利用射流技術(shù)抽取廠房滲漏水的設(shè)計(jì)方案

(四川宜賓水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 宜賓，644000)

1 概述

云貴橋水電站地處云南貴州交界處的格鬧河上，設(shè)計(jì)水頭H=102m，流量Q=34.6m3/s，裝機(jī)容量為2×28MW的兩臺(tái)立式混流式機(jī)組，廠房結(jié)構(gòu)為有壓隧洞引水式地下廠房。

在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大量的山體滲水匯集，無(wú)出處，只能引入集水井中。由于集水井位置低于尾水位，無(wú)法自流排出，只有靠?jī)膳_(tái)水泵長(zhǎng)期輪流不停地抽水排至下游，僅此一項(xiàng)將耗費(fèi)大量的能源。此部分滲水是經(jīng)山體過(guò)濾的，清澈透明，若白白排掉實(shí)在可惜。另一情況是，該廠區(qū)暫未設(shè)計(jì)生活用水管路，需要尋找潔凈水源，能否將該部分水源利用起來(lái)，同時(shí)又能降低抽水能耗，成為電站需要解決的問(wèn)題之一。

在電站廠房?jī)?nèi)，機(jī)組技術(shù)供水設(shè)計(jì)為壓力鋼管取水經(jīng)減壓閥減壓后獲得，而設(shè)計(jì)用減壓閥將壓力鋼管約1MPa壓力的取水降為0.25MPa左右的工作壓力，本身也是一個(gè)消耗能量的過(guò)程，這部分能源不利用也是長(zhǎng)期白白浪費(fèi)掉。

此外，機(jī)組檢修期間，在主閥以下的壓力鋼管、蝸殼、尾水管排水，由于低于下游尾水位無(wú)法自流排出，均排往集水井，再經(jīng)水泵抽到下游尾水出口，也要消耗部分能源。

經(jīng)多方面考察論證，根據(jù)電站的實(shí)際情況，筆者認(rèn)為，利用電站較高水頭和壓力鋼管取水的有利條件，采用射流技術(shù)抽取滲漏水，并將其作為生活用水和部分技術(shù)供水。這樣，既解決了滲漏水抽水耗能的問(wèn)題，又能改善技術(shù)用水和生活用水的水質(zhì)問(wèn)題，還可作為檢修期排水，應(yīng)為一舉多得的方案。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

實(shí)施射流技術(shù)抽取滲漏水方案，需要在原技術(shù)供水減壓閥前端加一射流泵，射流泵出口接技術(shù)供水總管和廠區(qū)生活用水總管，出口壓力P2調(diào)整為技術(shù)供水的工作壓力0.15MPa～0.25MPa，流量Qc為技術(shù)供水所需流量和生活用水所需流量總和，約340m3/h。射流泵工作水入口端接原技術(shù)供水壓力鋼管取水管自動(dòng)濾水器出口端，工作水壓力為P1=1MPa，流量Q1由噴針調(diào)節(jié)，射流泵吸入口端接集水井滲漏水出口，入口真空壓力Ps=-0.1MPa左右，流量Q2為需抽取滲漏水流量。

供水系統(tǒng)如圖1所示。如需采用生活用水，需將污水和凈水分別排放，可在滲漏水出口處做一隔離墻，與集水井其他空間隔離，形成污水區(qū)和凈水區(qū)，以保證水質(zhì)不被集水井中的其他污水污染。檢修期間，通過(guò)四通閥轉(zhuǎn)換將供水總管與排水總管相連，通過(guò)射流泵抽取集水井中的水直接排往下游。

圖1 供水系統(tǒng)

3 射流泵工作原理

如圖2所示，高壓水以流量Q1由噴嘴高速射出時(shí)，連續(xù)帶走了吸入室2內(nèi)的空氣，在吸入室內(nèi)造成真空，被抽液體在大氣壓力作用下，以流量Q2由管5進(jìn)入吸入室內(nèi)，兩股液體在混合管3中進(jìn)行能量的傳遞和交換，使流速、壓力統(tǒng)一，經(jīng)擴(kuò)散管4使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能后，以一定流速由管道6輸送出去。圖2中，H1為噴嘴工作壓力(水柱壓力m)；H2為射流泵揚(yáng)程(m)；Q1為工作液體流量(m3/s)：Q2為被抽液體流量(m3/s)；F1為噴嘴的斷面積(m2)：F2為混合室斷面積(m2)。

1—噴嘴；2—吸入室；3—混合室；4—擴(kuò)散管；5—吸水管；6—壓出管

圖2射流泵工作原理

4 射流泵設(shè)計(jì)

