水力设计（共12篇）
水力设计 篇1
水力喷砂压裂是20世纪90年代末发展起来的油田增产改造技术。它来源于水力射孔技术与水力压裂技术的融合, 包括水力射孔、通过油管的水力压裂、利用泵送设备沿环空向下注入压裂液3个相对独立的步骤。该工艺已在低渗透油藏开发中得到广泛的应用, 其可以快速准确地进行多处压裂而不需要机械封隔装置, 特别适合用于水平井改造。
一、水力喷砂射孔技术
1. 主要机理。
水力喷砂射孔是将流体通过喷射工具, 将高压能量转换成动能, 产生高速射流冲击 (或切割) 套管或岩石形成一定直径和深度的孔眼。为了达到好的射孔效果, 在流体中加入石英砂或陶粒等, 如图1所示。
2. 技术特点。
(1) 和常规射孔相比, 水力喷砂射孔技术克服了射孔弹的压实作用, 减少了对油藏的污染和伤害。
(2) 套管孔眼、地层孔道直径和深度增大, 可以分别达到16～20 mm, 100～160 mm, 800 mm以上。
(3) 有一定的压裂效应和造缝功能, 提高地层渗流面积。
(4) 一孔的产量相当于炮眼的3～5倍。
(5) 每米一对缝的有效渗流面积相当于127射孔枪30孔/m的渗流面积。
二、水力喷砂射孔参数优化设计
1. 喷嘴选择。
喷嘴是水力喷砂射孔发生装置的执行元件。喷嘴的作用是通过喷嘴内孔横截面的收缩, 将高压水的压力能量聚集并转化为动能, 以获得最大的射流冲击力, 作用于井底岩石上进行破碎或切割, 因此, 其必须要具有较高的流量系数。同时, 喷射过程中喷嘴容易受到砂粒的冲蚀, 所以喷嘴也必须要具有良好的耐磨性。
(1) 喷嘴内部形状选择。喷嘴的几何参数主要有收缩角a、入口和出口过渡形状及倒角的曲率半径、出口直径d和圆柱段长度L。圆锥收敛型喷嘴容易加工, 但射流密集性差。曲线型喷嘴 (指数型、流线型等) 虽然其流量系数大, 能量损失小, 但加工困难。目前连续水射流最常用的一种喷嘴是圆锥带圆柱出口段喷嘴, 其是在圆锥收敛型喷嘴的基础上发展起来的, 增加了圆柱出口段长度, 从而提高喷嘴流量系数。
(2) 喷嘴几何参数选择。工程应用中水射流的基本参数有射流压力、射流流量、流速、功率等。根据理论公式推导, 可得出喷嘴几何参数之间的关系式为:
式 (1) 中, A为射流的出口截面积, mm2;At为喷嘴的出口截面积, mm2;ε为喷嘴截面收缩系数;v为射流出口速度, m/s;vt为射流出口理论流速, m/s;μ为喷嘴的速度系数。
通过计算, 确定喷嘴上部与喷头水眼部分的外径为20 mm, 长度为16 mm, 出口直径为6 mm。
2. 压力、流速。水力喷砂压裂的工作压头为:
式 (2) 中, Η为工作压头, Pa;V为射流速度, m/s;ψ为流速系数。
水力喷射作业时, 喷嘴出口处的射流理论功率为:
式 (3) 中, Q为通过喷嘴的流量, m3/min。Q=Vω。整理可得:
工作压头又可以表示为:H=P/γ。式中, P为工作压力, Pa。所以,
上式证明, 当喷嘴的截面一定时, 喷嘴出口处的射流理论功率W与工作压力P的3/2次方成正比。经试验证明, 当通过喷嘴的流速保持在120 m/s, 工作压力12 MPa以上时, 可以达到较好的切割效果。
3. 喷射时间。
根据试验和理论分析, 对于水力喷砂射孔过程的喷射时间、喷射深度、压力之间存在如下关系:
式 (6) 中, ΔΡ为喷嘴孔眼压差, Pa;ρ为喷射液密度, kg/m3;Q为喷射排量, m3/min;n为喷嘴个数;d为喷嘴直径, mm;Cd为孔眼流量系数;V0为喷射速度, m/s;Lmax为最大喷射深度, mm;Vth为临界喷射速度, m/s;ΔVΡ为在喷射孔处由于回流导致的速度损失, m/s;H为材料的布氏硬度;t为喷射时间, s。
在一定的工作压力下, 当射流达到一定深度后, 继续延长喷射时间是无意义的。喷射时间一般在15～20 min, 液体利用率最高。
4. 含砂浓度。
含砂量越高, 砂粒在单位时间内冲击岩石的次数越多, 切割效果越好。但在一定范围的排量和压力下, 砂粒在较高的浓度时的速度比在较低浓度时的速度低。同时, 过多的含砂量容易引起砂堵, 并在管道内相互碰撞, 相互干涉, 减少有效冲击次数, 从而影响喷射效果。在现场应用时, 应当首先进行模拟试验得出砂粒浓度最佳值从而尽可能地减少浪费。最佳浓度范围为6%-8%。
5. 砂粒直径。
砂粒直径越大, 质量越大, 冲击力越大。一般讲, 砂粒直径取喷嘴直径的1/6为最佳, 确定选用40-70目陶粒或20-40目石英砂均可。
6. 围压。
围压对射流的影响是超乎想象的, 在其他条件完全相同的条件下, 有围压时的射孔深度要大大降低。在实际施工过程中不可避免地存在围压, 这给磨料射孔带来很难困难。如何能尽可能地减少围压的影响将是磨料射流在现场应用效率的非常关键的因素之一。
三、结论及建议
1. 喷嘴是水力喷砂射孔的主要元件, 因此, 喷嘴的优化选择对射孔效率的提高起着至关重要的作用。而喷嘴的选择主要是内部形状和几何参数的选择。
2. 压力、流速、喷射时间、含砂浓度、砂粒直径和围压也是影响射孔的主要因素, 在现场施工前, 应通过实验确定其最佳参数, 从而提高射孔效率。
水力设计 篇2
水力自控翻板闸为厂家定型设计产品，适用于山区河流中的新建、改建及扩建项目，其在我国山区河流中使用，不但降低了水库对库区上游农作物及人畜的淹没损失，节能环保，且在经济投入及运行成本方面性价比很高，其构件耐用坚固、运行管理方便，并且它的稳定性相对尼龙橡胶坝、重力坝等同规模的闸板，稳定性更佳，优点突出。本文结合六甲水电站水力自控翻板闸，阐述了该闸的设计要点及注意事项，为在山区河流中推广使用水力自控翻板闸提供经验借鉴。工程实例
六甲水电站系龙江梯级开发的第 3 个梯级电站，上游有下桥水电站和拔贡水电站，下游3.5km 处为肯足水电站，电站坝址距河池市金城区 22km。水库坝址以上集雨面积 5500km2，总库容为 1980×104m3，是一座以发电为主，兼顾灌溉效益的小型水电工程。该电站为坝后式电站，枢纽主要建筑物包括拦河坝、坝后式厂房、引水管道、开关站及右岸灌溉管，大坝的轴线总长度为 133m，其中溢流段为 77.4m，该坝最大坝高为 40.5m，灌溉管道在右岸非溢流重力坝段埋设，设计灌溉面积为 12000 亩。该电站于1965 年兴建，1968 年开始运行，水轮发电机组是从匈牙利进口，电站机组运行至今已有 40 多年，设备已经超过报废期及带病运行效率低下，再加上机组为计划调配，额定水头和实际不匹配，运行状况不是很好，经过研究决定对该电站进行扩容改造，改造主要为两方面：（1）对原有的大坝两岸非溢流坝进行加高加固，在溢流坝段增设水力自控翻板闸；（2）对原有报废的 1 号、2 号机组进行增容改造。水力自控翻版闸在山区中的应用研究
在我国山区河流中水力自控翻板闸应用研究当中，目前主要研究的方向有以下四个内容：
（1）对水力自控翻板闸工艺设计及其配套的工程设计进行研究，以期可从技术上进一步升级改造。
（2）对水力自控翻板闸的施工技术进行研究，从中找出不足，以针对性进行改进。
（3）对水力自控翻板闸的技术性能、工程造价和同种闸坝工程进行详细对比，找出水力自控翻板闸与其他闸坝工程对比具有的优点及不足，对其中的先进之处进一步加强。
（4）对水力翻板闸在具体应用过程中的管理事项，及管理过程中应该注意的要点进行研究，而加强对该方面的研究，可明显提高水力自控翻板闸在山区河流中的应用效能，避免在应用过程中出现问题。水力自控翻板闸设计要点
4.1 水利自控翻板闸构成目前所使用的水力自动翻板闸的主要构件为闸身、闸基、边墙、进水闸门、防护墩、冲砂闸以及一些配套设施等建筑物所组成，其中闸身是由闸板、支架（包括支墩、支臂、支腿）、钢轨以及滚轮构成，在对闸板和支架进行建设时均需要使用 C30 钢筋混凝土来进行构筑，其中的支臂及所用的滚轮用铸钢铸成，闸板使用螺丝固定在支腿上面，在支腿下部安装钢轨，支墩与支腿之间用支臂连接，闸基上面固定支墩，并且安装滚轮，这样当闸顶部的水位到达需要控制的水位之后，此时因为水压力的原因，闸板支腿上面钢轨和滚轮就会向前滑行，而支臂起到连接作用，并进行翻转开启，当水压力下降时，闸板又会在自身重力作用及水压力的作用下自动关闭。
4.2 翻板闸与平板闸、橡胶坝比较
为控制库区淹没，要求大坝能顺畅泄洪，本工程适合建设平面钢闸门闸坝、翻板闸坝和橡胶坝等 3 种坝型。由于该河段河流含沙量较大，且漂浮物比较多，橡胶坝坝袋容易划破，影响使用；且坝袋在洪水过流，会造成拍打损伤，年维护维修工作量大；平时运行期管理由人工或设备充放水控制坝袋壅高和放瘪，运行管理不方便，故不考虑橡胶坝型，仅对翻板闸坝和平板闸坝坝型进行方案比较。
4.3 布置设计
根据原电站运行水头与机组设备不匹配的情况，增容改造采用在原溢流坝顶加设水力自控翻板闸壅水，即在溢流坝段加设 8 孔水力自控翻板闸，闸门高 3m，每孔宽 9.7m，总宽 77.6m，共布设闸墩 16 个，墩厚 0.3m，门叶厚 0.2m，闸墩底部设锚筋与旧坝体连接牢固(为保证过流断面，在抬高坝前 2 年一遇洪水位，先将原溢流坝顶削低 1m，然后安装水力自控翻板闸)。左、右岸非溢流坝加高加固。
4.4 设计可靠合理
通过收集大量的相关资料及进行细致的调查，对现有资源条件进行详细的分析整合，提出使用水力自控翻板闸来进行电站的改造，改造过程中，新增加装机 11.5MW，并将原有报废的 1 号、2 号机组进行增容改造，尽最大可能的对旧工程的潜力进行挖掘，以更充分的发挥出水资源的综合效能。本次增容改造在各个阶段都依据水利水电工程建设相关规定进行，设计符合相关标准，对水轮发电机组在进行增容改造过程中提出的技术方案，可在进行水力自控翻板闸改造中顺利实现，并且施工安装也较为顺利，安装结束之后，单机运行能超出力 10%，机组运行状况稳定。水力自控翻版闸具备的优势及应用注意事项
5.1 水力自控翻板闸具备的优势
