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侧向进水泵站前池优化设计与减淤研究
作者:管理员    发布于:2017-11-13 14:04:06    文字:【】【】【

  刖目泵站进水池是泵站工程中重要组成部分之一,它是供水泵吸人管或进水流道直接吸水的泵站建筑物。进水池设计的优劣决定了池内水流的流态,而池内的流态又对水泵的运行效率起着重要的作用m.这是由于进人水泵的水流状态是进水池的引水条件及其水力设计综合影响的结果。

  随着城市污水处理量和泵站规模逐渐加大,对城市污水泵站的设计提出更高的要求。城市污水泵站前池面积一般较小,前池扩散段较短,来流进人前池后难以均匀扩散,易形成回流、旋涡、掺气流等不良流态,从而影响水泵效率,造成能源浪费,严重时还会引起振动、汽蚀等现象,影响水栗正常运行。同时,由于污水泵站水流含有大量的悬浮固体颗粒,前池的不良流态也形成污染物质淤积的条件,给泵站运行、管理带来不便。因此,根据城市水泵站的特点,研究污水泵站前池流态及其与水泵效率的关系,研究改善前池流态,提高泵站效率,降低污染物质淤积,对于泵站的节能,提高经济效益具有重要作用。

  模型相似理论水泵技术2004.1工程概况上海市虹口港、杨浦港地区旱流污水截流工程总管的中途提升泵站位于周家嘴路北、杨浦港西岸,占地15. 72亩。该栗站为污水中途泵站,进水管03500,重力流;出水管为03000压力流(满流)。泵站的近期设计流量为7.OOmVs,远期设计流量为14.OOmVs,出水接人待建的上海市污水治理三期工程总管,因此要求水泵扬程为14.Om,拟配水栗8台,6用2备,单栗流量为2. 34mVS,其中2台水泵配变频调速电机,其余水泵配普通定速电机。

  污水进人泵站后流经顶管接收井、进水管、近水闸门井、主泵房配水池、主泵房集水池、主泵房压力井、出水高位井,后流出泵站。涉及本次水力模型试验的构筑物有进水管、进水闸门井、主泵房(配水池、集水池、压力井):三座-2侧向进水泵站模型平面布置图渐变为两根2400x 2400(宽x高)箱涵,分别通向主泵房的两仓。主泵房分为独立的南北两仓,中间设完整的隔墙,每一仓拥有各自的进水池、集水池和压力井,并不与另一仓相通。8台泵分成两排布置,每仓一排,每排4台,根据水泵样本拟采用大阻力配水形式。近期仅安装北仓的4台水泵,流量大时开泵台数为3台,流量小时开泵台数为1台,南仓近期无污水。

  相似准则泵站的模型试验,一般选用水工正态模型,为使模型水流限制在紊流区,按埃斯奈尔公式,模型比尺应满足:水力半径。

  考虑到泵站运行工况的复杂性,选用几何比尺AL=10,足以保证模型水流在紊流区。目前国内尚无水泵房模型试验规范或准则。本试验参照日本、美国、德国等国家(或制造商团)的有关标准,规定和试验研究报告,结合我国有关工程的模型试验,确定本试验的相似准则。

  模型的整体设计和流速场,采用弗汝德数相似条件:涡流(包括表面涡、水中涡和底部涡)采用日本机械工程师协会标准(1984年版,河海大学冷却水研究室译)规定的表面涡的相似条件:原型泵初选为潜水混流泵,根据甲方提供的运行工况和所确定的几何比尺、流量比尺。原型单泵流量=2. 34mVS,换算模型泵单泵流量=7.4L/s,旱流低峰污水量CP=2.61ra3/S,换算模型泵单泵流量化=8.3L/s.模型选用SLN―8小型导叶式混流泵为模型泵,出水量为12.OL/s.模型泵的出水量均由阀门控制,流量由薄壁堰测定,可以满足各种不同进流量的组合试验。模型泵的吸水管和吸水头部的外型尺寸个与原型泵几何相似。

  模型按=10的几何正态设计制作。模拟范围从接收井至出水高位井,模拟主泵房进、出水的全过程。接收井采用砖砌水池,并装有闸门控制接收井水位。考虑到An―进水管、进水闸门井和分箱涵采用有机玻璃制作。

  主泵房包括配水池、集水池、压力井,采用8mm玻璃制作,配以不锈钢支架。泵吸水管头部采用有机玻璃制作,导流锥采用有机玻璃车削加工而成。整个模型主体采用透明性能良好的有机玻璃和玻璃制作,满足阻力相似条件,同时便于观察泵房各部位的流场、流态。

