九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王延軍，楊健，湯娟娟，張少卿，張魯彬

（曲阜恒威水工機(jī)械有限公司，山東曲阜 273100）

九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王延軍，楊健，湯娟娟，張少卿，張魯彬

（曲阜恒威水工機(jī)械有限公司，山東曲阜 273100）

為解決九里溝水電站攔污柵阻塞的問(wèn)題，選定回轉(zhuǎn)式清污機(jī)作為清污裝置。介紹了九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的布置方案、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)參數(shù)，并對(duì)主要部件進(jìn)行了校核。安裝回轉(zhuǎn)式清污機(jī)后，改善了過(guò)流條件，提高了機(jī)組效率，發(fā)電量明顯增加。針對(duì)清污機(jī)使用中出現(xiàn)的問(wèn)題提出了處理措施和改進(jìn)意見(jiàn)，可為類似水電站的清污機(jī)設(shè)計(jì)和項(xiàng)目改造提供借鑒。

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)；攔污柵；齒耙；鋼支架；設(shè)計(jì)水頭；柵條凈間距

0 引言

六安九里溝水電站建于1978年，隸屬于淠史杭灌區(qū)管理總局，位于六安市北郊淠河總干渠上。該電站屬壩后式電站，3臺(tái)立軸機(jī)組，裝機(jī)容量為4450 kW，設(shè)計(jì)水頭為12.50m，設(shè)計(jì)流量為50.10 m3／s。進(jìn)水口布置3臺(tái)攔污柵，安裝孔口尺寸為4.2m×4.2m，采用人工清污方式。

淠河總干渠水質(zhì)很好，河道垃圾主要為水草，水草以苦草、菹草及輪葉黑藻等沉水性水草為主，具有繁殖力強(qiáng)、斷草再生等特點(diǎn)。汛期人工清污勞動(dòng)強(qiáng)度很大，經(jīng)常被迫停機(jī)清污。為解決攔污柵阻塞的問(wèn)題，滿足以后機(jī)組增容的要求，迫切需要一種經(jīng)濟(jì)、可靠、高效的機(jī)械清污機(jī)替代人工清污。

1 回轉(zhuǎn)式清污機(jī)概述

目前廣泛使用的清污機(jī)主要有抓斗式清污機(jī)和回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。抓斗式清污機(jī)工作效率相對(duì)較低，水下清污能力較差，而回轉(zhuǎn)式清污機(jī)相對(duì)于抓斗式清污機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì)。

（1）動(dòng)水連續(xù)清污。回轉(zhuǎn)式清污機(jī)清污時(shí)發(fā)電機(jī)組不用停機(jī)或降低負(fù)荷，工作效率高。

（2）水面、水下全段面清污?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)可在攔污柵整個(gè)工作面清除各種漂浮和懸浮的污物。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)將清污裝置與攔污柵合二為一，方便安裝和使用。

（4）安全可靠。回轉(zhuǎn)式清污機(jī)安裝機(jī)械和電氣過(guò)載保護(hù)裝置，一旦超載或齒耙卡阻可有效防止機(jī)械損傷。根據(jù)九里溝水電站發(fā)電機(jī)組的滿發(fā)流量，其過(guò)柵流速低于1.5m／s，水流的作用可使污物貼緊柵體，便于齒耙清理；同時(shí)，低流速使污物對(duì)柵體的壓力較小，清污齒耙及傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載也較小，適合回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的運(yùn)行要求。

綜合各方面的因素，選定回轉(zhuǎn)式清污機(jī)作為九里溝水電站的清污裝置，拆除原攔污柵并在現(xiàn)有基礎(chǔ)上布置回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。

2 清污機(jī)布置方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 清污機(jī)布置方案

根據(jù)九里溝水電站進(jìn)水口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，原攔污柵槽與清污平臺(tái)貼齊（如圖1所示），回轉(zhuǎn)式清污機(jī)因齒耙回轉(zhuǎn)需要500mm左右的空間，因此不能安裝在原攔污柵槽內(nèi)，必須向前支撐。由于中墩和邊墩采用了尖頂分水結(jié)構(gòu)，支撐鋼支架需固定在弧形斜面上，安裝施工有一定的難度。

圖1 原攔污柵孔口結(jié)構(gòu)

考慮電站進(jìn)水口水流速度較低，為便于污物的堆積與清理，回轉(zhuǎn)式清污機(jī)傾斜80°布置。

由于電站建成時(shí)間較早，實(shí)際基礎(chǔ)與圖紙存在一定的差別，需要對(duì)現(xiàn)有的安裝基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪。利用三維軟件CREO2.0對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，更加直觀地反映基礎(chǔ)的實(shí)際情況，方便鋼支架和回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的布置。

