南水北調(diào)臺(tái)兒莊泵站清污機(jī)技術(shù)改造方案比選

劉宗柏，呂鴻翔，楊克坤，任澤儉

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013）

1 項(xiàng)目概況

臺(tái)兒莊泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第七級(jí)泵站，也是山東省境內(nèi)第一級(jí)泵站，位于棗莊市臺(tái)兒莊區(qū)韓莊運(yùn)河與月牙河中部之間，主要任務(wù)是從駱馬湖和中運(yùn)河抽水通過(guò)韓莊運(yùn)河向北輸水，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)調(diào)水目標(biāo)，同時(shí)結(jié)合解決臺(tái)兒莊區(qū)面積25.9 km2的排澇問(wèn)題。臺(tái)兒莊泵站工程于2005年12月12日開(kāi)工建設(shè)，2008年5月30日通過(guò)水下工程階段驗(yàn)收，2009年11月24日通過(guò)機(jī)組試運(yùn)行驗(yàn)收，2013年11月正式通水，2018年9月通過(guò)竣工驗(yàn)收。

臺(tái)兒莊泵站現(xiàn)有耙斗往復(fù)式清污設(shè)備9臺(tái)（套），皮帶輸送機(jī)1臺(tái)（套），配電柜5面。清污設(shè)備為江蘇泉溪環(huán)保股份有限公司2008年3月20日制造的GSY型三索式鋼絲繩格柵除污機(jī)。

2 現(xiàn)有清污機(jī)技術(shù)改造的必要性及改造目的

2.1 現(xiàn)有清污機(jī)技術(shù)參數(shù)

臺(tái)兒莊泵站現(xiàn)有清污機(jī)共9個(gè)進(jìn)水孔，設(shè)置有9臺(tái)固定式耙斗清污機(jī)，進(jìn)水口最高水深6.1 m。技術(shù)參數(shù)如下：孔口寬4.2 m；柵體傾角80°；電動(dòng)機(jī)功率7.5 kW；柵條凈距145 mm；設(shè)計(jì)水頭差2.0 m；垂直安裝高度14.31m；最大清污能力20t/h；耙斗容積1.12 m3；一次最大清污能力1 000 kg；提升電機(jī)SA97DV112M4，P=4 kW；啟閉電機(jī)減速機(jī)SAF87DV100L4，P=2.2 kW；耙斗運(yùn)行速度0～11 m/min。

2.2 現(xiàn)有清污機(jī)存在的問(wèn)題

泵站調(diào)水運(yùn)行期間，由于距第六級(jí)泵站距離長(zhǎng)，上游河道兩側(cè)的生活垃圾、樹(shù)枝、雜草等經(jīng)過(guò)水流的沖擊堵塞在攔污柵上，大大減小了過(guò)柵流量。同時(shí)，因現(xiàn)狀清污機(jī)工作動(dòng)作復(fù)雜、單耙效率低下、卸污效果差，且每個(gè)洞口都需人工手動(dòng)操作，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力又不能及時(shí)將污物從渠道內(nèi)清理出來(lái)，在進(jìn)水口處形成擁堵，嚴(yán)重影響泵站正常調(diào)水作業(yè)。經(jīng)分析，主要存在以下問(wèn)題。

（1）耙斗自重小，隨著污物增多及種類變化，不能較好地清理污物，尤其是水草漂浮在水面，積聚多時(shí)造成耙斗不能下沉打撈污物。

（2）由于耙斗式清污機(jī)工作的線性原理，上部缺少有效的卸污翻轉(zhuǎn)裝置，污物到達(dá)頂部后，部分污物難以落到皮帶機(jī)上，而是重新滑落至柵前水面上。