水力自控翻板闸采用我国某公司的定型设计产品，遵循经济、美观、安全、实用的原则。翻板闸具备以下优点：
（1）原理独特、结构简单、制作较为方便、作用良好及运行管理方便，运行成本低；
（2）翻板闸造价相对合理，施工简单，工期短，所需投资仅为普通门的一半左右；
（3）自控关闭及启动精准、运行时稳定性佳，管理较为方便，省力、省事、省时；
（4）门体采用预制结构，仅有支撑部位采用金属结构、维修时方便，维修费用较低；
（5）控制水位，合理利用水资源，节能环保。
5.2 水力自动翻板闸的管理
对于翻板闸的管理，主要有以下三点：
（1）为了确保翻板闸门可在春季凌汛时以免遭受到排冰冲击的损坏，应该按照春季凌汛的实际情况及时打开冲砂闸门，以排泄冰凌，一般条件下在春季凌汛时，应该尽可能减少翻板闸的开启，适当对坝前的防护墩增强强度；
（2）而在冬季进行运作时，则应该在翻板闸门前采用人工破冰等防护措施，以防止翻板闸门打开；
（3）在主要汛期过后，工作人员必须对及时对闸门中漂浮的杂物进行清除，保证闸门的运行安全。
5.3 应用注意事项
（1）在山区河流使用水力自动翻板闸，在对闸址的选取过程一定要注意，保证闸前具有一段较为平直的河道，不能选择在弯曲的河道上，与此同时，河道线应该和闸轴线保持正交，以防止翻板闸由于水流的影响而侧偏进而造成失稳，影响闸门安全运行。
（2）为了防止水流冲刷河岸，必须要采取一定的措施，保证中间的闸门为倒门，并相对减少中间闸底板的高程。
（3）在对水力自动翻板闸门进行安装时，要注意严格控制安装定位准确，锚固稳固可靠，一定要注意控制好闸轴线，如果闸轴线在安装时存在问题，必然会导致闸门在运行时，出现一定的不灵活甚至不能启闭的现象。
（4）所有使用的配件均应该使用钢模，闸板的磨具用槽钢来制作，在加工时，必须在工程平台制作。
（5）不仅仅要保证闸门的形状、尺寸无误差，还应该确保闸门的刚度及强度符合标。
（6）构件连接部分尽可能使用螺栓连接，使得可拆卸自如、灵活方便，并且将变形的误差控制在工程允许范围内。
（7）在具体应用时，一定要注意实地勘测，因为如果河流上游树木、杂草很多，如果出现洪水，必然会使得树木杂草夹入闸门和墩墙间以及闸门和闸板间，造成闸门不能顺利的进行回位。因此应该经常组织人员进行一定的防污措施。结语
（1）山区河流适宜修建水力自控翻板闸坝
山区河流漂浮物多，不宜修建橡胶坝，重力式闸坝工程投资大也不宜修建，宜修建水力自控翻板闸坝，并在水力自控翻板闸坝上游侧设置拦污浮筒，有条件的话，设 1 ～ 2 扇液压式水力自控翻板闸效果更好。
（2）适用于新建、改建及扩建小型水利水电工程
六甲水电站为扩建项目，在溢流坝上加设水力自控翻板闸坝，改善电站运行工况。改建项目，可将原已损坏的橡胶坝拆除改建水力自控翻板闸坝。新建项目，采用水力自控翻板闸坝结合液压式水力自控翻板闸坝，效果更好。
（3）符合节约资源环保的要求，充分发挥水资源效益
在扩建及改建项目在现有工程设施基础上，在不增加水库淹没条件下，通过加设水力自控翻板闸，提高了电站发电运行水头，在尽可能利用原有设施情况下，通过更换和改造已超期服役的机电设备，完成电站增容，在不另增加水资源的条件下，提高了电站出力，更充分的发挥了水资源效益，实现节约资源、环保和更充分利用水资源的目标。
（4）为机组增容改造小水电项目提供了成功经验借鉴
觉醒,肌肤自我造水力 篇3
流行必备：
在非洲极干旱的沙漠中，有种神秘而古老的植物——复活草，它能在本身丧失水分高达98％的情况下，依然神奇生存数十年，而当雨季再一次降临，就能迅速储水、奇迹生长，并回复绿色原貌。Origins就将这种来自大自然的扭转乾坤的保湿赋活能量，赋予了我们的肌肤。
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其实，单纯补水不能阻止肌肤从内部流失水分，只有提升肌肤自身的造水力，源源不断地由肌肤内部合成水分，同时于肌肤内部建立蓄水库，储备水分最后强化天然角质层水分屏障，把水分牢牢锁住。这才是真正告别干燥、持续改善肌肤水分供给之道。而植村秀深海养护系列，就能以深海水疗之力，为你养育出透明感美肌。
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In：神经保湿学
我们发现亚洲女性最为关心的四大美丽困扰其实是外界压力、情绪波动、环境污染以及睡眠不足。因此，要想重获细腻清新的水润容颜，就必须舒缓肌肤内外压力，为其筑造起自然清新的保温防御系统。
Out：闷重感
水力发电工程消防设计探讨 篇4
1 水电工程消防总体思路
水力发电厂一般设置在山区,虽然也是工业生产建筑,但由于生产工艺的特殊要求,与普通工业民用建筑有很大区别,国家相关规范的要求也不够明确。例如,根据水力发电厂的运行、检修要求,主厂房发电机层、水轮机层、蜗壳层均不能以防火墙或其他设施进行防火分隔,主厂房从上到下、四层(甚至可能是六层)的竖向空间全部贯通,楼层之间楼梯的位置也不容易做到完全一致,多采用开敞楼梯,横向、纵向都无法按现行规范划分防火分区;有的水电地下厂房深藏在山体之内,距山顶的垂直距离二、三百米,通过出线洞、通风洞等水平线路也要几千米才能到达山外;有的进厂交通洞可能长达数千米,加之距离城镇较远,远远超出消防站保护范围,这些情况对于地下厂房的人员疏散、烟气排放、灭火救援都极为不利,给其消防安全设计带来很多困难,简单套用其他工业建筑的防火规范也行不通。
因此,考虑水力发电厂火灾防控工作时,必须根据生产的实际需要,准确、合理地划分防火重点部位,加强防火重点部位的火灾防控措施,有效地控制可能致灾的火源,做到既不干扰水力发电厂的正常生产运行,又能实现预防火灾且能依靠水力发电厂内部的消防设施及时处置初起火灾、安全疏散内部人员的整体安全目标。这就要求在考虑水力发电厂消防设计时,要把握“建筑设计适度从宽、消防设施适度从严”的原则。如对主厂房的防火分区可以不作限制,但对其中火灾危险性大的部位和场所,要加强防灭火设施的设置;人员的安全疏散满足不了通常意义上的疏散时间、疏散距离要求,可以考虑突破常规方式,以安全、便捷、快速转移人员为目标,加强应急照明、防排烟系统等措施来提升疏散线路的安全性等。其他的消防系统,如水灭火系统、防排烟系统等消防设施的设置,也要根据水力发电厂的实际情况具体实施。
水力发电厂厂房内装设有水力机械设备、电气设备及相应配套设施,其中部分设备和设施具有一定数量的可燃物质,如油浸式电力变压器、油系统、油开关、充油高压电缆等都有油类物质,一旦发生设备事故或人为过失而引起火灾,由于燃烧时的高温气流和强烈热辐射的作用,将使大火蔓延扩散,波及相邻设备或建筑物,造成设备和建筑物的毁坏,甚至人身伤亡、全厂停电等严重事故。因此,要根据不同建筑、设备的火灾危险特性采取相应的防火措施。一般发电机层、水轮机层、主变洞(室)、透平油库、绝缘油库、配电建筑是水力发电厂消防设计的重要部位,这些部位的防火保护是否有效,火灾监控是否灵敏,灭火设施配置是否合理,对于及时发现火警、迅速处置水电厂初起火灾至关重要。
水电工程消防总体思路是:以发电、变电和配电建筑物为中心,以发电机、油浸式变压器、电缆廊道、油库、开关站等火灾危险性大的机电设备为重点,结合水电生产实际,通过加强对重点设备的防灭火措施弥补建筑防火条件的不足,提高建筑整体抗御火灾的能力。
2 大型水力发电厂有关安全疏散问题及对策
2.1 超长出线竖井的垂直疏散距离问题
大型水力发电厂多位于深山峡谷的山体中,有的出线竖井深达二、三百米。虽然水电防火规范规定“厂房出线或通风用的廊道及竖井出口可作为通至室外地面的安全出口”,工程设计中一般也在出线竖井中设置了防烟楼梯间,但实际上,让厂房内需要疏散的人员爬数百米高的楼梯到达室外,对体力是极大的考验,在火灾情况下更不现实。
大型地下水力发电厂出线竖井中一般设有消防电梯,而进厂交通洞又普遍较长,出线竖井中的消防电梯是从地下厂房到地面最直接、最快速的固定设施,通常也是人员平时进出电厂的主要通道。虽然按照现行国家工程设计防火规范的相关要求,消防电梯在火灾时不作为人员疏散设施,仅供消防队员灭火救援使用,但在民用建筑领域,已经有不少单位开展了火灾情况下使用电梯进行高层建筑人员疏散的可行性研究。
实际上,地下厂房超长出线竖井中的消防电梯,一般只有底部局部几层和顶部的停靠站,电梯竖井中间没有其他开口,消防电梯对竖井构件的耐火极限、防烟前室、动力和控制线路、用电负荷等级都有明确的要求,安全等级较高。如果能对地下厂房通往出线竖井的连接廊道进一步加强防烟措施,如将廊道与厂房的连接处、廊道与消防电梯前室或合用前室连接处分别设置具有自闭功能的甲级防火门,形成防火隔间,对防火隔间、消防电梯前室分别正压送风,并保证消防电梯前室的余压高于防火隔间的余压,确保火灾时出线竖井消防电梯底部区域不被烟气侵入。在这样的条件下,大型地下水力发电厂利用消防电梯疏散内部人员,应该是解决超长出线竖井垂直疏散距离问题的有效方式,既安全可行、又经济快捷。
用消防电梯作为疏散设施时,对消防电梯的运行速度可以视具体情况而定,因为国家防火规范中关于“消防电梯的行驶速度,应按从首层到顶层的运行时间不超过60 s计算确定”的要求,在地下水力发电厂工程中可能无法实现。
2.2 超长进厂交通洞的水平疏散距离问题
水电防火规范中虽然明确了“进厂交通洞的出口可作为直通室外的安全出口”,但对进厂交通洞的安全要求却没有具体的规定。在大型地下水力发电厂的工程实践中,有的进厂交通洞长达几百米甚至几千米,靠人员步行通过进厂交通洞到达出口的时间可能需要十几分钟甚至更长,这些情况下,进厂交通洞不能简单地一概视为“直通室外的安全出口”,必须对其消防安全条件进行具体分析,强化必要的消防安全措施。
根据荷兰及欧洲的有关研究,250 m为隧道初期火灾逃生人员在烟雾浓度未造成影响的情况下逃生的最大距离。考虑到进厂交通洞在设计上作为地下水力发电厂的主要安全通道,人员疏散线路是从厂内到洞外的单一方向。因此,建议对超过250 m的进厂交通洞强化隧洞自身的消防安全设计,一般来说,主要从隧洞耐火极限、人车分流、烟气流动控制和应急照明几个方面考虑。