鋼支架的布置需要考慮兩方面因素：一要考慮清污機(jī)的回轉(zhuǎn)空間，盡可能避免齒耙與基礎(chǔ)干涉，同時(shí)保證清污機(jī)的卸料點(diǎn)在工作平臺(tái)上的皮帶機(jī)中線位置；二要考慮清污機(jī)的支撐寬度，由于清污機(jī)的阻水面積比攔污柵的阻水面積大10%～15%，所以清污機(jī)的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)適當(dāng)增加，以降低過(guò)柵流速，減少水頭損失。每個(gè)孔口的具體尺寸存在差異，為方便制作和安裝，鋼支架徑里尺寸統(tǒng)一為4700mm（如圖2所示）。平臺(tái)高程位置鋼支架前端距離工作平臺(tái)邊緣700mm，鋼支架傾斜角度為80°。鋼支架采用16a槽鋼制作，為防止側(cè)邊進(jìn)污物，側(cè)邊按照清污機(jī)柵條間距布置柵條。為保證鋼支架的側(cè)向穩(wěn)定性，邊墩的鋼支架與基礎(chǔ)增加斜向橫撐，中墩兩側(cè)的鋼支架通過(guò)16a槽鋼焊接在一起。

圖2 鋼支架布置模型

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)布置在鋼支架上，清污機(jī)邊梁與鋼支架的斜面貼齊，軌道與鋼支架的側(cè)向距離控制在50～60mm。清污機(jī)通過(guò)可分離的鎖定支鉸與鋼支架固定，保證在檢修時(shí)能夠整體吊裝清污機(jī)（如圖3所示）。

2.2 清污機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要參數(shù)

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)主要包括柵體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和清污齒耙3部分，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)鏈條、過(guò)載保護(hù)裝置、傳動(dòng)軸、調(diào)節(jié)軸承、牽引鏈條和軌道等部分?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

柵體設(shè)計(jì)水頭差是清污機(jī)柵體規(guī)格的主要設(shè)計(jì)依據(jù)，SL 382—2007《水利水電工程清污機(jī)型式基本參數(shù)技術(shù)條件》［1］規(guī)定：最高設(shè)計(jì)水頭時(shí)主梁變形應(yīng)不大于H／800（H為主梁跨度），次梁變形應(yīng)不大于F／400（F為次梁跨度）［1］。根據(jù)九里溝水電站的最高運(yùn)行水位及過(guò)柵流速，確定清污機(jī)柵體設(shè)計(jì)水頭差為1m時(shí)能夠滿足電站運(yùn)行要求。

圖3 清污機(jī)布置方式

表1 九里溝水電站清污機(jī)主要參數(shù)

齒耙設(shè)計(jì)載荷是衡量回轉(zhuǎn)式清污機(jī)清污機(jī)能力的重要指標(biāo)，由于現(xiàn)場(chǎng)條件和污物性質(zhì)不同，其值大小有所不同。齒耙是回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的執(zhí)行部件，在清理污物的同時(shí)，還起到支撐清污機(jī)牽引鏈條防止其脫軌的作用。清污機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)脫鏈、過(guò)載等現(xiàn)象，多數(shù)是由于齒耙設(shè)計(jì)選材強(qiáng)度低、剛度差造成的。汛期短時(shí)間內(nèi)會(huì)聚集大量的污物，清污過(guò)程中單道齒耙載荷可達(dá)到數(shù)kN，因此，齒耙設(shè)計(jì)載荷要與現(xiàn)場(chǎng)的水文條件、污物情況相適應(yīng)，必要時(shí)需增加設(shè)計(jì)載荷以保證設(shè)備安全。九里溝水電站汛期水草較多，根據(jù)過(guò)柵流速和污物增量的大小，按照集中載荷6 kN進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核。

柵條凈間距是攔污柵的基本參數(shù)，同時(shí)也是回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的基本參數(shù)。柵條凈間距主要依據(jù)發(fā)電機(jī)組的葉輪大小來(lái)確定，軸流式水輪機(jī)柵條間距約為葉輪直徑的1／20，混流式水輪機(jī)約為葉輪直徑的1／30，沖擊式水輪機(jī)約為噴嘴直徑的1／5。從發(fā)電機(jī)組的檢修情況來(lái)看，部分水草在機(jī)組中纏繞，因此在保證機(jī)組流量的情況下對(duì)柵條凈間距做了調(diào)整：將原柵條凈間距120mm調(diào)整為100mm；同時(shí)，為避免出現(xiàn)柵條振動(dòng)、失穩(wěn)等情況，柵條橫向采用卡柵固定。