射流泵的計(jì)算通常是按已知工作流量和揚(yáng)程，以及實(shí)際需要抽吸的流量和揚(yáng)程來(lái)確定各部分尺寸，常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。目前，這方面的公式與圖表甚多，實(shí)際應(yīng)用中因使用條件、加工精度等的差異，使用數(shù)據(jù)彼此出入較大，因此，實(shí)際采用時(shí)可按運(yùn)行情況作適當(dāng)調(diào)整。射流泵的工作性能一般可用參數(shù)α、β、m反映。表1為射流泵效率較高時(shí)(30%左右)，α、β、m之間的關(guān)系。

表1 射流泵α、β、m參數(shù)關(guān)系

該電站技術(shù)供水總流量為Q1+Q2=320m3/h，廠房滲漏水量約Q2=120m3/h，Q1=200m3/h，壓力鋼管水頭H1=112m，射流泵排水揚(yáng)程H2=25m，吸程4.57m。

按滿(mǎn)足揚(yáng)程計(jì)算：

Q1=Q2/1.007=120/1.007=119.17m3/h

按滿(mǎn)足流量計(jì)算：

噴嘴斷面，混合室斷面計(jì)算：

由管嘴計(jì)算公式得知：

式中：φ—噴嘴的流量系數(shù)，取φ=0.95；

F1—噴嘴斷面積(m2)

所以

混合斷面面積：F2=F1/m=1570/0.378=4153mm2

噴嘴與混合管的距離：一般資料提出L2=(1～2)d1較為適合，故取L2=2×d1=90mm

混合管段長(zhǎng)度L3：

混合管一般有圓柱形和圓錐形兩種，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，在技術(shù)條件相同的情況下，圓柱型混合管的效能普遍優(yōu)于圓錐型混合管。這是因?yàn)閳A柱型混合管較長(zhǎng)，工作液體與被抽液體在其中能混合充分，能量傳遞也充分，因而效能較高，故采用圓柱型混合管。其長(zhǎng)度一般試驗(yàn)資料推薦L3=(6～7)d2；故取L3=6×d2=437mm

擴(kuò)散管長(zhǎng)度L4及擴(kuò)散錐角θ：

噴嘴長(zhǎng)度L1：

射流泵效率：

吸入室的構(gòu)造：應(yīng)保證實(shí)現(xiàn)L2值的調(diào)整范圍，同時(shí)吸水口位于噴口的后方，吸水口處被吸水的流速不能太大，務(wù)必使吸入室內(nèi)真空值Hs<-0.07MPa，故取吸水管徑為φ200mm，所設(shè)計(jì)的射流泵外形如圖3所示。

噴嘴由一針閥控制工作流量，所設(shè)回流管及閥門(mén)用于調(diào)節(jié)出口端壓力，當(dāng)吸入口無(wú)液體時(shí)，射流泵可單純作為減壓閥使用來(lái)供給技術(shù)用水。

圖3 射流泵外形設(shè)計(jì)

如裝置電動(dòng)可調(diào)式射流泵裝置還可根據(jù)水電站上下游水位變化，通過(guò)電磁流量計(jì)、壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，輸入自動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)專(zhuān)用控制計(jì)算軟件，對(duì)噴嘴針閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使它提供的出口壓力及流量，可以滿(mǎn)足不同發(fā)電負(fù)荷下水輪發(fā)電機(jī)組各種冷卻器對(duì)水量和壓力的要求，同時(shí)使射流泵在高效區(qū)及無(wú)汽蝕工況下運(yùn)行?？烧{(diào)式射流泵裝置具有下列優(yōu)點(diǎn)；(1)調(diào)節(jié)范圍大,能按電站水頭變化，自動(dòng)運(yùn)行；(2)能耗較低；(3)可作為減壓裝置運(yùn)行，提高了供水的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

總體而言，對(duì)于技術(shù)供水設(shè)計(jì)從壓力鋼管或蝸殼取水的電站，由于本身需要減壓至符合要求的水壓，其間要消耗大量的能量，利用射流泵技術(shù)，既可以作為減壓裝置，獲得所需的水壓，又可以利用消耗的能源，抽取集水井中的積水，甚至還可重復(fù)利用排往集水井的技術(shù)用水，這的確是一個(gè)經(jīng)濟(jì)節(jié)能且值得推廣的方案。圖4為國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的可調(diào)式射流泵外形圖片，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多處中小型水電站的技術(shù)供排水系統(tǒng)，并取得了良好的效果。

圖4 全自動(dòng)可調(diào)式射流泵裝置

〔1〕北京礦業(yè)學(xué)院礦山流體機(jī)械設(shè)備教研組編.水力采煤機(jī)械化設(shè)備.北京：中國(guó)工業(yè)出版社出版，1961.

〔2〕李詩(shī)久編.流體力學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版，1980.

〔3〕朱勁木等編.射流泵性能的數(shù)值計(jì)算.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2002，35(6).