CN212000955U - 一种水轮机顶盖吹沙清淤系统 - Google Patents

Abstract

一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，包括PLC控制单元、排水机构、监测机构、气动吹沙机构和水动冲沙机构；排水机构包括设置在顶盖中的潜水泵，潜水泵的进水口朝向顶盖的底部，潜水泵的排水口连通有抽水管道，并且抽水管道伸出顶盖；监测机构包括设置在顶盖中的浮子信号器和浸没式泥沙含量传感器以及设置在抽水管道上的管道式泥沙含量传感器；气动吹沙机构包括多条穿设在顶盖上的供气管道，所有供气管道共同连通有吹沙干管，且吹沙干管设置在顶盖底部的水沙混流层中，吹沙干管连通有多个吹沙支管，每个吹沙支管上连通有多组吹沙喷嘴。本发明提供一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，采用气动吹沙和水动冲沙相结合的方式，吹沙清淤的效率更高。

Description

一种水轮机顶盖吹沙清淤系统

技术领域

本实用新型涉及水轮机领域，具体的说是一种水轮机顶盖吹沙清淤系统。

背景技术

水轮机在运行状况下，主轴与固定部件密封环之间会形成较大的空隙，蜗壳内高水头进水和主轴密封水会通过这些空隙形成大量漏水，存储于顶盖之中，为此通过在水轮机顶盖内设置顶盖排水泵以解决此类问题。

公知的，黄河泥沙含量高，沙粒粒径小。高泥沙含量不仅加快水轮机转叶的磨损，而且对于上述漏水情况来说，主轴与固定部件的空隙进入顶盖的漏水更容易在顶盖内形成淤沙堆积。根据小浪底水电厂多年的运行情况分析得知：靠近主轴进口来水水流流速较大，泥沙与水的混流程度较高，在此增设排水泵可将泥沙和水直接排除；顶盖边缘侧水流流速较小，泥沙无法通过排水泵排出，更容易在此沉淀，顶盖底部形成“水—沙”分层现象，且越靠近顶盖边缘侧泥沙淤积越高。泥沙的淤积会导致顶盖内的存储的水位上升，当淤积到一定高度时机组就需要停机进行清淤处理。否则，就会造成来水上漫，轻则漏水漫入水导油槽，重则造成水淹厂房的事故。多泥沙水电站需定期进行顶盖清淤工作，尤其在7~10月汛期更为频繁。

众多水电站为解决以上问题，或采用高压水流通过冲击淤沙部分以形成沙水混合液，促使泥沙通过排水泵排出，这种方法不仅需要消耗大量的高压技术供水，且间接增加了顶盖排水泵的工作负荷，无形间消耗了大量的能源。或采用人工排沙方法，这种方法不仅费工费时且停机期间不能进行生产发电，造成了严重的经济损失。因此，开发一种对能够根据顶盖内泥沙淤积情况进行自行排沙清淤的系统迫在眉睫。

实用新型内容

为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，采用气动吹沙和水动冲沙相结合的方式，吹沙清淤的效率更高。

