南水北調(diào)睢寧二站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)優(yōu)化及應(yīng)用

吳利明，杜 威，王玉嬌，朱建傳

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800）

1 研究背景

我國水資源分配不均勻，近年來調(diào)水工程作為重大民生工程發(fā)揮著越來越重要的作用。南水北調(diào)工程是緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，有東線、中線、西線3 條調(diào)水線路。南水北調(diào)東線工程從長江下游江蘇揚(yáng)州抽引長江水，通過13梯級泵站逐級提水，利用京杭大運(yùn)河及其平行的河道輸水。

南水北調(diào)東線工程主要包括泵站、水閘、水庫等水工建筑物，其中泵站是保障一江清水北上的關(guān)鍵。泵站的進(jìn)水建筑物主要包括引河、清污機(jī)橋、進(jìn)水池和進(jìn)水流道，由于河道中有大量水生植物、工農(nóng)業(yè)及生活廢棄物，為保護(hù)水泵機(jī)組的安全運(yùn)行，大多在泵站進(jìn)水池前設(shè)置攔污清污機(jī)。清污機(jī)是清理攔污柵前雜物、減小雜物阻塞造成水頭損失的重要設(shè)備，其清污效率會影響泵站的運(yùn)行效率。清污機(jī)運(yùn)行效率低會導(dǎo)致格柵前后形成較大的水力坡降，輕則使泵站機(jī)組流量減小、功率增大，重則損壞攔污柵，造成安全生產(chǎn)事故。

國內(nèi)學(xué)者對回轉(zhuǎn)式清污機(jī)開展了一定的研究工作，薛桂榮[1]介紹了回轉(zhuǎn)式格柵清污機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行性能，提出應(yīng)根據(jù)水利工程實(shí)際情況及需求，來確定清污機(jī)的結(jié)構(gòu)型式和主要技術(shù)參數(shù)，安裝過程中應(yīng)處理好技術(shù)問題，使清污機(jī)功效充分發(fā)揮。丁峰等[2]經(jīng)過剖析回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的材質(zhì)、安裝的角度、柵條的凈距等選型設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合某泵站工程，得出回轉(zhuǎn)式清污機(jī)材質(zhì)的選取和泵站的使用功能、水質(zhì)等存在很大關(guān)系。周永健[3]為了解決城市河道垃圾、漂浮物呈逐年上升趨勢，雜物聚集在城市防洪排澇泵站進(jìn)水口，通過啟用鏈板式回轉(zhuǎn)式格柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清理河道垃圾和雜物，取得了良好實(shí)效。張軍等[4]以攔污柵在使用中經(jīng)常出現(xiàn)的阻塞、銹蝕及振動等問題為導(dǎo)向，提出優(yōu)化泵站攔污柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用新型防銹蝕技術(shù)、合理布置攔污柵角度等措施，從而進(jìn)一步提升攔污柵攔擋雜物與清污性能。李慧斌[5]闡述了回轉(zhuǎn)式清污機(jī)在城市排澇泵站中選用的技術(shù)要點(diǎn)，并結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和日常運(yùn)行管理提出了建議。高朝輝[6]指出攔污柵對泵站機(jī)組運(yùn)行的影響，分析了不同結(jié)構(gòu)形式攔污柵的清污效果和穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段，應(yīng)用在泵站的回轉(zhuǎn)式清污機(jī)因局部結(jié)構(gòu)不合理、清污效率不高、故障頻發(fā)等問題，大大影響了清污設(shè)備的運(yùn)行性能和泵站機(jī)組的運(yùn)行效率，給工程管理單位帶來很大的運(yùn)行壓力。為提高清污機(jī)的清污效率和安全可靠性，開展清污機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和智能控制研究，對確保泵站高效運(yùn)行具有很好的理論和實(shí)踐意義。

2 工程概況及清污機(jī)存在問題

2.1 工程概況

睢寧二站位于徐州市睢寧縣沙集鎮(zhèn)境內(nèi)的徐洪河上，是南水北調(diào)東線一期工程運(yùn)西線第5 梯級泵站之一，工程主要任務(wù)是通過徐洪河抽引泗洪站來水，聯(lián)合沙集站沿徐洪河向北輸水到邳州站，再由邳州站向東經(jīng)房亭河調(diào)入中運(yùn)河，實(shí)現(xiàn)徐洪河線入駱馬湖流量100 m3/s 的目標(biāo)，與中運(yùn)河線共同滿足向駱馬湖調(diào)水275 m3/s的目標(biāo)。

