供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器運(yùn)行噪音及振動(dòng)控制
通過(guò)分析供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器排污管道噪聲與振動(dòng)產(chǎn)生的原因，從設(shè)計(jì)和施工兩方面出發(fā)，探討了給排水管道布置、給排水管材選用對(duì)管路振動(dòng)與噪音的影響，分析了控制管路噪音與振動(dòng)措施的有效性和可行性。目前已經(jīng)采取了增加支墩、支架等方式減少管路振動(dòng)，后續(xù)還需通過(guò)增加變徑管路以獲得所需的安全流速。
1全自動(dòng)濾水器工程概況
向家壩水電站分左、右岸兩個(gè)廠房，左岸為壩后式廠房，右岸為地下式廠房。左、右岸廠房各布置4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定功率800MW；水輪機(jī)額定水頭100m；電站技術(shù)供水系統(tǒng)均采用單機(jī)單元自流減壓供水方式，每臺(tái)機(jī)設(shè)置1個(gè)蝸殼取水口，分兩路經(jīng)減壓過(guò)濾引至本機(jī)組和機(jī)組技術(shù)供水聯(lián)絡(luò)總管，互為備用；每路供水管上各設(shè)置1臺(tái)全自動(dòng)濾水器。每?jī)膳_(tái)機(jī)組設(shè)置一套壩前取水作為備用，經(jīng)減壓過(guò)濾接入機(jī)組技術(shù)供水聯(lián)絡(luò)總管。左、右岸壩后電站機(jī)組技術(shù)供水設(shè)備分別布置在266.24m高程下游副廠房供水室內(nèi)和243.00m高程下游側(cè)操作廊道內(nèi)。
左、右岸電站空調(diào)冷卻系統(tǒng)均采用壩前取水自流減壓供水方式，經(jīng)減壓過(guò)濾引至空調(diào)系統(tǒng)，采用兩級(jí)過(guò)濾。另從機(jī)組技術(shù)供水總管上取一路供水管路作為空調(diào)供水的備用水源，接入空調(diào)供水系統(tǒng)。左、右岸空調(diào)供水設(shè)備分別布置在266.24m高程下游副廠房供水室內(nèi)和263.24m高程水輪機(jī)層下游側(cè)通道內(nèi)。
右岸電站技術(shù)供水系統(tǒng)每路供水管上各設(shè)置1臺(tái)全自動(dòng)濾水器，全自動(dòng)濾水器進(jìn)、出口管徑為DN500,設(shè)計(jì)額定過(guò)流量為2100m3/h。每臺(tái)全自動(dòng)濾水器設(shè)置有上、下排污管，用于排岀全自動(dòng)濾水器內(nèi)的雜物。上、下排污管管徑均為DN150,設(shè)置有手動(dòng)球閥和電動(dòng)球閥，用于上下排污管的啟閉。上、下排污管在全自動(dòng)濾水器底部合并為一根DN150排污總管，并接入地面預(yù)埋管路，具體布置圖見圖1。
圖1全自動(dòng)濾水器管路布置
在右岸電站技術(shù)供水系統(tǒng)有水調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)全自動(dòng)濾水器進(jìn)行排污時(shí)，其上、下排污管路及閥門均出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，同時(shí)還伴隨類似放鞭炮的嚴(yán)重噪音；在7號(hào)、8號(hào)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)有水調(diào)試期間，甚至出現(xiàn)排污管路法蘭連接螺栓松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致密封墊片因水流沖擊而損毀，導(dǎo)致管路大量漏水。雖然部分原因?yàn)楣苈钒惭b問(wèn)題，但是劇烈的振動(dòng)卻將微小的松動(dòng)迅速擴(kuò)大，終導(dǎo)致了排污管路漏水。鑒于全自動(dòng)濾水器排污管路的安裝特點(diǎn)，如果松動(dòng)位置發(fā)生在全自動(dòng)濾水器排污電動(dòng)閥之前，巡檢人員發(fā)現(xiàn)不及時(shí)的話，將會(huì)導(dǎo)致廠房漏水量劇增，加重廠房滲漏排水系統(tǒng)負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)，若發(fā)生漏水問(wèn)題的全自動(dòng)濾水器臺(tái)數(shù)較多，甚至?xí)䦟?dǎo)致水淹廊道或廠房。
2全自動(dòng)濾水器排水管路產(chǎn)生大量噪音及振動(dòng)的原因分析
向家壩電站技術(shù)供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器排污時(shí)產(chǎn)生的不利影響主要為振動(dòng)和噪音。而振動(dòng)和噪音產(chǎn)生的主要原因有：