进厂交通洞内承重结构体应满足一定的耐火极限要求。混凝土结构受热后,由于产生高压水蒸气而导致表层受压,使混凝土产生爆裂。当混凝土的质量含水率超过3%时,肯定会发生爆裂现象。当充分干燥的混凝土长时暴露在高温下时,混凝土内各种材料的结合水将会蒸发,从而使混凝土失去结合力产生爆裂,最终会一层一层地穿透整个隧道的混凝土拱顶结构。这种爆裂破坏严重影响人员逃生,使增强钢筋暴露于高温中,产生变形从而垮塌。超长交通洞由于人员疏散时间相对较长,内承重构造体的防火保护更为必要。参照《建筑设计防火规范》中的相关内容,大于250 m的进厂交通洞,内承重结构体的耐火极限不应低于1 h,大于750 m的进厂交通洞,内承重结构体的耐火极限不应低于1.5 h。
进厂交通洞作为人员和车辆共用的通道,火灾时,救援车辆与疏散人流的通行方向正好相反,为确保撤离人员和救援车辆的通行安全,有必要对交通洞设置固定人车分隔设施,车行疏散通道的净宽度不应小于4 m,净高度不应小于4.5 m;人行疏散通道净宽度不应小于2 m,净高度不应小于2.2 m。
进厂交通洞应考虑排烟措施。建议不超过250 m的进厂交通洞可以采用自然排烟的方式,利用主厂房内设置的通风系统,使交通洞与主厂房连接处具有流向厂房内的气流,断面风速不小于1.5 m/s为宜。超过250 m的进厂交通洞应设置机械排烟系统,可以与隧道的通风系统合用,采用纵向通风方式时,应能迅速组织气流有效排烟。长隧洞或者交通洞口标高高于厂房安装间地面标高时,由于烟气流动情况复杂,可以通过模型试验、模拟分析等方式根据现场具体情况确定排烟方案,宜使烟气流动方向与人员疏散方向相反。
进厂交通洞应提高应急照明照度,宜按正常照明的照度设计,最低水平照度不应低于5.0 lx。
进厂交通洞的消防给水设计应综合考虑交通洞内的交通组成、自然条件、长度等因素确定,厂房入口处40 m范围内应设置室外消火栓,消火栓的设置应便于消防车取水且不得影响交通。
由于进厂交通洞是地下厂房的主要疏散通道,一旦发生火灾将严重影响人员疏散和消防扑救。因此,超过250 m的进厂交通洞应设置室内消火栓,消火栓的间距不宜大于50 m。
3 特殊防烟措施
在大型地下水力发电厂中,往往在超长出线竖井中同时设计有防烟楼梯间和消防电梯,作为厂房第二安全出口。按照现行技术规范要求,防烟楼梯间和消防电梯前室需要设置正压送风系统,起到防烟的作用。但在实际工程中,设置的防烟楼梯间和消防电梯一般仅在竖井底部,对应于厂房的楼层位置设置连通厂房的前室和防火门,即垂直高度达几百米的防烟楼梯间和消防电梯,仅在底部的局部几层设有开口供人员进出。当然,厂房内发生火灾时,也存在烟气由这几处开口窜入楼梯间或消防电梯前室的可能。
对超长出线竖井中的防烟楼梯间及消防电梯前室进行正压送风时,考虑厂房的结构特点,可以考虑采用局部加压送风的方式:即对连通厂房的合用楼梯间前室设置正压送风口,对防烟楼梯间底部设有出口的部分,按照规范要求设置正压送风口,同时对与其相接的上部楼梯间再加设2～3个送风口,按自然楼层每隔2～3层设1个正压送风口,或者按垂直高度每隔6～9 m设1个正压送风口,对防烟楼梯间的其他部分,不再设置送风口。这样,既能保证火灾时防烟楼梯间底部前室的门洞处,相对于厂房能够保持局部的正压,起到防烟作用,也能减少工程建设量,节约投资。图1所示为某地下水力发电厂房剖面示意图。该工程主厂房255 m(长)×31 m(宽)×85.5 m(高),利用进厂交通洞和主变洞的高压电缆竖井作为安全出口。高压电缆竖井通至地面出线平台的垂直距离为230 m,在竖井中设有楼梯和消防电梯。
该设计中,将消防电梯也考虑为疏散设施,只是对消防电梯的运行速度不作限定。由于楼梯间只有底部和顶部的出口,设计中结合竖井检修的需要,考虑在检修部位设置适当的休息平台。另外,从实际出发,对楼梯间的正压送风系统采用局部加压送风的方式:只对连通主变洞的楼梯间底部设有出口的部分按照规范要求设置正压送风口,同时对与其相接的上部楼梯间再加设2～3个送风口,对防烟楼梯间的其他部分不再设置送风口。
4 母线洞的消防分隔措施
在大型地下水力发电厂中,母线洞常常也是主厂房与主变洞的连接通道,可能根据功能需求,分层作为母线廊道,布置励磁变压器、开关柜、高压厂用变压器等设备的电气夹层,以及电缆道等。在水力发电厂的建筑设计中,一般对主厂房防火分区不作限制,但对主变压器室,要求采用防火隔墙和甲级防火门与其他区域分隔,因此,在母线洞与主厂房、主变洞(室)的连接处应尽可能在建筑结构上进行防火分隔,可以针对母线洞的功能分层情况具体考虑。
一般母线廊道内能看到的只是封闭的母线管筒,其火灾危险性与母线管筒内设置的电力电缆类别密切相关。采用充油电力电缆的廊道,火灾危险性为丙类;采用干式电力电缆的廊道,火灾危险性为丁类,起火的可能性大大降低。
由于母线的布置需要,在母线廊道与主厂房、主变室的连接处往往不能采用防火隔墙和防火门的方式进行防火分隔,但比较母线廊道两端连接的两部分,主变洞(室)的火灾危险性比主厂房更大,因此,着重加强母线廊道靠近主变洞(室)一侧的防火控烟措施更为重要。例如,考虑到水力发电厂主变室(洞)的层高都较大,且母线廊道和主变洞(室)的顶部都设有通风设施的情况,在母线廊道与主变洞(室)的连接处设置一定高度的挡烟垂壁,就能在一定程度上控制主变洞(室)的烟气流动,减少主变室发生火情、烟气通过母线廊道向主厂房蔓延的危害。
母线洞内的电气设备夹层和电缆道等,与主厂房、主变洞(室)的连接处一般都可以用防火隔墙和防火门的方式进行分隔,以降低洞室之间火势蔓延的风险。
摘要：通过分析水电工程消防工作重点,提出其消防总体思路,并针对大型地下水力发电厂消防设计中容易出现的疏散、防排烟、防火分隔问题分别进行探讨。
关键词：水力发电,安全疏散,烟气流动
参考文献
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[6]潘黎鹂,陈涛.人员疏散研究方法探讨[J].消防科学与技术,2010,29(3):214-217.
水力学课程总结 篇5
第一章 绪论
1、掌握基本概念：流体、粘性
2、了解连续介质模型
3、掌握牛顿内摩擦定律
4、理解作用于液体上的力：质量力和表面力，什么是单位质量力 第二章 水静力学
1、掌握静水压强的两个特性
2、掌握等压面概念、特性及判别
3、熟悉水静力学基本方程及其基本概念
4、掌握压强的表示方法：相对压强、绝对压强、真空度（值）
6、熟悉作用在平面上的静水总压力的计算
7、了解作用在曲面上的力的计算、压力体概念 第三章 水动力学基础
1、拉格朗日法和欧拉法
2、了解欧拉加速度组成：当地加速度和迁移加速度
3、流线、迹线的性质
4、均匀流、渐变流及其基本特性
5、熟悉伯努利方程、连续性方程，6、皮托管测速
7、了解动量方程
第四章 水头损失
1、沿程水头损失（与长度成正比）和局部水头损失的特点
2、掌握层流与湍流的判别：下临界Rec
4、掌握圆管层流、湍流运动的特点
5、掌握圆管层流hf与v的关系（λ=64/Re）
6、掌握圆管紊流hf与v的关系（尼古拉斯曲线5个区）特点
7、掌握突然扩大管的局部阻力系数计算
8、了解边界层及边界层分离现象
第五章 有压管道的恒定流动
1、熟悉薄壁小孔口和管嘴自由出流、淹没出流的计算
2、掌握管嘴恒定出流正常工作的条件及其特点
3、掌握基本概念：长管、短管及其计算
4、串联、并联管路的特点。并联管路各支路沿程水头损失相等 第六章
明渠恒定流 明渠流动的特点
明渠均匀流的水力特征与发生条件 明渠水力最优断面和允许流速
题型
一、选择（15*2分=30分）
二、判断（10*1分=10分）
三、问答题（2*10=20分）
四、计算题（3题40分）
思考题库
欧拉法和拉格朗日法有何不同？ 水文站采用定点测速研究流动用的是哪种方法？
试用伯努利方程分析说明：“水一定是从高处向低处流”这种说法是否正确？为什么？
层流和紊流各自有什么特点？如何判别？ 明渠均匀流的水力特征是什么？ 均匀流及渐变流过水断面有哪些特性？
均匀流与断面流速分布是否均匀有无关系？
圆管层流与紊流的沿程阻力系数各自与哪些因素有关？
“渐变流同一过流断面上各点的测压管高度等于常数”，此说法对否？为什么？ 湍流研究中为什么要引入时均概念？湍流时，恒定流与非恒定流如何定义？ 流线有哪些主要性质？在什么条件下流线与迹线重合？
如图所示，（a）图为自由出流，（b）图为淹没出流，若两种出流情况下作用水头H、管长l、管径d及沿程阻力系数均相同。试问两管中的流量是否相等，为什么？
HHl,d,λl,d,λ 水力最优断面有何特点？它是否一定是渠道设计中的最佳断面？为什么？
水力永磁致热装置 篇6
那么，旋转的磁铁是否能使金属板发热？一个简单的实验验证了我的设想，于是开始着手对水力永磁致热装置进行设计。我把水力永磁致热装置分成水轮机、增速齿轮箱、永磁致热装置等三部分。
这个装置的工作原理是这样的：利用喷嘴将高压水管引入的水形成一股坚实的射流，冲击转轮上的斗叶，使转轮转动作功，通过增速齿轮箱，水轮机输出的转速得到进一步的提高，从而带动磁铁盘转轴转动。磁铁盘转动做功产生热能，使陶瓷片上的铁锅或金属热水器发热，从而能煮饭做菜或产生热水。
通过实用效果实验测试，证明我的设计是可行的，水力的确能直接转化为热能，磁铁的旋转也确实能将动能转化为热能。
（本设计获2011年广西青少年科技创新大赛一等奖）
肘形进水流道优化水力设计研究 篇7
1 建模
1.1 实体建模
本文三维数值模型包括肘形进水流道、流道进口段、叶轮室以及流道出口直管段。
本文主要研究肘形进水流道内的水力性能, 没有设置专门的出水流道, 只在叶轮出口设置一段出口直段, 不讨论出水流道内的流场。表1 为模型几何尺寸参数表, 其中叶轮直径D为300 mm, 文献[1]推荐出口锥角为0°, 图1 为肘形进水流道型线图及装置三维透视图。
