低水头径流式小水电站外置式拦污栅的优势及设计方法

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低水头径流式小水电站外置式拦污栅的优势及设计方法

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-19 1789 0


低水头径流式小水电站(以下简称电站)的站址一般处于某个流域的中下游河段,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、垃圾多的特点。每当雨季来时,河流的中上游,都有大量的垃圾被冲入河中,随河水流走,给中下游的电站的正常运行造成严重的威胁。据了解,大部分的电站都遭遇过垃圾带来的麻烦。垃圾的影响一般来自于两种情况:一种是大块的垃圾,如枯木、树根等,这样的垃圾撞击拦污栅,轻则使栅条变形,重则撞破拦污栅,威胁机组的安全,这种垃圾很难清除,若不及时清除会影响电站出力;另一种是成片的漂浮垃圾,由于种种原因,河面漂浮垃圾容易集中连成片,当大片的漂浮垃圾进入电站流道时,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,消除垃圾的不利影响。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。 一、电站拦污栅的布置特点 电站拦污栅布置一般有2种方式: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;另一种是外置式,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。 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。 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。 二、外置式拦污栅的设计方法 外置式拦污栅的设计由两部分组成—栅座及栅叶设计,由于拦污栅所受的荷载不大,故栅叶的强度设计易满足要求,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。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

防渗膜是以pe膜作为基材,与土工布复合而成的防渗材料,它的防渗性能主要取决于pe膜。东方防渗膜应用的pe膜,主要有聚氯乙烯和聚乙烯、EVA(乙烯/醋酸乙烯共聚物),它们是一种高分子化学柔性材料,比重较小,延伸性较强,适应变形能力高,耐腐蚀,耐低温,抗冻性能好。其主要机理是以塑料薄膜的不透水性隔断土坝漏水通道,以其较大的抗拉强度和延伸率承受水压和适应坝体变形。

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、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、流量及栅上的垃圾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垃圾情况,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:河面垃圾是以漂浮物为主,当过栅流速较小时,拦污栅前垃圾会积成片,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、垃圾多的取大值,过栅水深小、垃圾少的取小值,垃圾多少可大致按电站上游流域面积来判断。 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。 三、外置式拦污栅的优点 1、对垃圾适应性强 拦污栅外置后,它的面积大幅度增加,过栅流速大幅度降低,这增强了对不规则垃圾的适应性。故外置拦污栅能较好地消除成片垃圾,或大块的垃圾对电站正常运行的影响,提高了拦污效果。 当漂浮的成片垃圾随水来时,会在水面以下约1m深的范围内被拦污栅挡住,漂浮垃圾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。而当上吨重的大块垃圾冲向拦污栅时,由于物体的动能与速度的平方成正比例,当一块垃圾以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垃圾撞击能力有了成倍提高,不会轻易被大块垃圾撞坏。 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垃圾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、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,垃圾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。 四、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。参考文献 张洪楚 主编《水电站》P106~115 水利电力出版社1994年出版 水电站机电设计手册编写组 《水电站机电设计手册〈金属结构(二)〉》P200~213 水利电力出版社1988年出版


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