为了实现上述目的，本实用新型采用的具体方案为：一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，包括PLC控制单元、排水机构、监测机构、气动吹沙机构和水动冲沙机构；所述排水机构包括设置在所述顶盖中的潜水泵，潜水泵的进水口朝向顶盖的底部，潜水泵的排水口连通有抽水管道，并且抽水管道伸出顶盖；所述监测机构包括设置在所述顶盖中的浮子信号器和浸没式泥沙含量传感器以及设置在所述抽水管道上的管道式泥沙含量传感器；所述气动吹沙机构包括多个穿设在所述顶盖上的供气管道，所有供气管道共同连通有吹沙干管，且吹沙干管设置在顶盖底部的水沙混流层中，吹沙干管连通有多个吹沙支管，每个吹沙支管上连通有多组吹沙喷嘴；所述PLC控制单元与所述潜水泵、所述浮子信号器、所述浸没式泥沙含量传感器和所述管道式泥沙含量传感器均电性连接。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述水动冲沙机构包括穿设在所述顶盖上的技术供水管道，技术供水管道连通有水动喷头，且水动喷头朝向顶盖的底部。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述顶盖的内壁上水平固设有固定支架，固定支架固定连接有两个向下延伸的支撑杆，所述浮子信号器和所述浸没式泥沙含量传感器分别固定设置在两个支撑杆的下端。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述吹沙干管呈圆弧形，所述吹沙支管与吹沙干管的内侧连通并且沿吹沙干管的径向延伸。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：每组所述吹沙喷嘴的数量为两个，并且两个吹沙喷嘴对称设置。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述吹沙喷嘴向下倾斜设置并且出口朝向水轮机的主轴。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述供气管道位于所述顶盖外侧的部分设置有气流电磁阀，气流电磁阀与所述PLC控制单元电性连接。

作为上述水轮机顶盖吹沙清淤系统的进一步优化：所述技术供水管道位于所述顶盖外侧的部分设置有水流电磁阀，水流电磁阀与所述PLC控制单元电性连接。

有益效果：

1、本实用新型利用气动力和水动力相结合对泥沙负载强行干预，依靠气体上升带动淤积于顶盖底部的泥沙，通过高压技术供水的冲击增强水流的紊动强度及挟沙能力，清淤排沙效果显著；

2、本实用新型通过气动吹沙装置的运用，减少了高压技术供水的供给量，同时也减少了潜水泵的工作负荷；

3、本实用新型利用工质为高压技术供水和高压气体，清洁、无污染，不会对机组和环境造成影响和破坏；

4、本实用新型吹沙清淤系统运行工作时，机组不需要停机，可避免因停机造成的生产损失；

5、本实用新型能够全自动运行，无需人工参与，从而节省人力资源。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是吹沙干管、吹沙支管和吹沙喷嘴的设置方式示意图；

图3是吹沙支管和吹沙喷嘴的设置方式示意图；

图4是送气管道的安装方式示意图。

附图标记：1-顶盖，2-潜水泵，3-进水口，4-排水口，5-抽水管道，6-管道式泥沙含量传感器，7-浮子信号器，8-浸没式泥沙含量传感器，9-支撑杆，10-固定支架，11-吹沙干管，12-供气管道，13-吹沙支管，14-泥沙沉积层，15-水沙混流层，16-吹沙喷嘴，17-气流电磁阀，18-水流电磁阀，19-技术供水管道，20-水动喷头，21-PLC控制单元，22-衬套，23-第一部分，24-第二部分，25-焊缝，26-顶盖立筋。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至3，一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，包括PLC控制单元20、排水机构、监测机构、气动吹沙机构和水动冲沙机构。

排水机构包括设置在顶盖1中的潜水泵2，潜水泵2的进水口3朝向顶盖1的底部，潜水泵2的排水口4连通有抽水管道5，并且抽水管道5伸出顶盖1。

监测机构包括设置在顶盖1中的浮子信号器7和浸没式泥沙含量传感器8以及设置在抽水管道5上的管道式泥沙含量传感器6。

气动吹沙机构包括多个穿设在顶盖1上的供气管道12，所有供气管道12共同连通有吹沙干管11，且吹沙干管11设置在顶盖1底部的水沙混流层15中，吹沙干管11连通有多个吹沙支管13，每个吹沙支管13上连通有多组吹沙喷嘴16。