根据肘形进水流道运行条件及前人的研究成果[1], 数值模拟计算时通常将流道设置为淹没进流, 接近泵站正常运行。同时前池水位变化只影响流道入口处水流的分布情况, 对水泵叶轮室进口水流没有影响, 叶轮室进口水流受流道弯曲段的影响较大[2]。
本文在计算时考虑前池水位比流道进口高0.5 m。
1.2 模型网格划分
对肘形进水流道及流道进、出段采用结构化网格划分, 保证计算精度, 叶轮、进出水管道网格密度适中。
2 叶轮对流道水力性能的影响
为了说明肘形进水流道叶轮进口水流是否受叶轮旋转的影响, 本文针对图2 中的5 个断面, 计算不带叶轮时各个断面的流速分布均匀度和速度加权平均角, 分析与带叶轮时的差异 (见表2) 。
由表2 的计算结果可知, 不带叶轮计算时5-5断面的流速分布均匀度为92.22%, 速度加权平均角度为84.61° ;带叶轮计算时5-5 断面的流速分布均匀度为90.07%, 速度加权平均角为83.66°, 与不带叶轮相比分别相差2.15% 和0.95°。流道水力损失在带叶轮计算的情况下略小, 是由于叶轮旋转引起的水流预旋[3]增加水流的动能, 所以水力损失有所减小。
计算结果表明, 叶轮旋转使叶轮进口断面的水流发生预旋, 从而对叶轮进口断面的流速分布均匀度和速度加权平均角产生一定影响, 使流道水力损失影响较小。从流场分析的角度看, 在计算时需要考虑叶轮的影响[3], 所以本文的后续研究均为带泵计算。
3 隔墩长度对进水流道水力性能的影响
在大型泵站肘形进水流道中设置进水流道隔墩改善流道顶板、底板的受力条件, 起到一定的整流作用, 但会增加流道的施工难度。隔墩对进水流道水力性能的影响在以往的研究中比较少见, 并没有引起足够的重视。
为此, 研究不同的隔墩长度对大型泵站肘形进水流道水力性能的影响规律, 在流道内设置1 个进水流道隔墩 (见图3) 。在计算时, 设置隔墩长度与流道长度的比值 λ 分别为0、0.3、0.5、0.8, 计算结果见表3。
由表3 可知, 随着隔墩长度的增加, 叶轮进口断面流速分布均匀度、速度加权平均角均先增加后减小, 流道水力损失随着隔墩长度的增加而增加。
在肘形进水流道内加入隔墩后对流道的水力性能产生一定的影响, 当隔墩过长 (λ=0.8) 时, 直线段的过流面积不断减小, 流速加大, 使得流道的水力损失迅速上升, 隔墩过长还影响弯曲段内的水流, 使得流速分布均匀度和速度加权平均角度都突然下降, 由此可见肘型进水流道中的隔墩长度不宜过长。
4 肘形进水流道几何参数优化研究
4.1 流道名义高度的影响
流道名义高度优化设计研究选用的计算范围为1.5D ~ 2.0D。优化方案的设计参数见表4, 肘形进水流道名义高度对目标函数及流道水力损失的影响见表5。
计算结果表明:叶轮进口断面的流速分布均匀度、速度加权平均角随着流道名义高度Hw增加而增大, 流道水力损失随着流道名义高度Hw增加而减小。随着Hw的增加, 肘形进水流道水力性能变化趋于平缓。
在肘形进水流道弯曲段内, 水流在转向的过程中受到离心力的影响, 流道内侧流速大, 外侧的流速小, 水流需要一定的空间进行调整才能在叶轮进口处顺直、均匀地分布。Hw的增大意味着流场调整的空间越大, 流态的调整效果越好, 但是随着Hw的加大, 泵站整体开挖深度越大, 所需的土建投资就越大, 所以在泵站的设计过程中Hw的选值对整个泵站设计有着很大的影响。综合上述因素, 建议Hw的取值范围为1.7D ~ 1.9D比较合适。
4.2 流道进口宽度的影响
GB 50265—2010《泵站设计规范》中的有关条文推荐B的取值范围为2.0D ~ 2.5D[4], 优化方案的设计参数见表6。
根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能的指标汇总于表7。
计算结果表明:叶轮进口断面的流速分布均匀度、速度加权平均角和流道水力损失受流道进口宽度的影响较小, 流道宽度的选择还需要兼顾土建投资, 不能盲目地加大。
4.3 喉管高度的影响
GB 50265—2010《泵站设计规范》中的有关条文推荐喉管高度Hk (肘形进水流道肘弯部的高度) 的取值范围为0.8D ~ 1.0D[4], 优化方案的设计参数见表8。
根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能指标汇总于表9。
由计算结果可知:在计算范围内, 随着喉管高度Hk的增加, 叶轮进口断面流速分布均匀度和速度加权平均角均呈下降趋势, 而流道水力损失则随着Hk的增大而略有增加。这是由于喉管高度的减小加大弯曲段立面方向的空间, 使水流得到更充分的调整, 因此建议肘形进水流道喉管高度不应过大。
4.4 流道底边线倾角的影响
GB 50265—2010《泵站设计规范》中规定 β的取值≤ 12°, 选用的计算范围为0° ~12°, 优化方案的设计参数见表10。
根据三维进水流道数值模拟计算得到各方案流道水力性能指标汇总于表11。
由表可知:在计算范围内, 随着 β 的增加, 叶轮进口断面流速分布均匀度和速度加权平均角均略微有所减小, 流道水力损失稍有增加。流道底边线β 改变对肘形进水流道水力性能略有影响。
5 导叶叶片数不同的影响
导叶叶片的数量会影响叶栅稠密度, 改变摩擦阻力与排挤系数, 进而影响泵装置的效率, 所以它的选择需要考虑泵装置的整体。根据三维数值模拟计算得泵装置的水力性能指标 (见表12) 。
由计算结果可知, 导叶叶片数不同对泵装置的水力性能有一定的影响, 7 片导叶的泵装置与5 片导叶的泵装置的扬程和效率相差不大, 但水头损失相差较大, 最大为0.2 m。因此, 在实际泵站工程中应综合考虑各方面合理选择导叶叶片数量, 防止造成过大的水头损失。
6 结语
本文采用数值模拟方法分析水泵叶轮、进水流道隔墩以及进水流道几何参数对流道水力性能的影响。本文结论与江都三站模型实验研究成果一致, 通过模型实验更好地验证本文计算成果的准确性, 因此采用数值模拟方法研究肘形进水流道是可行的, 同时本文对今后设计也具有一定的参考价值。
参考文献
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水力压裂课程设计存在问题及思考 篇8
本文以长江大学石油工程学院课程设计中水力压裂设计为例, 通过阐述设计意义、罗列设计内容、剖析存在问题、提出改进措施等系列过程,紧密结合新技术发展现状和热点问题,让学生掌握技术机理、设计过程与现场应用情况。
一、课程设计意义及内容
近年来,非常规油气资源开发成为石油行业的热点,水力压裂是其高效开发的关键技术之一。通过水力压裂工程课程设计,联系实际工程背景,灵活运用所学的专业知识和技巧,解决实际问题, 增强实际工作能力,为顺利走向工作岗位打下坚实基础[2]。
水力压裂设计的原则是最大限度地发挥油层潜能和裂缝的作用,使压裂后的生产井和注入井达到最佳状态,依据选择的设计思路,开展选井选层、收集地质与生产资料、施工参数设计与计算、 经济评价等相关研究工作。
二、存在问题
1. 教材内容陈旧。国内石油院校开展石油工程设计比较早,一般采用教师讲解和辅导答疑方式。水力压裂裂缝起裂与延伸机理的知识体系比较陈旧。学生根据参考书或课程设计教材即可按部就班的完成设计,显然这样可降低教师的指导难度,保证短时间内完成设计,提高学生设计效率[3]。但目前非常规油气资源多数采用复杂缝网压裂技术手段进行开发,课程设计中与之相差甚远,没有与热点技术衔接。
2. 学生主动学习能力差。在水力压裂工程设计中的已知参数和设计要求基本上都已给出,缺少训练学生如何获取和加工原始数据的思路和方法[3]。同时水力压裂课程设计安排在大学四年的最后一学期的刚开学阶段,部分学生一定程度上准备和重视程度不够[4],加之平时在理论课学习过程中投入不足,反映出对部分概念、基本理论与方法不熟悉或不清楚,如铺砂浓度与加砂浓度的混淆,砂比的概念不清楚。这些学生遇到不清楚的概念或方法,大多直接寻问辅导老师,缺乏主动查阅教材或参考书、论文的能力。
三、处理对策
1. 教材编排与教法。课程设计是学生综合运用所学课程知识的载体,与工程背景下的热点技术相结合,使理论教学和实践教学相互交叉、相互渗透。页岩气非常规资源的水平井分段压裂技术是热点,应尽早引入水力压裂工程设计的编排,使学生在实际锻炼中得到提高和培养。
在课程设计思想上,鼓励学生进行多途径思考,全方位构思, 多选择设计方案。譬如分别采用两种典型的人工裂缝模型进行设计,完成设计后,再让学生间相互交流,激发学生创新欲望。
2. 提高教师专业素质。课程设计的开展即可提高学生综合应用知识的能力,又能增强教师工程素养能力。
随着水力压裂理论和技术的发展,课程设计中逐渐出现了一些新 “问题”,如学生会提出目前主流技术及最新技术与传统技术的异同、压裂设计中单一对称裂缝与体积压裂缝网的区别等等。另外,指导教师工程实践经验不足,指导能力不够,尤其是青年教师对于一些涉及现场实际的内容,指导不上去[5]。同时从学生反映情况来看,个别指导教师责任心不强,指导不到位、不及时,没有指出设计中出现的具体问题,没有批改痕迹。
因此,要根据课程设计的教学内容建立一支完整的教师队伍, 要求教师具有丰富的知识内涵和广阔的实践经验[6,7]。
3. 严格考核方式。课程设计考核内容应包括辅导出勤率、学生主动交流与学习情况、设计报告三部分[8]。
指导教师应坚持每天跟踪课程设计进展并集中答疑与考勤,考察学生出勤率,重点检测学生活学活用方法,针对思维活跃的学生应给予一定的附加分值,为准确、全面、合理评价学生提供依据, 为成绩评定准备参考指标[9]。设计报告主要看是否完成设计任务、 书写是否工整、设计结果是否合理、设计内容是否囊括基本要求。