2.3 清污機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)與校核

2.3.1 主梁校核

清污機(jī)柵體橫梁受力分析按簡(jiǎn)支梁考慮，載荷形式按照集中載荷校核，柵體設(shè)計(jì)水頭差為1.0m，按照H／800的撓度進(jìn)行校核。柵體采用實(shí)腹式梁，主橫梁選用28b工字鋼，撓度計(jì)算公式如下

式中：y1為主梁最大撓度，m；ρ為水的密度，1 000 kg／m3；g為重力加速度，9.8N／kg；h為設(shè)計(jì)水頭差，1m；l為橫梁間距，1.4m；H為橫梁支撐跨度，4.7m；E為彈性模量，2.1×1011Pa；Ix為28b工字鋼慣性矩，7.48×10－5m4。

通過(guò)校核，清污機(jī)主梁28b型工字鋼撓度約為H／847＜H／800，滿足剛度條件。

2.3.2 齒耙軸校核

SL 382—2007《水利水電工程清污機(jī)型式基本參數(shù)技術(shù)條件》規(guī)定：齒耙軸在額定載荷下的最大撓度應(yīng)不大于0.002 L（L為齒耙軸長(zhǎng)度）。按簡(jiǎn)支梁進(jìn)行受力分析，其校核公式為

式中：y2為齒耙軸最大撓度，m；F為集中荷載，6 000? N；L為齒耙軸長(zhǎng)度，4.4m；齒耙軸選?0.127m× 0.01m的無(wú)縫鋼管，慣性矩Ix為6.332×10－6m4。

通過(guò)計(jì)算，齒耙軸最大撓度為0.001 82 L＜0.002 L，滿足剛度條件。對(duì)于部分齒耙設(shè)計(jì)載荷較高的電站，還需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3 應(yīng)用效果

3.1 過(guò)流條件改善，機(jī)組效率提高

攔污柵過(guò)流能力是攔污柵設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，過(guò)流凈面積越大，過(guò)柵流速越低，則水頭損失越小，過(guò)流能力越大。由于清污機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其阻水率要大于攔污柵的阻水率，所以清污機(jī)增加了設(shè)計(jì)寬度，并且布置了側(cè)柵，以保證過(guò)水面積。對(duì)比清污機(jī)與原攔污柵過(guò)水面積：清污機(jī)總過(guò)水面積為4.7×6.082＝28.585（m2），實(shí)際凈過(guò)水面積為19.07m2，原攔污柵總過(guò)水面積為4.2×4.78＝20.076（m2），凈過(guò)水面積17.75為m2，過(guò)水面積增加了1.32m2。由于攔污柵清污不及時(shí)，柵體表面不可避免地存在污物，實(shí)際過(guò)水面積要小于計(jì)算的凈過(guò)水面積；而清污機(jī)可以連續(xù)清污，污物在柵體殘留較少，阻水不會(huì)增加太多。從應(yīng)用效果來(lái)看，相同運(yùn)行方式下清污機(jī)使用后機(jī)組效率較之前明顯提高。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益顯著

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的安裝使用一方面降低了清污的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面避免了機(jī)組停機(jī)、被動(dòng)棄水等情況，提高了水資源的利用率和機(jī)組效率，提升了經(jīng)濟(jì)效益。

若以人工清污方式進(jìn)行清污，按每年清污300次，每次停機(jī)0.5 h，平均負(fù)荷3 000 kW計(jì)算，每年停機(jī)清污損失的發(fā)電量約450MW·h；每次清污前均需打開(kāi)淠東閘，利用下泄水流將電站攔污柵雜物排至下游，按每年排污計(jì)300次，每次開(kāi)閘排污0.5 h，排污流量為17.5m3／s計(jì)算，棄水可發(fā)電量為225MW·h；為消除機(jī)組導(dǎo)葉積草的影響，需要每2 d停機(jī)沖草1次，全年按150次，每次5min，平均負(fù)荷3000 kW計(jì)算，則全年發(fā)電損失37.5MW·h。

由九里溝水電站2013，2014年7，8月實(shí)際發(fā)電對(duì)比數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）可以看出：2014年使用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)后，發(fā)電量比2013年采用人工清污時(shí)明顯增加。