  模型沙的选择以及污染物质比尺的确定选择适当的模型沙,对于确保试验成果的可靠性和提篼模型试验的精度尤为重要。本试验主要研究泵站前池流态以及污染物质游积问题,浑水模型试验应按悬沙运动相似规律考虑,模型沙主要根据悬移相似条件来选择。出于原形沙中值粒径较细,为满足悬移相似条件,如采用与原形沙相同重率的模型沙,则必须采用很细的模型沙,但很细的模型沙又存在着絮凝现象和细颗粒间的粘结力问题,因此,试验中解决的办法通常是选用重率较小的人工轻质模型接收并沙。

  冲淤时间比尺为=即表明冲淤时间比尺远大于水流运动时间比尺A,造成所谓的“时间变态”,这主要是由于采用轻质模型沙引起的。冲淤时间比尺较大,则模型运行历时可以缩短,从而大大提高了效率。

  该方案的进水箱涵由一根3500x 2400箱涵突变为两根2400x2400箱涵分别通向主泵房两仓,箱涵入口底标高为-6. 82m,主泵房底标高为-9.90m,箱涵有一微小坡降/=0.0025,箱涵长度为60m左右,主泵房分为独立的南北两仓,中间设有完整的隔墙,每一仓拥有各自的进水池、集水池和压力井,两仓不相通,每仓中有一隔板将前池分为配水池与集水池,隔板下留有4孔,分别对应于4台泵的进水口,出于该泵站为城市污水泵站,来流内挟带大量沉积物,因此对于此污水集水池所有区段中平均流速都应大于0.7m/s.前池内共有8台泵分成排布置,每仓一排,每排4台,其中3台普通泵  由于考虑此污水泵站的污染物质淤积问题,初步设计了前池内各过水断面平均流速均大于0.7m/s这一不淤指标,为了满足污水泵站进水涵道上任何位置流速均要大于0.7m/s而设计,但没有考虑到涵道的过水能力不足以及流速过大的问题,从而导致在前池内添加任何水工措施都显多余,因为在多泵组合下,来流恒定这一基本条件都难满足。因此,在以上4种错况都可能发生的情形下,必须进行关键性的涵道和前池优化。

  3优化设计与流态分析3.1前池流态及污染物质输移优化分析-1优化设计泵站模型平面布置图-1所示)主要特点为:主箱涵底标高根据试验和计算,在接收井处设计为-7.70m,平地至距主泵房30m处以一陡坡i=0.071与主泵房配水池底的标篼-9. 90m相接,这一改进箱十分重要。对原设计方案而言,箱涵底标高降低了。88m(相对于改进方案而言,箱涵底标高增高了2.20m)。这一设计是根据在进水量为14.OmVs,接收井控制水位为-5.19m时所需的过水面积而确定的。也就是说在各种不同工况下,箱涵内水流保持平稳,不致发生急剧水跃现象从而影响主泵房流态。同时,这一改进涵与主泵房配水池连接,从原设计方案的跌水改变为陡坡,对改进方案而言,是从平坡改为陡坡。这一改进对于确保主泵房的良好流态和污染物质不淤是一关键。

  保留原设计方案配、集水池隔墙,南北两仓各自独立,改进了分水锥位置和外形。保留原设计方案的闸门,实行南北两仓(一期、二期工程)分别控制,优化设计泵房布置和全部尺寸(如-1、3-2所示)。

  进水箱涵-2优化设计泵站进水箱涵部面图试验证明,优化方案从流态条件来看,均能满足各种运行工况:一期工程来流量7.0m3/S,接收井控制水位为-5. 74m时,胸墙出流孔出流均匀,集水池中水流平稳。当来流量增加为9. 7mVs(相当于1.3Fr流量)接收井水位仍维持为5.74m,集水池中流态仍较平稳,各泵运行正常。在来流量为14.OmVs,接收井水位为-5.19工况时,集水池中流态正常,当来流量增加到20m3/s时(相当于1.3Fr),接收井水位仍维持-5.19m,箱涵陡坡段产生急剧水跃。集水池中旋转水流加剧,吸气旋涡虽末产生,但水面凹涡时有发生。这一现象说明了一个问题:就是在箱涵底标篼为-7.70m,箱涵底宽3.50m时,在接收井控制水位为-5.19m的条件下,满足来流量14.OmVs是没有问题的;当来流量增加到20.OmVs时,就不能满足了。