结论: 课程设计是在高年级学生系统学习专业知识后,对理论学习的补充环节,是考察学生综合运用所学知识能力的有效手段。 通过分析水力压裂课程设计中存在的问题,从 “教与学”两方面针对性地提出处理对策,并结合工程热点问题,对课程设计的改革提出建设性指导意义。
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越南安科水电站水力机械设计 篇9
安科 (An Khe) 水电站位于越南中部BA河干流上游, 以发电为主要开发目的。电站为引水式开发, 工程枢纽由大坝、溢洪道、进水口、引水隧洞、调压井、压力钢管、发电厂房、开关站、尾水渠等组成。电站主厂房为地面式, 厂房内装设2台80 MW混流式水轮发电机组及附属设备。电站主要特征参数为:最大水头377.50 m, 加权平均水头372.60 m, 额定水头357.00 m, 最小水头356.00 m, 装机容量2×80 MW, 多年平均发电量6.38×108 kW·h, 保证出力31 MW, 年利用小时数3 988 h。电站以两回220 kV出线接入越南国家电网, 其中1回至Pleiku变电站, 1回至Quy Nhon变电站。
安科电站由越南国家电力公司第七水电开发公司投资建设, 四川东方电力设备联合公司负责本项目机电设备总承包, 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院负责本项目机电部分设计工作。
目前, 安科水电站已全部建成, 2台机组分别于2011年7月、2011年10月投入商业运行, 经历了常规发电、调相运行等全部运行工况的考验, 运行情况良好。
2高水头、高转速混流式水轮发电机组
2.1 机组技术参数及运行特点
安科水电站装设2台混流式水轮发电机组, 其中水轮机由上海福伊特水电设备有限公司设计制造, 发电机由东方电气集团东方电机有限公司设计制造, 机组主要技术参数见表1。机组主要运行特点如下:单机容量80 MW, 额定水头357 m, 最大水头377.5 m, 额定转速500 r/min, 属高水头、高转速、大容量混流式水轮发电机组;机组具有转轮下拆要求;机组具有调相运行要求。
2.2 水轮机主要结构特点
水轮机为立轴混流式, 由转动部分、埋入部分、导水机构、水导轴承及主轴密封等组成。水轮机总体设计充分考虑了高水头、高转速、多泥沙的特点, 并采用了转轮下拆方式, 转轮、底环、基础环、尾水锥管可从尾水管进人廊道处拆出。
(1) 转动部分:
转轮为长、短型叶片 (叶片数为15+15) 结构形式, 采用抗磨蚀性能和焊接性能良好的不锈钢材料ASTM A743 GA6NM制成, 为整体铸焊结构, 叶片采用数控机床加工。转轮标称直径2 518 mm, 出口直径1 555.2 mm。主轴采用ASTM A668 Gr.D锻制而成, 主轴采用中空结构, 外法兰型式。主轴与转轮采用螺栓联结、销套结构, 与发电机轴采用销钉螺栓传递扭矩。
(2) 埋入部分:
座环采用无蝶形边钢板焊接结构, 环板采用抗撕裂钢板。金属蜗壳包角345°, 采用焊接性能好的WDB620钢板制成, 数控切割机下料。蜗壳设计压力为4.73 MPa, 蜗壳在制造厂内与座环焊接成整体后进行水压试验, 试验压力为7.1 MPa, 试验完成后整体运往工地。尾水管为弯肘形, 锥管和肘管均为钢板里衬, 材料为Q235B。座环和尾水锥管为法兰连接, 不浇入混凝土中。尾水锥管下段设有1个伸缩节与肘管连接, 可以防止来自水轮机的垂直方向的力传至尾水肘管和基础。在尾水锥管上设置有调相压水气管接口及调相水位信号器接口, 调相压水及维持用气气源均取自电站6.3 MPa压缩空气系统。
(3) 导水机构:
导水机构由活动导叶、控制环、锁锭、接力器、顶盖、底环等组成。活动导叶采用ASTM A743 CA6NM不锈钢材料, 导叶数为22个, 导叶分布圆直径为2 842 mm。导叶具有3个支承轴承, 轴套采用自润滑复合材料。导叶密封型式 (轴径) 为机械接触密封。接力器为直缸液压活塞式, 材料为Q345B+Q235B, 接力器开启/关闭容量为13 kN·m, 活塞缸直径为250 mm, 行程为150 mm, 额定操作油压为6.3 MPa, 最低操作油压为4.5 MPa, 操作用油采用ISO VG46汽轮机油。顶盖采用钢板焊接结构, 材料为Q235B, 外径3 520 mm。顶盖排水设有蜗壳鼻端自流排水和排水泵排水两种形式, 顶盖排水泵采用2台潜水泵, 其中1台备用, 由水位报警控制器自动控制。
(4) 水导轴承:
水导轴承采用油润滑分块瓦式轴承, 轴瓦采用巴氏合金材料, 轴承冷却采用自循环内置冷却器方式, 冷却器管采用不锈钢管材料。轴承润滑油采用ISO VG46汽轮机油。
(5) 主轴密封:
主轴密封采用轴向静压式密封, 密封腔压力0.8～1.0 MPa, 主轴密封冷却水水源取自进水球阀前压力钢管。检修密封为充气围带式结构, 充气压力为0.5～0.8 MPa。
2.3 水轮发电机主要结构特点
水轮发电机为具有上、下两个导轴承的立轴悬式结构, 采用密闭自循环空气冷却通风系统。
(1) 定子:
定子由定子机座、铁芯和绕阻等组成。定子机座分2瓣, 采用有上、下环板的钢板焊接结构, 下环板安装于定子基础板上。定子铁芯采用0.5 mm厚的高导磁、低损耗优质硅钢片叠压而成, 铁芯全长1 875 mm, 设计内径Φ3 600 mm。由于受运输条件的限制, 定子被分成两瓣, 定子铁心的叠片和定子下线均在厂内进行, 工地组圆后进行合缝下线和铜环装配。定子绕组为条形波绕组, 采用单支路星形波绕组结构, 定子线棒接头采用银铜焊接, 线棒端箍采用非磁性材料。
(2) 转子:
转子由转子中心体 (包括主轴、转子支架) 、磁轭和磁极等组成。主轴采用A668-D锻钢加工而成, 上端装有集电环, 下端与水轮机主轴相连。转子磁轭由高强度冲片现场叠压而成, 并通过热打键的方式使磁轭与转子中心体形成一个整体。转子磁轭下部设制动闸板。磁极通过T尾和斜键固定在磁轭上。
(3) 上、下机架:
上机架为辐射型钢板焊接结构, 设有4条工字型支臂。上机架通过支臂垫板与定子机座顶环连接, 传递轴向负荷。推力轴承采用刚性支承结构, 推力瓦为8块弹性金属氟塑瓦, 用支柱螺丝调整瓦的受力。上导轴承瓦为12块钨金瓦, 用支柱螺丝调整轴瓦间隙。推力轴承和导轴承均采用自循环系统, 通过位于各自油槽内的环形高效冷却器冷却循环油。下机架为辐射型钢板焊接结构, 设有4条工字型支臂, 下机架可整体从定子内径中通过。下机架中心体内装有下导轴承, 下导轴瓦为8块钨金瓦, 用支柱螺丝调整轴瓦间隙, 下导油槽内设有盘式油冷却器冷却润滑油。
(4) 通风冷却系统:
发电机采用密闭自循环空气冷却系统, 由上、下挡风板, 风扇及6个空气冷却器构成, 冷却水管为翅片管。
(5) 制动系统:
发电机采用压缩空气制动及复位, 下机架支臂上装有4个制动器。当机组转速降至20%额定转速时制动器投入制动, 制动停机时间约3 min, 制动气压约0.7 MPa。制动器可兼作为液压千斤顶使用, 顶起油压为12 MPa。
(6) 灭火装置:
发电机采用水喷雾灭火方式, 定子线圈上、下端部附近设有灭火环管。当定子线圈起火时, 由布置在发电机层的消防柜投入消防水, 由环形管上均匀布置的水雾喷头喷水雾灭火。发电机机坑内设有烟感温感传感器以报警。
3液动双密封球阀
水轮机进水阀选用1662Q×7pk47H-55型卧轴液动双密封球阀, 公称直径1.662 m, 设计压力5.5 MPa, 设计流量25 m3/s, 开启时间90～120 s (可调) , 关闭时间90～120 s (可调) , 操作油压为16 MPa。水轮机进水液动球阀具有以下特点:
(1) 阀体采用分瓣铸造结构, 沿管道方向分两瓣, 法兰连接。阀体轴承座采用箱式结构, 阀体密封座采用函箱式结构, 阀体密封环在函道内滑动, 与密封环接触部位套焊不锈钢。
(2) 活门采用铸钢制造, 与阀轴采用螺栓连接, 其过流面为圆形通道, 活门轴对称异型结构, 活门密封圈为组装式球面密封环, 阀轴与轴承及填料接触面套焊不小于12 mm的不锈钢。
(3) 进水阀上游侧设有上游连接管, 材质为Q420C, 上游端与压力钢管采用焊接连接, 下游端与阀体法兰采用螺栓连接。进水阀下游侧设置有下游连接伸缩管, 伸缩量为30 mm, 上游端与阀体法兰采用螺栓连接, 下游端与蜗壳进口法兰采用螺栓连接。伸缩节为套筒式, 采用钢板焊接结构, 密封面采用4道密封圈。在上游连接管和下游连接伸缩管上设有旁通管路和差压控制器, 用于对蜗壳进行充水及平压控制。球阀正常开启时需进行充水平压, 机组事故时可动水关闭。
(4) 球阀采用双密封结构, 工作密封位于下游侧, 检修密封位于上游侧, 均采用移动差压式金属硬密封结构。阀体密封环为动密封环, 采用锥面形式, 材料为不锈钢, 与活门的接触密封部位堆焊507Mo, 其加工后厚度不小于3 mm。活门密封圈为两件对称安装球面密封环, 材料为不锈钢。移动密封环采用引自球阀上游侧钢管的压力水操作, 密封环活动室设有环形自冲洗式排沙结构, 在密封环的运动过程中, 能自动冲洗沉积在密封环滑道上的泥沙, 保证密封环运行可靠。检修密封设有可靠的锁定装置, 该装置能在撤除检修密封环操作压力后, 仍能锁定密封环的位置, 保证检修密封不漏水。
(5) 阀轴密封采用双重补偿性运动密封结构, 其进水端用Yx密封圈, 材料为聚氨酯, 具有较高的弹性、自密封性和耐磨性, 能有效防止泥沙进入轴承内。后端采用预压可调成型填料结构, 填料材料为夹织物橡胶, 成型好, 自润滑性好, 耐磨损。阀轴轴承为套筒式, 支撑在轴承箱内, 为钢背自润滑轴承, 耐磨、耐蚀性能好, 其结构能使轴承在轴承箱外进行调整。
(6) 操作系统采用带液压锁定装置的摇摆接力器, 在球阀全关时能可靠地锁定球阀的关闭状态, 避免产生误动作。在曲柄头部设有可靠的机械锁定装置, 确保系统检修时机组及维护人员的安全。液压系统为16 MPa高压集成式, 采用隔离式蓄能罐储存能量和多重防护结构, 具有体积小、保压时间长、能量损失小、运行平稳、安全可靠等特点。
