā）量；取水泥沙的启动流速；取水（shuǐ）泥（ní）沙的不（bú）淤流速；取水污物的来源；水泵的（de）NPSHb 。
上述资料是在设（shè）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（huò）得。取水污物可以通过调研、分（fèn）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（duàn）由设计方经过水力计算向水（shuǐ）泵生产厂家提出。泥沙资（zī）料是在初（chū）步设计阶段才能终确定。
在泥沙出现压密现象后，使（shǐ）泥沙重新回到水（shuǐ）体中的流速是启动流速（sù）。使泥沙悬浮（fú）：于水中不发（fā）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（sù）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（ní）沙级配（pèi）和含沙量（liàng）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（bú）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（dìng）的盲目性，有可能在取得数据后要（yào）对（duì）艺尺寸进行较大的调整。工艺布置的（de）确定是各工种开始工作的前提，是输入条件。一般情况下（xià），海水泵房属于一个（gè）大（dà）的项目，设汁周期较长。如：果工（gōng）艺尺发生较大的变动，势必影响设计周期（qī），导致一定的人员和资源的浪费，甚至造成工程（chéng）延期的（de）不良后果。
3．2 科研试（shì）验
在（zài）根据（jù）搜集的（de）资料和本身工艺要求进行泵房布置后，委托相关科（kē）研单（dān）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（mó）试验在流态简单、边界条件容易（yì）确定的部分精确度较（jiào）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（tóng）时作：为下一（yī）步物模试验（yàn）的基础（chǔ）。物模试验适用于各种情（qíng）况。可（kě）以是大范围的，包括整（zhěng）个泵房；也可（kě）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（rán）后（hòu）有（yǒu）针对性的（de）作局部试验。通过试验，可以比较（jiào）准确地了（le）解泥沙沉积形态，从试验（yàn）报告（gào）中还可以得到一些非常有价值的数据（jù）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（zài）进行物模试验（yàn）之（zhī）后，根据试验结果对没计方案要进行大的调整。而这些（xiē）工作的（de）进行，有（yǒu）利于将问（wèn）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（àn）局限性很（hěn）大。
图（tú）2是一个方案（àn）设计阶段泵房的工（gōng）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（jiàn）图1相关（guān）部分。
在试验（yàn）中发现，由于水（shuǐ）泵运行工况比较复杂，进（jìn）水前（qián）池水流的流态并（bìng）非如（rú）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（quán）运行。设计依据试验结果和建（jiàn）议作大的修改。
3．3 系统设计（jì）
系统设计是确定（dìng）设备参数和构筑物形式、规模的基础。在系统（tǒng）设计中主要应确定以下内（nèi）容：系统的流程，系统参数（shù），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（bù）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（xiǎng）。
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（de）流量在（zài）各处变化不大，解决（jué）泥沙淤积问题要相（xiàng）对简单得多。如果运行工况复杂，势必造（zào）成泵房内（nèi）各处的流体流态复杂，工艺尺寸要适应（yīng）各种运行工况比较困难。在前言中所举的（de）例子（zǐ）就是（shì）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（shè）备设计
根据系（xì）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（de）优化组合。对影（yǐng）响整个泵房布置和（hé）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（wǎng）和板框滤网，鼓形滤（lǜ）网也（yě）有网内进水网外出水和网外进水网（wǎng）内出水等形式。水泵可以选择涡壳泵、斜流泵、卧式离心泵（bèng）、立式离心泵等。