  若要消除箱涵陡坡段水跃现象,维持水面平稳,接收井水位要提篼到-4. 90m,这在实际运行中是不可能的。同理,如果再提高箱涵底标高,恢复到-6. 82m,也是不行的。

  底部输移污染物质的冲淤试验,采用中值粒径为0.8mm,且经石灰水(防腐剂)处理的木屑= 1150kg/m3作为模型沙。试验表明优化方案底部输移污染物质在箱涵内的淤积,只有在单泵来流量2.61mVs,接收井控制水位为-6.15m时才会产生。因为此时箱福的平均流速仅达。48m/s;污染物质在箱涵沿程到扩散段逐渐淤高、而在主泵房污染物质仅沿配水池和集水池人口一侧淤积,主要的淤积部位在1栗右侧,也正是吸污泵的位置。试验同时表明,当接收并控制水位仍维持在-6. 15m时,双泵来流量增加到4.95mVs时,箱涵的平均流速增加到0.91m/s;箱涵内的淤积现象不复存在。由于扩段后半部导流锥分流人配水池一段,过水断面缩小,流速增大。因此扩散段后半部淤积物将不断被冲走,从而使此段污染物质达到冲淤平衡。即淤积的范围和淤积的厚度不会逐渐增加。试验还表明,当接收井控制水位维持在-6. 10m时,可以开三台泵。箱涵平均流速可增加到1.25~1.30m/s.污染物质将全部被带走,而此时集水池内的水流旋转加剧,但旋涡尚未产。因此说明污染物质的淤积问题优化方案是可以解决的。

  2配水池一集水池出流孔佳断面形状和尺寸的优选初步设计方案出流孔口的断面形状和尺寸见(如-3所示),孔口断面积之和为9.6m2,在来水量为7.OmVs工况时,断面平均流速可达0.73m/s>0.70m/s.而在其它工况下并未能满足这一指标。试验证明,这种出流孔配水不均匀,出流孔流速不均,1录前沿往往出现负值(反向流)而且水头损失较大。根据这一情况,结合集水池的流态将配水池一集水池胸墙出水孔以底部开敞式全部出流,见(- -5原配水池至集水池出流孔断面所示)。原胸墙出水孔见(-5所示)孔口高度从0801.00~1.20m分别优选。

  对比试验记录见(表3-1、表3-2)80m水头损失大,底孔流速也大,其大值可达1.胸墙底孔篼度来水量开泵台数接收井水位m配水他水位m集水他水位(m)水头损失AH(m)局部水头损失厶h总水头损失AH+Ah表3-2胸墙底孔篼度与胸墙底孔流速对比表胸墙底孔高度来水量开泵台数胸墙底孔流速m水头损失小,但底孔出流不均匀,流速差集水池水位从-5. 90m上升到-5.35m,主泵值可达0.44m/s;唯底孔高1. 00m水头损失房流态恢复平稳。

  居中,且底孔出流均匀,流速差值可达0.26 m/s,从水头损失和底孔出流的均匀性综合考5研究成果及结论虑,以1.00m为佳。此孔高在来水量为7.0mVs的工况下,出水孔断面平均流速为0.50m/s.试验证明,这种流速并不会导致底部输移的污染物质在集水池中全面淤积。因为这种污染物的淤积,不仅和流速有关,而且更为重要的是和输移路线有关。

  优化方案在各种工况下,集水池中均未发现底涡及水内涡及水内涡。本试验在来水量为14.00mVs,接收井控制水位为-5. 19m的工况下,主泵房流态良好,各泵运行正常。由于受过水断面的约束,只能加大流量至20.00m3/S(相当于1.3Fr)陡坡段水跃产生,接收井水位不断升高,主泵房水位不断下降,配水池中水流旋转加剧,水位振幅在-5.80 ~-6.00m之间。伴有表面涡、水中涡发生,集水池中时有表面涡产生,但底涡(或吸气涡)并未发现。主泵房这种流态受箱涵水跃直接影响,加大接收井水位至-4.95m,箱涵水跃消失,为了研究如何综合考虑既满足污染物质不淤,又保证前池水流不出现4种不良流态,本文提出了变坡箱涵与前池相连。其陡坡坡降的确定以保证能同时满足以上所述的两种矛盾的情况。

  对于侧向进水泵站,首先要解决的问题是如何使各水泵取水均匀一致。本文提出隔板下孔完全敞开方案,将进水水流压向底部,并分析了隔板距池底的距离对集水池内流态的影响,提出了隔板距池底的距离与水泵进水口高度相近的佳设计方案。

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