流速設(shè)計(jì)不合理，同時(shí)還與供排水系統(tǒng)管道布置有關(guān)�？蓮墓苈返牟贾梅矫嬷址治�，査找不合理設(shè)計(jì)，加以優(yōu)化和改善。通過(guò)釆用有效的支撐加固措施改善管路某一方向受力約束不足，進(jìn)而控制管道內(nèi)流速，降低管道的振動(dòng)幅度。
與管道內(nèi)部存在空氣有關(guān)。振動(dòng)的產(chǎn)生主要源于水力沖擊和空化現(xiàn)象中氣泡破損產(chǎn)生的壓力脈沖；而噪音的產(chǎn)生主要源于空化現(xiàn)象，空化氣泡破損產(chǎn)生高速?zèng)_擊，使其局部產(chǎn)生強(qiáng)烈湍流，形成空化噪音，這種噪音與流體中含有沙石發(fā)出的聲音相似。
根據(jù)類似水電站設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)，供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器在排污過(guò)程中，一般都會(huì)產(chǎn)生噪音，且噪音大小與供水壓力成正比，持續(xù)時(shí)間與閥門啟閉速度有關(guān)，噪音值隨閥門開度變化而變化，壓力越大噪音越大，閥門開度越小噪音越大，閥門啟閉時(shí)間短噪音持續(xù)時(shí)間也越短。
基于以上原因進(jìn)行分析總結(jié)，向家壩水電站技術(shù)供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器排污時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)和噪音的誘因主要為空化現(xiàn)象和管道布置缺陷，具體分析如下：
全自動(dòng)濾水器排污時(shí)，閥門前后壓差大是導(dǎo)致排污時(shí)產(chǎn)生噪音的根本原因。全自動(dòng)濾水器前大靜壓力接近1.37MPa,由于排污管接入滲漏排水總管，相當(dāng)于連通大氣，排污閥前后壓差大也約為1.37MPa,根據(jù)伯努利方程簡(jiǎn)化估算，其流速約為44.7m/s,超出水力設(shè)計(jì)規(guī)范要求3m/s的經(jīng)濟(jì)流速將近15倍，如此高的流速下，必將導(dǎo)致在管道內(nèi)部產(chǎn)生高頻流體沖刷聲音，并在管道內(nèi)表面過(guò)渡不平穩(wěn)處產(chǎn)生氣蝕。
管路設(shè)計(jì)不合理加劇了管路的振動(dòng)及噪音。如圖1所示，由于排污管道存在過(guò)多的彎頭，且相對(duì)全自動(dòng)濾水器水平排污管段，水流方向改變將近135。，介質(zhì)流向變化過(guò)快，造成在彎頭處產(chǎn)生大量水力沖擊，造成水力損失，流態(tài)完全紊亂，再加上缺乏有效的支撐，造成管路受力不均勻或在某一方向受力約束不足或缺少，進(jìn)而導(dǎo)致管路的劇烈振動(dòng)；同時(shí)整個(gè)管路及附件因振動(dòng)產(chǎn)生低沉的轟轟聲。這種情況下產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)排污管路來(lái)說(shuō)是大威脅，前述供水系統(tǒng)調(diào)試期間發(fā)生的法蘭連接密封失效漏水，其根本原因就在與此。
排水方式不合理是產(chǎn)生劇烈噪音的根源。由于廠房總滲漏水量不大，滲漏排水總管內(nèi)并沒有持續(xù)、穩(wěn)定水源，可以視為空管，排污閥接至排水總管就相當(dāng)于直接對(duì)空排放，造成在排污管出口處，高速紊亂水流與空氣發(fā)生劇烈對(duì)流，使管道內(nèi)部壓力急劇變化，導(dǎo)致液體內(nèi)溶解的氣體產(chǎn)生破裂，進(jìn)而產(chǎn)生劇烈噪音。
3全自動(dòng)濾水器處理措施探討
經(jīng)前面的分析，針對(duì)右岸技術(shù)供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器排污管路走向布置問(wèn)題，釆用了優(yōu)化措施，以改善全自動(dòng)濾水器排污工況，降低管路爆管風(fēng)險(xiǎn)。
3.1全自動(dòng)濾水器優(yōu)化管路支撐，提高管網(wǎng)強(qiáng)度
鑒于排污管路彎頭較多，當(dāng)全自動(dòng)濾水器排污管路發(fā)生漏水缺陷后，安裝項(xiàng)目部與我廠技術(shù)人員都十分重視，為降低振動(dòng)，以免再次發(fā)生管路漏水缺陷，在排污管路彎頭處增設(shè)鎮(zhèn)墩進(jìn)行加固，如圖2所zKo
圖2鎮(zhèn)墩示意
在管路轉(zhuǎn)彎處增加鎮(zhèn)墩的措施彌補(bǔ)了管路設(shè)計(jì)、安裝缺陷，增加了管路受力部位的約束，有效地加強(qiáng)了管路的穩(wěn)定性。通過(guò)限制管路的振動(dòng)，降低了管路法蘭連接螺栓松動(dòng)幾率，保證了管路連接和密封的可靠性。