(7) 自动控制系统以德国MODICON的PLC (可编程控制器) 为核心, 采用工业人机界面 (触摸屏) 进行操作及显示, 进水阀可现地操作、自动控制和远方控制。
4调速系统性能及特点
调速系统由HGS-E212型微机电气柜、HGS-H21-100-6.3型机械液压柜、HYZ-1/6.3油压装置及管路等组成, 采用机械液压柜与油压装置组合为一个整体 (机械液压柜安装于油压装置回油箱上) 的结构形式。油压装置采用地面式安装, 布置在45.70 m高程的水轮机层。调速器主配压阀直径为100 mm, 操作油压等级为6.3 MPa, 操作油牌号为ISO VG46汽轮机油。
调速系统采用“双微机控制器+全液控伺服比例阀电液随动系统”方案。电气系统是以双 PCC微机控制器为控制核心, 配以两套大功率的工业级开关电源、频率整形模块等部件, 以及由彩色液晶触摸屏构成的人机界面组成, 完成调速系统的主要控制规律与操作保护功能。液压系统采用HGS-H型全液控伺服比例阀电液随动系统, 以进口德国BOSCH伺服比例阀作为电液转换元件, 将整个装置设计为几大结构模块:集成阀块、主配压阀及油处理模块, 整机结构简洁新颖, 安装、调试、操作、维护方便。
调速器测速信号采用残压测速和齿盘测速两路输入, 具有各自独立的电气回路。自动操作系统采用电气导叶位置反馈方式。
5辅助系统设备
5.1 机组技术供水系统
技术供水系统供水对象包括发电机空冷器、推力轴承、上导轴承、下导轴承、水导轴承、主轴密封、转轮止漏环冷却水等, 每台机组设备总用水量为410 m3/h。
供水系统采用水泵单元供水方式, 每台机组设置2台流量500 m3/h、扬程42 m的卧式离心泵, 其中1台备用, 水泵水源取自下游尾水, 取水口设置固定拦污栅, 并装有压缩空气吹扫管。水泵出水侧设有流量500 m3/h、工作压力1.0 MPa的自动反冲洗滤水器, 滤水器出口侧设供水总管。为保证供水可靠, 设计上采用了正反冲切换供水方式, 在供水总管上设置4个手动闸阀, 可经常或定期改变冷却水供排水方向, 对冷却器和管路进行反向冲洗, 能防止冷却器及管路堵塞, 改善冷却器工作条件, 延长冷却器检修周期。各用水设备排水管路上都设置有双向示流信号器, 以监视冷却供水情况。
主轴密封采用轴向静压式密封, 密封腔压力0.8～1.0 MPa。主轴密封供水水源取自进水球阀前压力钢管, 采用自流减压供水方式, 在取水管路上设1套双过滤器、2套减压环管、2套水力旋流器等设备, 以确保密封用水的清洁度。
5.2 压缩空气系统
本电站压缩空气系统分中压气系统和低压气系统。
中压气系统主要供调速器油压装置、调相压水及维持用气, 供气压力为6.3 MPa。本系统设有2台Q=1.835 m3/min、PN=7.0 MPa中压空压机, 1个V=3.2 m3、PN=6.3 MPa的油压装置用气储气罐和1个V=0.5 m3、PN=6.3 MPa的调相压水和维持用气储气罐。2台空压机互为主备用, 由调速器油压装置用气储气罐排气管上的压力信号器自动控制。储气罐上设有安全阀, 以保证系统的安全。向油压装置压油罐进行补气采用自动补气装置。机组转调相运行时通过调相压水储气罐及调相压水电磁阀向尾水管充气压水, 在调相运行期间, 为了保持尾水管的水位不因为压缩空气的泄漏而上升, 可通过水位开关和调相维持用气电磁阀自动向尾水管补充压缩空气。
低压气系统主要供机组制动用气、检修吹扫用气及水轮机检修密封围带用气, 供气压力0.7 MPa。本系统压缩空气气源引自调速器油压装置用气储气罐供气总管, 经2套PN6.5 MPa/0.8 MPa气减压阀组 (由1个气减压阀和1个电磁阀串联) 减压后进入2个V=2 m3、PN=0.8 MPa低压储气罐, 分别机组制动和检修吹扫用气。储气罐上设有安全阀, 以保证系统的安全。为保证制动用气的可靠性, 制动供气总管和检修供气总管之间相互连通并装有单向逆止阀, 检修气罐可以向制动气罐进行供气, 但制动气罐不可以向检修气罐供气。水轮机检修密封围带用气引自制动储气罐。
5.3 厂房渗漏排水及事故排水系统
厂房内设有渗漏排水系统, 用于排除厂房建筑物渗漏水及机电设备漏水。在主厂房最底层2台机尾水管间设有渗漏集水井, 设置2台流量为50 m3/h、扬程为32 m的卧式离心泵、1台流量为15 m3/h、扬程为30 m的卧式自吸泵, 布置在渗漏集水井顶板上。所有漏水通过排水管/沟引至渗漏集水井, 再通过排水泵排至厂外。排水泵的启停由安装在集水井内的电缆浮球液位计自动控制。
除渗漏排水设备外, 在渗漏集水井内还设置了1台流量500 m3/h、扬程30 m的潜水排污泵作事故排水用, 并在集水井内设置了1套电缆浮球液位计用于事故排水泵的自动控制。当电站发生水淹厂房事故或渗漏排水系统故障时, 自动启动事故排水泵将水排至下游尾水。
5.4 含油污水处理系统
应越方要求, 安科水电站设计了含油污水处理系统, 采用油水分离池+含油污水处理装置的处理方式, 将机组设备和主变运行中产生的含油污水集中处理后再排放到下游河道。
在主厂房高程41.00 m层下游侧右端头设有1个容积25 m3的机组排水油水分离池。油水分离池分为A、B两腔, 两腔间设有联通管。顶盖渗漏水、发电机消防水和事故排油通过排水管引入油水分离池的A腔, 经静置、隔离后, 浮油、分散油被隔离在A腔, 溶解于水中的乳化油、溶解油则通过联通管进入B腔。A、B两腔各设1套浮球液位开关用于水泵的自动控制。A腔侧设有2台流量20 m3/h、扬程25 m的卧轴离心泵, 其中1台备用, 用于将油水分离池分离出来的浮油、分散油输送到位于50.00 m高程的主变消防排水油水分离池的A腔。B腔侧设有2台流量30 m3/h、扬程25 m的卧轴离心泵, 其中1台备用, 用于将B腔内的乳化油、溶解油输送到55.00 m高程的含油污水处理装置进行处理。
在主变平台上游侧55.00 m高程以下设有1个容积200 m3的主变消防排水油水分离池。油水分离池分为A、B两腔, 两腔间设有联通管。主变消防水或事故排油通过埋设在主变集油坑底部的集油坑排水管引入油水分离池的A腔, 机组排水油水分离池A腔侧排水泵输送上来的浮油、分散油也引入该腔。含油污水经静置、隔离后, 浮油、分散油被隔离在A腔, 溶解于水中的乳化油、溶解油则通过联通管进入B腔。A腔设有1台流量15 m3/h、扬程21 m的潜水排污泵, 水泵的启停为手动控制, 用于将分离出来的浮油、分散油输送到55.00 m高程的油罐车运走。B腔设有1台流量20 m3/h、扬程30 m潜水排污泵, 并设有1套浮球液位开关用于水泵的自动控制, 将B腔内的乳化油、溶解油输送到55.00 m高程的含油污水处理装置进行处理。
安科水电站采用了1套ZJX-36型含油污水处理装置, 水处理流量为36 m3/h。该装置由1套缓冲罐、1套油泥 (沙) 分离罐、1套核桃壳过滤罐、1套活性碳过滤罐、1台反洗泵、1套清水罐、控制柜、阀门及管路等组成, 对含油污水进行多级分离处理。含油污水进入含油污水处理装置时, 首先注入缓冲罐, 经稳定后到达油泥 (沙) 分离罐。油泥 (沙) 分离罐为水力旋流式结构, 利用离心沉降和密度差的原理将水中的泥沙分离出来。经油泥 (沙) 分离后的水进入核桃壳过滤罐和活性炭过滤罐, 油分子和悬浮物被滤料拦截、吸附在滤料中, 使其无法通过滤料层, 处理合格的水则进入清水罐, 然后排放到下游河道。当含油污水处理装置进出口压差过大时, 则自动进行反冲洗, 反冲洗水源取自清水罐, 反冲洗后的污水排回污水池。含油污水处理装置具有自动、手动两种控制方式。自动控制系统由安装在罐体上的差压控制器、管道上连接的电磁阀、取样阀、压力表及电气控制箱等组成。电气控制部分采用PLC可编程控制器对含油污水处理装置进行自动控制。
5.5 生活水处理系统
生活水处理系统由1台生活供水泵、1套生活水处理设备 (包括1台石英砂过滤器、1台二氧化氯发生器、1台清水罐、1台清水泵) 、1套生活储水罐、控制柜、阀门及管路等组成。生活供水泵采用流量6.3 m3/h、扬程32 m的卧轴离心泵, 布置在厂房内45.70 m高程处。生活水处理设备的水处理流量为8 m3/h, 布置在端部副厂房下游墙外55.00 m高程处, 采用室外布置方式。生活储水罐容积为2 m3, 布置于端部副厂房68.20 m高程处。
生活供水水源取自下游尾水, 经生活供水泵加压后注入石英砂过滤罐。石英砂过滤罐利用石英砂作为过滤介质, 在一定的压力下, 把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒状的石英砂过滤层, 有效截留除去水中的悬浮物、有机物、胶质颗粒、微生物、氯、嗅味及部分重金属离子等, 使水得到澄清。过滤后的水经过连接管道时进行消毒处理, 消毒处理后的水直接进入清水罐, 然后经清水泵输送到生活储水罐进行储存, 再由生活储水罐供至厂房内各层的用水点。当石英砂过滤罐进出口压差过大时, 则自动进行反冲洗, 反冲洗水源取自清水罐, 反冲洗后的污水排至下游尾水。
生活水处理系统采用自动控制方式, 自动控制系统由安装在过滤罐上的差压控制器、管道上连接的取样阀、压力表、水位计及电气控制箱等组成, 生活供水泵的启停由清水罐内设置的水位计自动控制, 清水泵的启停由生活储水罐内设置的水位计自动控制。电气控制部分采用PLC可编程控制器对生活水处理系统进行自动控制。
电站其它系统按常规设计。
6总结
(1) 水轮发电机组是电站的核心设备, 其性能好坏和运行可靠性如何, 是能否发挥工程效益的关键。安科水电站主要部件采用高水头、高转速混流式水轮发电机组的典型结构形式, 机组投产发电后运行稳定, 各项性能指标满足要求。