PLC控制单元21与潜水泵2、浮子信号器7、浸没式泥沙含量传感器8和管道式泥沙含量传感器6均电性连接。

水动冲沙机构包括穿设在顶盖1上的技术供水管道19，技术供水管道19连通有水动喷头20，且水动喷头20朝向顶盖1的底部。

水轮机机组运行时，渗水通过主轴与固定部件之间的缝隙进入到顶盖1中，渗水携带的泥沙逐渐沉积到顶盖1底部形成泥沙沉积层14将吹沙干管11和吹沙支管13覆盖。当顶盖1内积水水位上升到预设的排水水位时（即潜水泵2启泵水位），浮子信号器7动作并且向PLC控制单元21发出信号，PLC控制单元21控制气动吹沙机构和/或水动冲沙机构将泥沙沉积层14扬起，使泥沙与积水混合均匀。等待一定时间之后PLC控制单元21控制潜水泵2启动，利用潜水泵2就能够将积水和泥沙同时抽出，根据泥沙含量、积水水位、高压水流流速和高压气体流速等几个因素的不同，等待时间也不尽相同，多数情况下等待1min左右即可。直到积水水位下降至停泵水位时，潜水泵2停泵工作，气动吹沙机构和水动冲沙机构均停止工作，随后渗水量增加，水位上升，如此循环。因为水动冲沙装置的射流冲刷范围大、冲击力大，但是无法直接作用到泥沙沉积层14上，冲沙效率低，而气动吹沙机构虽然冲击力小，但是能够直接作用到泥沙沉积层14，吹沙效率高，因此气动吹沙机构和水动冲沙机构运行方式根据来水泥沙含量所决定。具体地说，浸没式泥沙含量传感器8实时地对积水中的泥沙含量进行监测，当积水含量到达排水水位时，PLC控制单元21通过读取泥沙含量数据判断采用气动吹沙机构还是水动冲沙机构，当泥沙含量较低的时候，单独采用气动吹沙机构；当泥沙含量较高的时，气动吹沙机构和水动冲沙机构协同运行。为了实现上述功能，浸没式泥沙含量传感器8需设置于停泵水位的下方的水沙混流层15中，以确保能够持续地监测积水的泥沙含量。

气动吹沙机构具体的工作原理为：供气管道12往吹沙干管11中送入高压气体，高压气体经过吹沙支管13分流后向沿多个方向由吹沙喷嘴16喷出。因为泥沙堆积层覆盖在吹沙干管11和吹沙支管13上，所以喷射出的高压气体在克服深水压力和淤沙厚度所形成的阻力损失后，形成上升气流以“气泡云”形式搅动淤沙，带动泥沙向上运动。

水动冲沙机构具体的工作原理为：外部的高压技术供水系统向技术供水管道19输送高压水流，高压水流通过水动喷头20喷射而出，冲击到水沙混流层15上，促使积水横向顺势流动，加大水流流速，进而增大泥沙分布范围和增强水沙紊动强度。

考虑到不同水电站所处的环境不同，并且不同时期流量和泥沙含量都有所不同，本实用新型中气动吹沙机构和水动冲沙机构均可以采用常开模式或者常闭模式运行。常开模式适用于所处河流泥沙含量较高的水电站或者汛期泥沙含量提高的时期，在常开模式中，气动吹沙机构和水动冲沙机构周期开启，且每次开启的时间较短，通过定时吹动泥沙延缓泥沙的沉积速度，避免泥沙沉积过快侵入到吹沙喷嘴16中造成吹沙支管13堵塞。常闭模式适用于所处河流泥沙含量较低的水电站或者非汛期泥沙含量下降的时期，在常闭模式中，气动吹沙机构和水动冲沙机构按照上述工作流程仅在需要排水时工作，以降低高压水流和高压气体的消耗量，节约运行成本。

将本系统应用于小浪底水电站3#机组作为实验，选取高压气体的压强控制在0.7.~1.0MPa范围之内。实验中，当排气吹沙时出现了明显的“气泡云”，泥沙堆积层中气泡呈上升运动，此处垂向流速明显增大，泥沙易于起动难落淤；当水动冲沙时，水沙混流层15呈横向顺水流运动，流速增大，紊动强度提高，挟沙能力增强。当系统连续工作15min后，90%以上覆盖面积的泥沙通过排水机构排出，仅有少部分泥沙落淤在顶盖1的底部。因此，本实用新型相对常规难以吹起细颗粒泥沙的水力冲刷方式，清淤排沙效果显著，同时可节约大量高压技术供水和减少排水泵的工作负荷；相对于传统的人工清淤方式，排沙清淤过程不需要机组停机，在其他水电行业具有光明的应用推广前景。