3.2全自動(dòng)濾水器改變管路直徑，降低出口流速
由于電站設(shè)計(jì)原因，全自動(dòng)濾水器正常工作壓力較高，其排污管路工作時(shí)前后壓差較高已無(wú)法避免，但根據(jù)之前對(duì)振動(dòng)和噪音的成因分析結(jié)果可知，高壓差會(huì)造成排污管出口處水流流速過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致振動(dòng)和異常噪音的產(chǎn)生，因此可從改善排污口水流流態(tài)出發(fā)，采取適當(dāng)措施，在高壓差條件下，降低出口流速。根據(jù)管道內(nèi)流速、管路過(guò)流面積和流量關(guān)系可知，在管路流量恒定情況下，流體流速與過(guò)流面積成反比；在過(guò)流面積一定的情況下，流體流速與流量成正比，因此要獲得比較低的流速，只需增大排污管路出口管徑，或者降低全自動(dòng)濾水器排污流量，但由于采用埋管方式，排污管出口處管徑已無(wú)法改變，只能采取措施降低全自動(dòng)濾水器排污流量。
若通過(guò)增設(shè)節(jié)流閥的方式，控制排污流量，則需要重新進(jìn)行設(shè)備的選型、采購(gòu)及安裝等過(guò)程，從時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本上考慮并不是好的方案，且改造的目的主要是降低流量至一個(gè)合理值即可，無(wú)需對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此便可以通過(guò)設(shè)計(jì)安裝一個(gè)簡(jiǎn)易節(jié)流裝置即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求。
根據(jù)伯努利方程和流量與流速關(guān)系：知虹+左字+虹+之2+九 (1)2gPg2gpg2=。3州3 (2)
式中，0為經(jīng)過(guò)某斷面的速度；p為某流體斷面處的壓強(qiáng)；p為液體介質(zhì)密度；Z為某斷面鉛垂高度；g為重力加速度；Q為流道內(nèi)流體流量；A為流體斷面處截面積。
本案例中，水源為壩前庫(kù)水，故全自動(dòng)濾水器排污出口處壓力p=0,在不計(jì)水力損失效的情況下，可算得在排污管出口管段水的流速如==44.7m/s。若為排污管口處水的流速，為了獲得比較小的*,根據(jù)式(2)可知，應(yīng)該有A2/A3<1,因此應(yīng)使出口參考斷面之前有較小的管徑，或使出口斷面為一個(gè)較大的管徑，增加一個(gè)較小的過(guò)流面積42。除此之外，還應(yīng)提供一個(gè)較大的扃；前面為了方便計(jì)算出口流速用來(lái)參考而假定九=0,但若使出口處水流有較低的壓力和流速，意即降低水流在出口處具有的能量，則需增大知，即增大排污管路處能量損失。為實(shí)現(xiàn)以上條件，可以在排污管路上設(shè)置變徑，以滿足A2/A3<1的要求，單位保證有足夠的知，4物3應(yīng)在合適范圍。
水電站機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)全自動(dòng)濾水器水源一般都取自江水，雖然就地取材的方式比較經(jīng)濟(jì)，且穩(wěn)定可靠，但是一旦管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備或部位發(fā)生漏水，處理不及時(shí)將可能導(dǎo)致水淹廠房的危害。
對(duì)向家壩電站技術(shù)供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，全自動(dòng)濾水器排污管路是江水排入廠房的正常設(shè)置，若一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將威脅到整個(gè)廠房的安全，因此，需要盡可能地保證管路安全穩(wěn)定，提高管網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；目前已經(jīng)采取了增加支墩、支架等方式減少管路振動(dòng)，避免各部位法蘭連接可能產(chǎn)生的松動(dòng)；后續(xù)還需增加變徑管路，以獲得所需的安全流速，雖然較小的管路通徑將不可避免地影響排污效果，引起管路堵塞，但相比較管路爆管導(dǎo)致水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，排污管堵塞就相對(duì)安全得多。在實(shí)際改造過(guò)程中可通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)，確定一個(gè)合理管徑，解決兩方面的問(wèn)題。