(2) 安科水电站水轮发电机组具有调相运行要求, 调相压水及维持用气气源均取自电站6.3 MPa压缩空气系统, 经调相压水试验及调相运行的考验, 机组结构设计及调相压水系统设计满足调相运行要求。
(3) 安科水电站厂房内除常规设置的渗漏排水系统外, 还设有事故排水泵, 当电站发生水淹厂房事故或渗漏排水系统故障时, 可自动启动事故排水泵进行排水, 能减少水淹厂房的损失, 为事故处理赢得时间。
(4) 安科水电站应越方要求设计了含油污水处理系统, 采用油水分离池+含油污水处理装置的处理方式, 将电站机组设备和主变压器运行中产生的含油污水集中处理后再排放到下游河道, 具有明显的环境效益和生态效益。
(5) 安科水电站已建成发电, 机组设备运行稳定, 厂房布置紧凑, 设备安装、检修、运行维护方便, 做到了因地制宜, 为同类东南亚水电站的建设提供了很好的借鉴。
摘要：越南安科水电站采用了高水头、高转速混流式水轮发电机组, 配置了完善的辅助设备, 电站建成投产后机组设备运行稳定。对安科水电站水力机械设计的特点进行了介绍。
低比转速离心泵叶轮水力设计 篇10
关键词：低比转速,离心泵,叶轮水力
随着航空航天、石油化工、电力冶炼等工业的不断发展, 离心泵也逐渐呈现出高速、大功率的发展趋势。而低比转速离心泵由于其扬程高、流量小的特点, 可能会对其使用造成一定的影响。基于此, 本文就对低比转速离心泵叶轮水力进行设计分析。
1 离心泵叶轮水力设计流程
离心泵叶轮水力设计流程主要为以下几个方面:首先, 输入给定的设计参数, 生成初始参数文件, 从而获取基本尺寸参数;然后通过采用相关的程序自动生成轴面流道轮廓的绘制, 并采用准正交线法计算轴面流网;在已经获取的正交轴面流网的基础上, 判断过流断面面积变化规律是否合适, 如果过流断面面积变化规律不合适, 那么就需要对轴面流道进行重新计算、修正, 直到过流断面面积变化规律符合分布情况为止。接着在此基础上对叶片骨线进行计算, 并绘制轴面截线图;最后在轴面上对叶片骨线进行加厚处理, 并检验叶片是否光滑合理。
2 低比转速离心泵叶轮水力设计分析
2.1 设计参数
本文研究的目标就在于研制出性能可靠、性能指标优越的低比转速离心泵样机。因为所选的离心泵为水下泵, 所以不考虑气蚀。低比转速离心泵设计参数如下表1所示。
2.2 水力计算
其中, Q为泵的设计流量 (m3/s) , n为转速 (r/min) 。
在上式中, ns为叶轮的比转速。
其中, ns表示叶轮的比转速。
其中, 液体密度ρ=1250kg/m3。
电机功率:N'=KN=1.1×1.83=2.02 (kw) , 取N'=2 (kw)
其中, K为工矿安全系数, 取K=1.1。
4) 叶轮初算。根据速度系数法, 兼顾效率和汽蚀, 取K0=4.0。
2.3 叶轮轴面图绘制
在绘制叶轮轴面图的时候, 轴面轮廓线可以根据一组给定的参数求得。叶轮主要参数在前面水力计算中已经得出, 考虑到泵型已经加工的便利性, 我们假设轴面投影图中的前、后盖板型线都通过两段直线加一段圆弧组成。一般情况下, 检查轴面轮廓线就是在轴面流道图上绘制一系列内切圆, 将各内切圆心进行连接并得到相应的曲线。然后求出每个内切圆所在的位置, 过流断面面积F, 建立坐标系, 绘制F-L曲线。当绘制出的F-L曲线为一条直线或者平滑曲线的时候, 说明该流道形状较为理想, 且变化均匀。
2.4 叶片绘型
在绘制完叶轮轴面图以后, 就可以对叶轮叶片进行绘型了。叶片绘型是绘制叶轮剪裁图的重要步骤, 本文采用作图法, 利用保角变换的原理, 首先对无厚度叶片进行绘制, 然后再对其进行加厚处理。由于在流面上作图不是特别方便, 所以在完成流线的分点后, 要把空间流线在平面方格网图上展开。最后, 就是对叶片进行加厚处理, 从而获得叶片剪裁图。
3 低比转速离心泵叶轮水力优化设计
1) 叶轮结构的优化方案。由于本文选取的泵的比转速过低, 所以设计的离心泵的效率也比较低。有一部分叶轮因为流道堵塞, 导致出口流量变小, 为了保证水泵在大流量区也能稳定工作, 所以需要采用加大流量法来改进叶轮。2) 叶轮主要几何参数的设计。a.比转速及流量系数。借鉴优秀的低比转速离心泵模型, 选取放大系数, K1=1.6, K2=1.37流量及比转速的计算如下:Q'=K1/Q=1.6×9=13.4m3/h;n's=K2ns=1.37×32=44。b.长叶片进口安放角β1。长叶片进口安放角β1是依据设计实际的工况来计算的, 为了使液体进入叶片不产生撞击, 应该根据工况使叶片与圆周之间的夹角为β'1=β1。当泵的运行工况偏离设计工况时, 液流角β'1与叶片进口安放角β1也就不相等。c.短叶片进口安放角β1*。从当前已有的设计方法来看, 还没有专门针对短叶片进口安放角度计算的。短叶片进口安放角β1*一般与安放角半径处的长叶片进口安放角度相同, 而泵在某一半径处的长叶片进口安放角度, 可以由测量模型得到。d.短叶片进口直径D*。一般情况下, 我们将短叶片进口直径D*与叶轮外径的比D'表示, D'=D*/D2。D'的取值范围在0.4~0.7的时候, 可以取得比较好的改进效果。所以, 本文将D'的取值范围定为0.4~0.7。
4 结论
本文主要对低比转速离心泵叶轮水力进行了设计, 在对离心泵叶轮水力设计流程的分析的基础上, 对低比转速离心泵叶轮水力进行了具体的设计分析, 主要包括水力计算、叶轮轴面图绘制以及叶片绘型等, 最后采用加大流量法对叶轮主要几何参数进行了优化设计。
参考文献
[1]裴吉, 王文杰, 袁寿其, 孟凡, 陈佳.低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测[J].农业机械学报, 2014.
喷射钻井水力参数优化方法综述 篇11
关键词:钻井水力参数;工作日志;计算机程序;方法比较
一、前言
在钻井实践中发现,尽管使用了大排量洗井,钻井速度仍然得不到显著的提高。后经过大量的分析和研究才认识到,把岩屑从井底举到地面上来需要经过两个过程:首先要把岩屑冲离井底,然后把它们从环形空间内带到地面上来。这两个过程也是两个问题。理论分析和实验室的研究证明,将岩屑从环形空间携带到地面上来,并不是很困难的事情,不需要很大的排量就可以做到,可是要把岩屑冲离井底,则要困难得多。要解决把岩屑及时冲离井底这个问题,就需要新的工艺技术,这就是喷射钻井技术。喷射钻井是将泥浆泵输送的高压泥浆通过钻头喷嘴形成高速冲击射流,它具有很高的喷射速度,具有很大的水功率,它能给予井底岩屑一个很大的冲击力,从而使岩屑及时、迅速地离开井底,始终保持井底干净。这就是喷射钻井能够大幅度提高钻速的主要原因。因此,在钻井过程中,水力因素是影响钻井速度和成本的重要因素。
二、喷射钻井的工作方式
从钻头喷嘴喷出的泥浆射流之所以能有效地清洗井底,是因为射流具有三个工作参数:喷射速度、冲击力、水马力。这三种喷射钻井的工作方式,即射流的三个工作参数,以哪一个为主的问题,长期以来存在着不同的看法。
现将以上三个水力工作参数随着排量Q的变化情况用公式表示如下:
V0——射流喷速,m/s;Fj——射流冲击力,kN;Nj——射流水功率,kW;C——钻头喷嘴流量系数,无因次;ρ——泥浆密度,g/cm3;Ps——泵压,bar;kl——循环系统压耗系数,无因次;Q——泥浆排量,L/s。
经实验可知,随着排量的变化,三个水力参数的变化规律是不相同的。V0随着Q的增大,一直是减少的。Fj和Nj随着Q的增大开始增加,然后又减少,各有一个最高点。但这两个最高点不重合。我们将每种工作方式下主要水力参数达到最大值时的排量称为最优排量。由上可知,选择一个排量不可能使三个参数同时达到最大,那么究竟按照什么标准选择排量呢?于是就出现了上述的三种工作方式。
喷射钻井的工作方式不同,最优排量的确定方法也不同。近年来,有人做过一些实验和研究,认为最大冲击力工作方式最好,最大水马力工作方式次之(但与最大冲击力工作方式的效果很接近),最大喷速工作方式最差。但是,在大多数优化方法中,这三种工作方式都会用到,有三个最优排量可以选择。
三、喷射钻井的水力参数优化
所谓喷射钻井的最优水力参数设计,就是如何合理选择各水力参数,通过合理的钻头压降和循环系统压力损失的分配关系,以达到在满足低返速要求、充分利用泵的水功率条件下,最大可能地提高井底清洗效果,达到优质快速钻井的目的。
在钻进过程中,随着井深的增加,合理的分配关系要变化,从而引起了排量和喷嘴直径组合的改变。不难知道,合理的分配关系,是靠排量和喷嘴直径的组合在不同井深下不断变化来实现的。
在实际施工中,排量还应满足泥浆携岩能力所要求的最低排量。也就是说:排量和喷嘴直径的组合,除满足不同井深时的合理分配关系外,还受到最低排量的限制。
对于合理分配关系中循环损失这一项,由于井中流道的不规则,非牛顿液体流态的难以判断等原因,要通过理论计算其大小是很困难的。为解决这个问题,石油矿场多用水力参数优化设计,是指在一口井施工以前,根据水力参数优选的目标,对钻进时所采取的钻井泵工作参数(排量、泵压、泵功率等)、钻头和射流水力参数(喷速、射流冲击力、钻头水功率等)进行设计和安排。分析钻井过程中与水力因素有关的各变量可以看出,当地面机泵设备、钻具结构、井身结构、钻井液性能和钻头类型确定以后,真正对各水力参数大小有影响的可控制参数就是钻井液排量和喷嘴直径,因此,水力参数优化设计的主要任务也就是确定钻井液排量和选择喷嘴直径。
四、喷射钻井的水力参数优选方法
(一)工作日志和卡片
要实现喷射钻井水力参数优选,就必须根据现场施工的具体条件和一些经验数据,进行一系列水力参数计算。为了简化计算程序,便于广大钻井工人、技术人员在现场设计和施工中花费很短的时间,准确地求得所需要的水力参数。《美国钻井手册》和休斯工具公司提供了一套水力参数优选方法:提供一个工作日志,通过查表而得工作日志中所需的各种数据,从而完成水力参数的优选。为了分析方便,将工作日志中的主要内容和各种参数关系转化为流程图。
1、美国钻井手册