一般（bān）而言，过滤设备(指鼓形（xíng）滤（lǜ）网（wǎng）和板框滤网)处（chù）的水流速度比（bǐ）较慢，过水（shuǐ）断（duàn）面随外海（hǎi）潮位的变化而变（biàn）化，很容易出现低于不淤流（liú）速的情况。在设计时，应充分考虑（lǜ）此处可（kě）能出现的泥沙沉降和压密现想（xiǎng），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（bù）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（yīn）素之一是泥（ní）沙的磨蚀作用。如果水力模型（xíng）和内部结构忽视（shì）了这一点，会（huì）使水泵叶（yè）轮冲（chōng）刷严（yán）重，下（xià）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（gōng）程的水泵由于泥沙问题导致叶轮磨损严重和下口环（huán）出现坑面正是这种问题的佐（zuǒ）证。因素之（zhī）二是水泵的NPSH。如果（guǒ）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（lǜ）
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（qiě）变化的速率很慢。如果（guǒ）选（xuǎn）择一般（bān）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（mén）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（chén）积在连通管内。落潮时水流流向大海，此（cǐ）时（shí）流出海水的（de）含沙量将降低，此（cǐ）种现象称为“呼吸"现象（xiàng）。随着时间的延长，压密现象会逐步增（zēng）强，泥沙淤积的厚度、泥沙的粘性（xìng）、泥沙的（de）密度都会增大。如果淤积到很（hěn）严重的程度，系统启动时（shí）会面（miàn）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（gù）障率低。如果选择上游止水式闸门，“呼吸”现象（xiàng）可以避免，且大大延长取（qǔ）水部分（fèn）泥沙淤积的时间。但（dàn）此种闸门需要增（zēng）加动力设备，以抵抗水的压力，且由（yóu）于机（jī）械部件增加，故障率（lǜ）也随之上升。
在（zài）优化设备（bèi）设计结束（shù）后，应根据选定的设（shè）备形式（shì）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（bù）置
3．5．1 设备布置
经过优化选（xuǎn）择设备后，对泵房进行合理布置。
设备布（bù）置与设（shè）备设计是相辅相成的。两（liǎng）者必须紧密配合才能使（shǐ）设（shè）计合理化。
3．5．2泥沙处理措旅
在考虑泥沙淤积解决措（cuò）施的过（guò）程中，必须清（qīng）醒地（dì）认识到，泥沙淤积是客观规律。解决泥沙淤积（jī）问题，并不（bú）是理想地（dì）做到泥沙（shā）进出平（píng）衡，而是在可能的（de）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（chén）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（tǒng）运行的危害。
3．5．2．1 流速控制
控制泥沙运动重要（yào）的参数是雷诺数(Re)。Re是衡量水流紊动性大小的一个（gè）指标。Re越大，水流带走泥（ní）沙的能（néng）力就越大。在Re大到（dào）一（yī）定程度时，水流的紊动加剧，已沉降的泥沙会由（yóu）于扰动的力度被重新带回到水中。同理，一（yī）定的水流紊动会（huì）使水中的泥（ní）沙处于悬浮状态，不致（zhì）沉积。从（cóng）2．7节中可以看出，融实际上的控制参（cān）数是（shì）流速，其余的参数在环（huán）境一定、布置确定的情况下基本上属于常数。
不同（tóng）的取水高程可能会导致（zhì）启动流速和（hé）不淤流（liú）速的不同。
在进行泵房布置时（shí），应利用流（liú）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（diǎn）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（gōng）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（jì）流道的过程中，应尽量消除（chú）流道沟的死角。避免由丁二水流涡（wō）旋消耗泥（ní）沙颗（kē）粒的能量而使泥沙在死角处沉积。图4是一个避免此（cǐ）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（fèn）应考虑（lǜ）系统的运行工况，这将决定水流的分（fèn）布状况。在复杂的情况下，可以借助于泥（ní）沙的物模试验，对设计的（de）合理（lǐ）性进行验证并（bìng）可以根据
试（shì）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（chóng）视的（de）是水中泥沙的扩散作用。应尽量避免（miǎn）管（guǎn）道长期处（chù）于停运状态而引起的（de）泥沙累积效应。
3．6泥沙监测
对于存在泥沙淤积的区域(一（yī）般是在配水部分)，为更好地了解泥沙的淤积形态，掌（zhǎng）握（wò）量（liàng）化（huà）的数据，在有（yǒu）条件时，可以增加泥沙淤积厚度监测仪。
监测仪一般（bān）采用超声波型式。利用超声波发射和反射的时间差，计算出（chū）泥沙（shā）淤（yū）积的厚度。超声波发射接收装置应浸（jìn）没在水中，不允许露出水面。由于超（chāo）声波存在发射角，应（yīng）避免在测量区域（yù）内有（yǒu）障碍物，否则会影响测量的准确性。
3.7 泥沙清淤
在掌（zhǎng）握了泥沙淤积形（xíng）态的基（jī）础上（shàng），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（sì）于水处理沉砂池中的移动式泥浆泵、气力泵或人工等手段。