表2 2013，2014年7，8月份發(fā)電效益對(duì)比

3.3 管理方式的改變

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)作為一種機(jī)械設(shè)備，需要嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程和潤(rùn)滑規(guī)程，定期檢查設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，以保證設(shè)備安全運(yùn)行。回轉(zhuǎn)式清污機(jī)作為一種水工水利設(shè)備又有其自身特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)式清污機(jī)一般都在安裝在室外，運(yùn)行工況較差，風(fēng)吹日曬雨淋，溫度變化大，對(duì)設(shè)備使用壽命有一定影響；回轉(zhuǎn)式清污機(jī)清理的污物種類多，有水草、樹(shù)木、動(dòng)物尸體及各種生活垃圾等，可能造成齒耙卡阻、安全銷剪斷等故障；回轉(zhuǎn)式清污機(jī)使用季節(jié)性強(qiáng)，汛期污物較多時(shí)使用頻繁、工作強(qiáng)度大：因此，需要建立一套合理的設(shè)備管理流程來(lái)保證回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的正常運(yùn)行。此外，人工清污所清理的污物較少，處理方便，回轉(zhuǎn)式清污機(jī)清理的污物量大，而且相對(duì)集中，如何周轉(zhuǎn)和處理也是管理單位必須考慮的問(wèn)題。

4 存在的問(wèn)題及處理措施

自清污機(jī)安裝以來(lái)，總體運(yùn)轉(zhuǎn)正常，未出現(xiàn)齒耙彎曲變形、鏈條拉斷等破壞性故障，但仍存在一些問(wèn)題。

4.1 安全銷剪斷

安全銷是保證回轉(zhuǎn)式清污機(jī)安全運(yùn)行的主要安全措施，其設(shè)計(jì)依據(jù)是減速機(jī)的最大安全扭矩，負(fù)載超過(guò)最大設(shè)計(jì)值時(shí)安全銷剪斷，從而保護(hù)減速機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)。九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)采用擺線針輪減速機(jī)，功率為5.5 kW，最大輸出扭矩為5 000 N·m。安全銷剪斷的主要原因是清污機(jī)停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，柵條上堆積的污物及水草太多，啟動(dòng)時(shí)超過(guò)清污機(jī)設(shè)計(jì)載荷，安全銷被剪斷。

改進(jìn)意見(jiàn)：根據(jù)水草污物的情況適當(dāng)調(diào)整清污間隔時(shí)間，污物堵塞時(shí)避免啟動(dòng)清污機(jī)。

4.2 爬鏈現(xiàn)象

使用一段時(shí)間后，＃2清污機(jī)出現(xiàn)傳動(dòng)鏈條爬鏈、清污機(jī)振動(dòng)的情況，主要原因是清污機(jī)傳動(dòng)鏈條長(zhǎng)時(shí)間磨損導(dǎo)致鏈條松弛。由于鏈條張緊力不足，鏈條單邊受力，鏈條與中鏈輪嚙合時(shí)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，大軸及齒耙停頓產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)出聲響。

處理措施：適當(dāng)張緊鏈條，同時(shí)對(duì)傳動(dòng)鏈條涂抹鋰基脂。

4.3 團(tuán)草現(xiàn)象

一定時(shí)間內(nèi)，大片水草聚集到清污機(jī)柵體前面，在齒耙的反復(fù)撥動(dòng)下，不斷翻滾而形成團(tuán)草。團(tuán)草一旦形成，因耙齒長(zhǎng)度有限，很難將其清理，從而形成柵體阻塞。

改進(jìn)方案：改進(jìn)齒耙結(jié)構(gòu)，將部分耙齒更換為勾型耙齒，同時(shí)適當(dāng)增加齒耙軸的強(qiáng)度，每臺(tái)清污機(jī)增加兩道勾型齒耙，分批次清理團(tuán)草，防止清污機(jī)過(guò)載。

5 結(jié)束語(yǔ)

九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)使用之后，不但解決了電站清污難題，避免了因清污造成的停機(jī)、棄水等情況的發(fā)生，而且改善了過(guò)流條件，提高了機(jī)組效率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，由于河道中的水草污物得以及時(shí)清理，保護(hù)了環(huán)境，減少了大量水草對(duì)淠河水質(zhì)的影響，取得了良好的社會(huì)效益。九里溝水電站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，為類似電站清污方式的選擇或攔污柵技術(shù)改造提供了一種可行的借鑒方案。

［1］水利水電工程清污機(jī)型式基本參數(shù)技術(shù)條件：SL 382—2007［S］.

（本文責(zé)編：劉芳）

TV 732.2

B

1674－1951（2016）02－0020－04

王延軍（1972—），男，山東萊蕪人，工程師，從事水電站、泵站清污設(shè)備的設(shè)計(jì)（E-mail：634136095＠qq.com）。

2015－09－06；

2016－01－20