此外，考虑到顶盖1预留口“多区域、小开口”的设置方式，在本实施例实际安装应用时，采用在多个供气管道12与吹沙支管13相连接，避免因在吹沙支管13上设置的多组吹沙结构造成的高压气流供气不平衡现象。实际上，顶盖1在生产的时候为了提高结构强度，会在内壁侧设置多条沿高度方向的顶盖立筋26，顶盖1的区域划分也依据顶盖立筋26的位置进行，即相邻两组的顶盖立筋26之间是一个区域。供气管道12可以与顶盖立筋26的数量相等，并且每个区域的供气管道12可以与顶盖立筋26一一对应相连接，从而借助顶盖立筋26对供气管道12进行固定和保护。具体地说，供气管道12通过多个沿长度方向均匀分布的连接件与加强筋相连接，连接件包括一体连接的第一部分23和第二部分24，其中第一部分23套设在供气管道12上，相应的在第一部分23上开设有用于穿设供气管道12的通孔，第二部分24压紧在加强筋上并且与顶盖1的内壁焊接固定，焊缝25对称分布在加强筋的两侧。还可以在通孔内侧设置衬套22，衬套22用于对供气管道12进行进一步地保护。

浮子信号器7和浸没式泥沙含量传感器8具体的设置方式为：顶盖1的内壁上水平固设有固定支架10，固定支架10固定连接有两个向下延伸的支撑杆9，浮子信号器7和浸没式泥沙含量传感器8分别固定设置在两个支撑杆9的下端。进而，浸没式泥沙含量传感器8和浮子信号器7的信号线均通过扎带绑固于支撑杆9上，既能够防止水流波动对浮子信号器7和浸没式泥沙含量传感器8造成破坏，还能够减少水流对浮子信号器7冲击造成的晃动，此外还避免了不同信号线互相缠绕。

由于气动吹沙机构主要是通过形成“气泡云”来吹动泥沙，为了保证“气泡云”的生成速度和吹力强度，吹沙干管11呈圆弧形，多组吹沙支管13与吹沙干管11的内侧连通并且沿吹沙干管11的径向延伸。通过这样的设置，可以避免多股高压气体沿单一方向流动，多股多方向的高压气体互相冲击，可在顶盖1底部形成高速乱流，不仅提高了系统的吹沙效率，同时也削弱了泥沙被吹到顶盖1的边缘后形成的二次沉积。

在本实施例中，每组吹沙喷嘴16的数量为两个，两个吹沙喷嘴16对称设置，且吹沙喷嘴16的尺寸呈模块化不同分布。具体来说，距离吹沙干管11近（远离主轴侧）的吹沙喷嘴16口径小且分布密度高，而距离吹沙干管11远（靠近主轴侧）的吹沙喷嘴16口径大且分布密度低，此时口径小的吹沙喷嘴16中气流压强大，而口径大的吹沙喷嘴16中气流流速低。上述布置有利于“气泡云”的形成及均匀分布，增强吹沙效果，并且能够平衡吹沙支管13内的高压气流流量。

为了进一步提升吹沙效果，吹沙喷嘴16斜向下倾斜设置并且出口统一朝向主轴侧，需要注意的是，吹沙喷嘴16的出口与顶盖1的底部之间应当留有距离，避免高压气体通过吹沙喷嘴16直接喷射到顶盖1底部造成过多的动力损失，以保证通过泥沙堆积层时具有足够的动力。