睢寧二站安裝2600HDQ20-9 立式液壓全調(diào)節(jié)混流泵4臺套（含備機(jī)1臺套），水泵葉輪直徑2 600 mm（球面直徑2 900 mm），單機(jī)設(shè)計(jì)流量20 m3/s，配套同步電動機(jī)TL3000-40/3250，單機(jī)功率3 000 kW，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程8.3 m，總裝機(jī)容量12 000 kW，工程設(shè)計(jì)流量60 m3/s。泵站下游距離主廠房165 m 處安裝回轉(zhuǎn)式清污機(jī)8 臺，型號為XHG-11-4500，廠家為江蘇一環(huán)集團(tuán)有限公司。泵站年均開機(jī)100 d左右，日均打撈水草約15 t，年水草打撈量約1 500 t。工程于2013 年4 月建成投運(yùn)，截至2022 年底累計(jì)抽水34.96億m3。

2.2 存在問題

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)主要由驅(qū)動傳動系統(tǒng)、攔污柵體、不銹鋼輸送鏈、回轉(zhuǎn)齒耙等組成。攔污柵是清污機(jī)的基礎(chǔ)，通過繞柵回轉(zhuǎn)鏈條驅(qū)動清污齒耙，將攔污柵前的雜物帶到清污機(jī)頂部，翻轉(zhuǎn)卸污到皮帶輸送機(jī)上，實(shí)現(xiàn)持續(xù)清污的目的。睢寧二站在長期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)清污機(jī)主要面臨以下問題。

（1）清污機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于磨損等原因?qū)е虏讳P鋼輸送鏈的鏈條發(fā)生松動現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致鏈條脫軌，致使清污機(jī)無法正常工作。通常回轉(zhuǎn)式清污機(jī)下部在水面以下，鏈條的松動程度難以觀察，以致于給維修帶來較大困難。

（2）回轉(zhuǎn)齒耙運(yùn)行速度無法自行調(diào)節(jié)，過慢導(dǎo)致清污的效率受影響，清污不及時(shí)導(dǎo)致水位坡降會影響機(jī)組效率；過快會造成能源的浪費(fèi)，造成清污機(jī)運(yùn)行成本增加。

（3）清污機(jī)與皮帶輸送機(jī)的配合使用上一般采用手動操作，對于先后啟停順序容易搞錯(cuò)。

（4）攔污柵體為整體框架，即使發(fā)生局部損壞，也需整體吊出柵體進(jìn)行檢修，吊裝起重力大，泵站現(xiàn)場難以滿足要求，一般需租賃吊車配合，檢修維護(hù)費(fèi)用高、周期長。

（5）清污機(jī)側(cè)邊軌道與墩墻之間存在清污死角，雜物容易堆積于清污機(jī)側(cè)面，影響過水流量，造成攔污柵前后存在水位差，一般需采用人工船配合打撈。攔污柵底部采用直立前置柵結(jié)構(gòu)，底部較大范圍齒耙無法到達(dá)，無法清污，易堵塞，部分污物容易從下部漏走進(jìn)入進(jìn)水池，存在進(jìn)入機(jī)組的安全隱患。

3 解決方案

3.1 鏈條松動自動檢測及張緊設(shè)計(jì)

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)鏈條的下垂程度，在鏈條下方設(shè)置安裝壓力傳感器，鏈條松動自動檢測及張緊設(shè)計(jì)如圖1 所示。當(dāng)輸送鏈條松動到一定程度，觸碰壓力傳感器，壓力傳感器發(fā)出信號到自動張緊裝置的控制電機(jī)，控制電機(jī)動作，自動張緊裝置驅(qū)動絲桿傳動機(jī)構(gòu)，從而張緊鏈條[7]，自動張緊裝置如圖2所示。

圖1 鏈條松動自動檢測及張緊設(shè)計(jì)

圖2 自動張緊裝置

3.2 清污機(jī)智能控制設(shè)計(jì)