（3）自動(dòng)化控制系統(tǒng)與清污機(jī)PLC中斷，不適應(yīng)工程的運(yùn)行管理。

2.3 清污機(jī)技術(shù)改造的必要性

2016—2018年，南水北調(diào)工程建設(shè)監(jiān)管中心和國(guó)務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)專家委員會(huì)多次到現(xiàn)場(chǎng)稽察檢查，針對(duì)臺(tái)兒莊泵站清污機(jī)清污效果差、清污能力成為影響泵站安全運(yùn)行的重要因素的實(shí)際情況，稽察專家建議開(kāi)展清污機(jī)擴(kuò)容或改進(jìn)機(jī)型的研究工作，以滿足工程安全運(yùn)行清污的需要。

為解決臺(tái)兒莊泵站清污機(jī)存在的問(wèn)題，南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司于2019年3月21日在臺(tái)兒莊泵站管理處組織召開(kāi)了臺(tái)兒莊泵站清污機(jī)技術(shù)改造專家咨詢會(huì)。專家們查看了工程現(xiàn)場(chǎng)，聽(tīng)取了有關(guān)單位的意見(jiàn)，經(jīng)認(rèn)真討論，提出咨詢意見(jiàn)：一是現(xiàn)清污機(jī)故障率高，由于污物量大，攔污柵堵塞嚴(yán)重，已不能滿足運(yùn)行要求，建議盡快改造；二是建議采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，并進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)；電氣控制方式具備現(xiàn)地、遠(yuǎn)程控制功能，電氣控制柜采用集中布置方式；清污機(jī)材質(zhì)采用304不銹鋼等。

經(jīng)綜合分析，認(rèn)為清污機(jī)改造必要性有以下3個(gè)方面：①保證泵站機(jī)組安全運(yùn)行的需要，使清污機(jī)真正發(fā)揮作用，防止污物進(jìn)入水泵機(jī)組，造成機(jī)組發(fā)生不平衡振動(dòng)和過(guò)負(fù)荷等安全隱患；②保證泵站機(jī)組穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要，使清污機(jī)及時(shí)可靠地運(yùn)行，能夠有效減輕攔污柵所攔截污物阻塞柵孔，保證攔污柵的設(shè)計(jì)過(guò)流面積，減小過(guò)柵局部水頭損失，提高水泵運(yùn)行效率，為機(jī)組高效運(yùn)行提供保障；③提高泵站運(yùn)行管理水平的需要。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求，為了降低污物對(duì)泵站等設(shè)備安全運(yùn)行的影響，考慮工程運(yùn)行管理、安全等方面的要求，需要提高工程的運(yùn)行安全保證率，對(duì)泵站清污機(jī)進(jìn)行改造十分必要。

3 清污機(jī)型式及方案比選

3.1 主要清污機(jī)型式及特點(diǎn)分析

清污機(jī)的選型應(yīng)根據(jù)來(lái)污量、污物性質(zhì)和攔污柵的布置方式而定。清污機(jī)的型式主要有兩大類，即耙斗式和回轉(zhuǎn)齒耙式。耙斗式清污機(jī)按安裝方式分為固定式和移動(dòng)式，耙斗的開(kāi)閉方式分為繩索式和液壓驅(qū)動(dòng)式，多用于水電站進(jìn)水口攔污柵的清污?；剞D(zhuǎn)齒耙式清污機(jī)（以下簡(jiǎn)稱回轉(zhuǎn)式清污機(jī)）多用于泵站進(jìn)水口的清污，與攔污柵做成整體，動(dòng)力裝置分為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，清污刮板傳動(dòng)裝置采用回轉(zhuǎn)式輸送鏈。