进一步的，供气管道12位于顶盖1外侧的部分设置有气流电磁阀17，气流电磁阀17与PLC控制单元21电性连接；技术供水管道19位于顶盖1外侧的部分上设置有水流电磁阀18，水流电磁阀18与PLC控制单元21电性连接。高压气流和高压水流统一由PLC控制单元21控制，可以提高控制系统的集成度，进而提升吹沙清淤的效率。当然，也可以分别由外部的技术供水系统和高压供气系统分别控制，可以根据实际情况进行选择。

PLC控制单元21通过IEC协议以以太网方式与上位机监控系统保持通讯，以确保系统能够稳定运行，也可以在PLC控制单元21上增加手动运行/自动运行切换实现远程现地控制功能，属于是本领域的常规手段，不再赘述。

潜水泵2设置为两个，其中一个作为备用，以避免因单个潜水泵2故障造成系统失效。同时，在实际生产中通过增加备用泵启动水位，当水位上升至备用泵启动水位时，备用泵启动工作，提高了系统的抽水工作极限，保障了顶盖1排水系统的安全性。

可以在进水口3设置喇叭形的扩口，提升抽水效率；与之相应的，为了更加精确地控制吹沙清淤过程，浮子信号器7可以由多个子单元组成，分别是从下到上依次设置的停泵水位子单元、主泵水位子单元、备泵水位子单元和报警水位子单元。在材质方面，吹沙喷嘴16优选为黄铜材质，吹沙干管11和吹沙支管13优选为铝合金材质，并且均做耐腐蚀处理。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：包括PLC控制单元(21)、排水机构、监测机构、气动吹沙机构和水动冲沙机构；

所述排水机构包括设置在所述顶盖(1)中的潜水泵(2)，潜水泵(2)的进水口(3)朝向顶盖(1)的底部，潜水泵(2)的排水口(4)连通有抽水管道(5)，并且抽水管道(5)伸出顶盖(1)；

所述监测机构包括设置在所述顶盖(1)中的浮子信号器(7)和浸没式泥沙含量传感器(8)以及设置在所述抽水管道(5)上的管道式泥沙含量传感器(6)；

所述气动吹沙机构包括多个穿设在所述顶盖(1)上的供气管道(12)，所有供气管道(12)共同连通有吹沙干管(11)，且吹沙干管(11)设置在顶盖(1)底部的水沙混流层(15)中，吹沙干管(11)连通有多个吹沙支管(13)，每个吹沙支管(13)上连通有多组吹沙喷嘴(16)；

所述PLC控制单元(21)与所述潜水泵(2)、所述浮子信号器(7)、所述浸没式泥沙含量传感器(8)和所述管道式泥沙含量传感器(6)均电性连接；

所述水动冲沙机构包括穿设在所述顶盖(1)上的技术供水管道(19)，技术供水管道(19)连通有水动喷头(20)，且水动喷头(20)朝向顶盖(1)的底部。

2.如权利要求1所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：所述顶盖(1)的内壁上水平固设有固定支架(10)，固定支架(10)固定连接有两个向下延伸的支撑杆(9)，所述浮子信号器(7)和所述浸没式泥沙含量传感器(8)分别固定设置在两个支撑杆(9)的下端。

3.如权利要求1所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：所述吹沙干管(11)呈圆弧形，所述吹沙支管(13)与吹沙干管(11)的内侧连通并且沿吹沙干管(11)的径向延伸。

4.如权利要求3所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：每组所述吹沙喷嘴(16)的数量为两个，并且两个吹沙喷嘴(16)对称设置。

5.如权利要求4所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：所述吹沙喷嘴(16)向下倾斜设置并且出口朝向水轮机的主轴。

6.如权利要求1所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：所述供气管道(12)位于所述顶盖(1)外侧的部分设置有气流电磁阀(17)，气流电磁阀(17)与所述PLC控制单元(21)电性连接。

7.如权利要求1所述的一种水轮机顶盖吹沙清淤系统，其特征在于：所述技术供水管道(19) 位于所述顶盖(1)外侧的部分设置有水流电磁阀(18)，水流电磁阀(18)与所述PLC控制单元(21)电性连接。

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