在以上流程图中:最小环空流速需根据经验选择;在确定最小缸套尺寸时选直径为21/4英寸的活塞杆;地面设备、钻铤及钻杆的压力损失都是根据地面设备、钻具组合及井身结构尺寸和排量查表求得;由于为了简化表格,所有压力损失都是根据使用10磅重的泥浆进行计算的,所以泥浆重量校正后泵的额定压力是用泵的额定压力再乘以假定的泥浆重量10之后,再除以实际泥浆重量而得;钻头和钻杆的压力是泥浆重量的校正减去地面设备、钻铤内及环空压力损失;喷嘴组合根据缸套相应的排量,参照三个喷嘴组合的三牙轮钻头表格,选择一个压力紧靠但不超过钻头和钻杆压力的喷嘴组合;钻杆的余压力是钻头和钻杆的压力减去经过喷嘴的压力降;可增加钻杆的长度是钻杆的余压力除以钻杆的压力损失;泵满载时的井深是可增加钻杆的长度和钻铤长度之和。
此水力参数计算方法的依据是:假定地面泵压仅受额定泵压的限制,且泵速必须保持恒定。如果上述假定与实际不符,那么可以重新设计更好的水力参数。精确的优化设计程序应以泵运转的条件以及钻头功率或冲击力是否最大为根据。
此流程图是设计和检查水力系统各部分的一个简单的方法,以便更有效地使用现有设备。如果发现在达到预定井深前泵已超载,就应该检查每个计算步骤,并且重新选择泵的排量。
2、休斯工具公司
这种方法涉及到工作日志和卡片的使用。设计井的有关数据直接填入工作日志,地面装备、钻铤、钻杆的压力损耗(通过查表而得),以及泥浆泵的主要技术特性,也要填入工作日志。对这些数据作简单计算,就可求得相应的各种压力损耗变量。将变量描绘于水力参数卡片上,并用曲线把各井段的这些变量点连接起来。应用水力参数卡片,并作简单计算,就可求得:各种井深时最优的排量、钻头喷嘴尺寸以及钻头射流喷速、钻头射流冲击力、钻头射流水马力和驱动泥浆泵所需的功率。
与《美国钻井手册》上提到的方法类似,但它们的不同之处在于:预选缸套尺寸,然后确定排量。喷嘴的组合由水力参数卡片的喷嘴数—喷嘴直径线确定,此线表示离井段起点井深线和表示最大排量的垂线之交点最近的线。
(二)计算机程序
随着计算机的普及和发展,为了达到比用工作日志和卡片进行水力参数优化更准确的目的,不少厂家根据水力参数优化计算方法编制出了相应的计算机程序,这种方法只需用户输入基本参数,就可迅速地求得相应的优选参数。
在以上流程图中,确定最低环空返速的方法有多种:一种方法是根据现场工作经验来确定,另一种是用经验公式计算(需校核岩屑举升效率)。选择缸套直径的原则是:一方面该缸套的额定排量应大于携带岩屑所需的最小排量,另一方面缸套的允许压力应该与整个循环系统的耐压能力相适应。工作方式的确定代表了根据不同的优化目标函数(如喷射钻井的工作方式所述)优化排量和喷嘴直径。
五、结束语
第一,在工程实践中,如果我们能始终保持最优排量和最优喷嘴直径,则钻头水力参数将始终保持最大值。然而,目前这是很难做到的,这是因为最优排量和最优喷嘴直径都与井深有关,可是井深不是固定不变的,而是随着钻头的钻进而变化的,所以最优排量和最优喷嘴直径也在不断变化。而钻头下井后,就无法再随意改变喷嘴直径。一般采用分段设计,并且按每段最深井深作为设计井深。
第二,在确定了最优喷嘴直径之后,还得考虑什么样的喷嘴组合才能最大限度地发挥钻头的水力破岩、清岩作用,需要进行井底的流场研究。研究井底流场是用流体力学的理论和试验方法来研究井底水力能量的合理分布。即在一定的条件下,在最合理地分配整个循环系统水力能量的基础上,通过科学地设计钻头喷嘴组合布置方案,把钻头喷嘴所能得到的井底總水力能量最合理进行分布,从而在井底获得最好的净化和破岩效果,提高钻井速度。
第三,循环系统中的钻井液具有不同的流变模式。这给流变模式的选择和水力参数的计算带来了麻烦。然而大多数钻井液往往更加符合卡森和赫-巴流变模式。由于卡森流变模式的流变参数意义不是很明确,而赫-巴流变模式的三个参数不但能较好地反映钻井液的流变性和具有明确含义,而且能较好地描述钻井液在低、中、高剪切速率下的流变行为,因此推荐优先考虑赫-巴流变模式。
参考文献:
1、刘希圣.钻井工艺原理[M].石油工业出版社,1988.
2、陈理中.译美国钻井手册[M].石油工业出版社,1980.
3、隆天友.校钻井实用水力参数[M].石油工业出版社,1988.
4、Clem Armstrong.Well Hydraulics Simulator[M].Smith company,2002.
水力设计 篇12
关键词：特低渗透,油田,压裂参数设计
1 压裂参数资料分析与压裂效果
为了分析压裂效果, 本文主要选择该油田生产长61和长62砂组的压裂资料, 确定压裂参数以及油层物性对油井产能的影响。
1.1 储层物性
统计该油田150口井资料可以看出单井日产能力与单井的有效厚度和地层系数 (kh值) 关系, 从这些资料中可以得到油井的初期产能 (Q0) 与油层的有效厚度 (h) 的关系为:
相关系数R=0.8525
其中:Q0——油井初期日产能力
h——油层有效厚度
同时, 对150口井的初期产能与储层的地层系数的关系分析表明, 初期产能与地层系数的正相关关系也十分明显, 地层系数较大的油井投产初期产能较高, 而地层系数小的油井投产初期产能较低。
1.2 射开程度
统计150口井的压裂资料射开程度一般在23.47-75%, 平均49.96%, 从现有资料看射开程度和单井产能之间没有显著的关系。但根据国内外低渗透油田的开发经验, 低渗透渥层打开程度为1/2-1/3较好, 对储层特别致密低渗且含油饱和度低的油层, 应适当加大射开程度。
1.3 压裂方式
双河油田采用的压裂方式主要有投球分压和合层压裂, 合层压裂具有工艺技术简单, 改造针对性强等特点, 对油层厚度大, 层间差异不突出的井, 压裂效果明显;投球压裂适应层间差异大, 下工具分层困难、井斜大的井。从实际资料来看, 投球压裂施工时施工泵压变化不大, 且大部分井两层的破压变化也不大, 甚至第二层的破压压力低于第一层的破裂压力, 统计95口分层压裂井的破裂压力, 只有13口井的二次破裂压力上升, 42口井第二段破压明显低于第一段, 因此, 对能下工具分层的井应尽量下工具分层压裂或填砂压裂。
2 压裂参数设计
双河油田目的层为长6, 该层存在多个小层, 需要改造的小层主要为长61, 长62, 两个小层之间多存在隔层, 隔层较厚的井水力压裂时需进行分层改造。双河油田开发采用250×250m正方形反九点井网, 压裂裂缝穿透比控制在50～70%, 无因次裂缝导流能力为3～10之间, 其中角井裂缝穿透比60%左右, 防止注入水沿裂缝突进, 边井裂缝穿透比70～80%, 增大裂缝共有面积。按照地层综合滤失系数范围, 按支撑裂缝半长与造缝半长之比在85～90%确定前置液量百分比在15～25%之间。根据排量对裂缝高度影响的模拟分析, 确定施工排量合压井1.5～2.4m3/m i n, 分压井1.2～2.2m3/m i n。要求裂缝无因次导流能力大于3, 相应的裂缝导流能力大于27μm2.cm, 裂缝内铺砂浓度达到5.0～6.0Kg/m2, 相应平均砂比在30～40%之.间, 加砂量规模在25～45m3, 综合推荐双河油田长6层压裂改造参数。
2.1 压裂液添加剂优选
在对储层地质特征、流体性质和储层敏感性分析研究的基进行了分析研究, 采用真实砂岩模型从微观机理上进行压裂液对储层的伤害实验分析研究, 目的是为了评价压裂液滤液对储层的伤害程度以及各添加剂发挥作用程度。
2.2 稠化剂的筛选
为了满足该区块压裂改造规模较大的要求, 压裂液基液粘度较高, 进入储层液量也较大, 相应入地残渣也会增多, 这就要求压裂液残渣少, 减少对裂缝导流能力的影响;在施工过程中, 压裂液残渣粒径不能因高压挤入作用进行储层。室内对稠化剂的最终优选结果可以看出长庆井下化工厂生产的羟丙基一级胍胶残渣含量比较小, 各项标准超过了部颁一级品标准, 结合多年该胍胶在现场使用的情况, 该胍胶基本上能满足压裂施工的要求.
2.3 破乳剂优选
压裂液滤液进入储层后, 由于油水两相作用, 且加之原油中有天然的乳化剂如胶质、沥青质、蜡, 易形成油水乳化液, 乳化液粘度较大, 通过毛孔与喉道时流动阻力增大, 易产生贾敏效应, 造成堵塞, 增加了返排阻力, 因此在压裂液中加入一定量的破乳剂, 在最大程度上防止乳状液的形成.
2.4 助排剂的优选
同蒸馏水相比CF-5B、D-60大幅度降低油水表面张力, 但D-60的界面张力比CF-5B高, 为了在尽可能降低油水界面张力, 降低残液流动阻力, 提高残液返排率, 降低压裂液对储层的伤害, 选用CF-5B作为该区块的助排剂。
2.5 杀菌剂的筛选
加剂之间的配伍性, 杀菌剂选用与助排剂离子类型相同的COG-285。
3 结论与建议
根据以上对双河油田压裂资料的分析, 可以得出以下结论, 并对类似双河油田这类特低渗油田的压裂提出以下几点建议:
(1) 压裂方式的选择应视单井的地质情况而定, 有效隔层小于8m且上下物性差异不大的井应尽量采用合层压裂, 简化压裂工艺;对有效夹层大于8m且上下物性差异大的井, 应尽量采用下工具分层压裂的方式。
(2) 对压裂规模和强度应结合注采井网进行全面的论证, 既要有效地改造油层, 又要避免对今后注水产生不良影响, 一般缝长不应超过井距的1/3, 缝高不应超过油层的有效厚度。
(3) 双河油田长6油层合理的压裂排量为1.7-2.25 m3/m i n, 对渗透率大于1×10-3μm2的地层, 加砂强度最大可达1.7 m3/m, 渗透率小于1×10-3μm2的地层, 加砂强度可适当增大。
(4) 油层打开程度与油井日产能力没有明显的相关关系, 但对特低渗油田, 油层打开程度以油层厚度的1/3较好, 对储层致密的低渗和含油饱和度低的油层, 应适当加大射开程度。
参考文献
[1]王鸿勋, 张琪等.采油工艺原理.北京:石油工出版社, 1989.7
[2]康得泉.周春虎等油藏增产措施 (译) 北京:石油工出版社1991.6