（1）耙斗式清污機(jī)。根據(jù)布置方式可以采用固定式、移動(dòng)式和單軌懸吊式。小型固定式耙斗清污機(jī)的耙斗張合可以采用手動(dòng)操縱。耙斗的形式根據(jù)污物的不同可采用斗狀或齒耙狀。斗狀耙斗適合樹(shù)枝等浮游桿狀及大尺寸垃圾的清理。齒耙式耙斗適用于水草等較細(xì)軟的污物清理。為防止耙斗的側(cè)向移動(dòng)，耙斗的設(shè)計(jì)應(yīng)有導(dǎo)向輪，其擋水面積盡可能小。為保證耙斗貼壓攔污柵面，一般應(yīng)采取吊點(diǎn)偏心設(shè)計(jì)。采用耙斗式清污機(jī)時(shí)，應(yīng)關(guān)注由于卡阻引起的攔污柵的安全性以及耙斗在水下運(yùn)行時(shí)水動(dòng)力對(duì)清污效果的影響。

（2）回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。其主要適用于小樹(shù)枝、水草等體積較小而數(shù)量較多的情況。齒耙在鏈條上固定，每隔一定距離固定1個(gè)齒耙。齒耙插入柵面一般為20～40 mm，齒兩側(cè)與柵條的間隙一般為3 mm左右。齒耙到達(dá)頂部，由活動(dòng)的刮板或圓毛刷壓緊并清理。該類清污機(jī)使用較多，效果較好。

2種型式清污機(jī)主要特點(diǎn)，詳見(jiàn)表1。

表1 2種型式清污機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

3.2 技術(shù)改造方案比較

根據(jù)臺(tái)兒莊泵站清污機(jī)的技術(shù)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮各方面因素，提出以下2個(gè)方案。其中，方案一是維持原清污機(jī)型式不變，更新更換部件，尤其是耙斗等部件；方案二是更換清污機(jī)型式。2種方案對(duì)比，詳見(jiàn)表2。從表2可以看出，方案一投資較少，但存在改造效果不確定等缺點(diǎn)，且存在需與原制造廠家協(xié)商等困難；方案二改造較徹底，投資較大，利用原有部分?jǐn)r污柵和埋件，能較好地解決實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)方案比較及綜合分析，本次清污機(jī)改造推薦使用方案二，即利用原有攔污柵改造成回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。

表2 2種改造方案對(duì)比

4 清污機(jī)技術(shù)改造內(nèi)容

本次技術(shù)改造工程維持原清污機(jī)埋件不變，利用原清污機(jī)部分柵體改造成回轉(zhuǎn)式清污機(jī)；改造皮帶輸送機(jī)；新建一配電室，對(duì)9孔清污機(jī)進(jìn)行總控制，同時(shí)在每孔清污機(jī)處設(shè)現(xiàn)地控制，可進(jìn)行清污機(jī)啟閉。

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)由于其工作原理是以攔污柵體為基礎(chǔ)，在柵體上下游左右兩側(cè)焊接有牽引鏈條軌道，用于實(shí)現(xiàn)牽引鏈條繞柵回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)清污齒耙自下而上清除柵面污物。因此，回轉(zhuǎn)式清污機(jī)對(duì)柵體整體性要求較高，在利用原攔污柵橫梁和柵片時(shí)，必須在工廠內(nèi)改造制作，增加邊梁工字鋼，將原橫梁和柵片重新鑲嵌焊接在邊梁上；同時(shí)，按回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)計(jì)要求增加牽引鏈條軌道，形成新回轉(zhuǎn)式清污機(jī)水下部分柵體。而原攔污柵用于耙斗式清污機(jī)工作時(shí)，其支撐架與基礎(chǔ)固定焊接在一起，從柵條到底板沒(méi)有邊梁，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量大，拆除后柵片和橫梁各為一體。

由于清污原理和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同，根據(jù)現(xiàn)有耙斗式清污機(jī)和攔污柵結(jié)構(gòu)，改造成為回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，只有柵條以下部分柵體通過(guò)工廠內(nèi)改造后可作為新清污機(jī)柵體和埋件使用。因此，本次技術(shù)改造的內(nèi)容主要包括拆除耙斗式清污機(jī)部分設(shè)施、新制作回轉(zhuǎn)式清污機(jī)部分設(shè)施、改造后的回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的安裝。