水电站拦污栅水头损失分析

1 拦污栅水头损失的成因及影响因素

1.1拦污栅水头损失的成因

水头损失是由于液流内部质点之间有相对运动,因粘滞性的作用,产生切应力的结果。当液体沿纵向边界流动时,只要局部边界的形状或大小改变,或有局部障碍,液流内部结构就急剧变化,液体质点间的相对运动加强,内摩擦增大,产生较大的能量损失,这种发生在局部范围之内的水头损失称作局部水头损失。液流在通过拦污栅时,栅条对其有一个局部阻碍作用,产生局部水头损失。这是不可避免的;另外,拦污栅所拦截的污物,部分地堵塞栅孔,使拦污栅原有的边界条件改变,加剧了对水流的阻碍作用,致使过栅的局部水头损失增加,这部分损失,通过清除污物,可以全部或部分清除。

1.2影响拦污栅水头损失的因素

影响拦污栅局部水头损失的原因有:栅条的几何形状,过栅水流的雷诺数,进口前断面的流速分布等。近年来,对拦污栅堵塞或锈蚀改变栅孔结构使局部水头损失增加的研究取得了一些成果,具体表现为:

(1) 在相同的上游平均流速下,随栅孔尺寸的加大,局部阻力系数减少;在相同栅孔下,局部阻力系数随上游平均流速增大而增加。

(2) 局部阻力系数随拦污栅有效断面比减小而增加。

(3) 当过栅流量一定时,随着堵塞率的增加,局部阻力系数增大;当栅孔堵塞率一定时,阻力系数随过栅流量增加而增大。

2　拦污栅水头损失与水轮机出力的关系

水轮机组发电是水的势能转换为机械能再转化为电能的结果, 水轮发电机组管路系统如下图所示:

2.1列1、2 断面能量方程

式中:Z1 、Z2 ———1 - 1 断面和2 - 2 断面位置水头;

       P1/ r 、P2/ r ———1 - 1 断面和2 - 2 断面的压强水头;

       v1 、v2 ———1 - 1 断面和2 - 2 断面的平均流速;

       hw ———1 - 2 断面水头损失。

2.2水头损失hw

式中:hf ———沿程水头损失;

       hj ———局部水头损失。

拦污栅的局部水头损失包含于局部水头损失当中,当水轮发电机组管路系统确定后,流量Q 一定时,Z1 、Z2 、P1/ r 、P2/ r ,v1 和v2 为不变的数,因此,拦污栅水头损失增加时,水轮机发电水头Hm 必然减少。

2.3水轮发电机组出力

式中:N ———水轮机实际出力;

       η———水轮机效率;

       γ———为水容量;

       Q ———流量;

       Hm ———水轮机发电水头。

从上式可以看出Q 较大时,Hm 的微小变化对N 的影响很大,所以在大型水轮机组中,要求尽可能减少水头损失。因此,设计清污机械,适时清除拦污栅前的污物,是减小水头损失的有效措施之一。