清污機(jī)的運(yùn)行與河道來污量應(yīng)相適應(yīng)，當(dāng)河道來污量較多時(shí)應(yīng)該增加清污機(jī)運(yùn)行頻率，當(dāng)河道來污量較少時(shí)應(yīng)該減少清污機(jī)運(yùn)行頻率。如果河道中來污量小而清污機(jī)頻繁啟動，將導(dǎo)致清理費(fèi)用和運(yùn)行成本增加；相反，如果河道中來污量大而沒有及時(shí)清污，就可能造成攔污柵前嚴(yán)重阻塞，柵前柵后水位差過大，會使泵站的揚(yáng)程和機(jī)組的耗電量增大，還可能導(dǎo)致安全隱患。

因此，采用智能化自動控制清污機(jī)運(yùn)行十分有意義，在清污機(jī)前后安裝監(jiān)測儀，用于監(jiān)測攔污柵前后水位和控制清污機(jī)運(yùn)行，根據(jù)河道中來污量多少和攔污柵前后水位差的實(shí)際情況，選擇合適的清污機(jī)運(yùn)行模式。清污機(jī)控制方式分為現(xiàn)地控制、自動控制和遠(yuǎn)方控制[8]。現(xiàn)地控制方式是運(yùn)行人員操作控制柜上按鈕，控制運(yùn)行清污機(jī)；自動控制方式是采集攔污柵前后水位信號，通過現(xiàn)地柜PLC控制程序，根據(jù)換算的水位差值控制清污機(jī)的啟停；遠(yuǎn)方控制方式是由泵站中控室上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對清污機(jī)的遠(yuǎn)程控制。清污機(jī)的控制方式可根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況選擇，通常手動控制方式優(yōu)先級最高[2]。

3.3 皮帶機(jī)與清污機(jī)遠(yuǎn)程自動“順啟逆?！痹O(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)的控制順序一般為：開機(jī)撈草時(shí)，先開皮帶輸送機(jī)，后開清污機(jī)；停機(jī)時(shí)，先停清污機(jī)，后停皮帶輸送機(jī)。即對皮帶輸送機(jī)和清污機(jī)而言，順序啟動，逆序停止。上述步驟一般采用手動操作，較為繁瑣。

當(dāng)清污機(jī)控制方式為遠(yuǎn)方控制時(shí)，通過公用LCU 柜PLC 的控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動順序啟停清污機(jī)和皮帶輸送機(jī)，即：先按照要求遠(yuǎn)程開啟皮帶輸送機(jī)，間隔一段時(shí)間后，清污機(jī)自動開啟，當(dāng)垃圾撈取完畢時(shí)，遠(yuǎn)程先關(guān)閉清污機(jī)，后間隔一段時(shí)間自動關(guān)閉皮帶輸送機(jī)，遠(yuǎn)程自動順啟逆停控制電路如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程自動順啟逆停控制電路

M1為皮帶輸送機(jī)電動機(jī)，M2為清污機(jī)電動機(jī)，KM1、KM2 分別為M1 和M2 電動機(jī)的自動啟停開關(guān)的線圈和觸點(diǎn)。KT1、KT2 為時(shí)間繼電器，可以通過人工設(shè)定一個(gè)固定時(shí)間t1、t2，當(dāng)時(shí)間繼電器線圈得電后，經(jīng)過t1、t2 時(shí)間段后其觸點(diǎn)kt21、kt22、kt23以及kt1 自動接觸或斷開。遠(yuǎn)程PLC2 停止按鈕和KM 按鈕存在機(jī)械電氣聯(lián)鎖，即PLC2 觸點(diǎn)閉合接通，則KM 觸點(diǎn)斷開，反之若PLC2 觸點(diǎn)斷開，則KM 觸點(diǎn)閉合接通。

當(dāng)河道需要打撈時(shí)，遠(yuǎn)程PLC1 啟動按鈕按下，KM1 線圈得電，km1 觸點(diǎn)自保持，km1-KM1-kt21回路接通，M1 皮帶輸送機(jī)電動機(jī)持續(xù)帶電轉(zhuǎn)動。同時(shí)，km1-kt22-KT1-kt21回路也接通，KT1 線圈得電，一定時(shí)間t1 后，kt1 觸點(diǎn)接觸，使KM2 線圈得電，觸點(diǎn)閉合，回路km1-PLC2-kt1-KM2-kt21接通，M2 清污機(jī)電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)撈草。

當(dāng)河道內(nèi)雜物打撈完畢，遠(yuǎn)程PLC2停止按鈕按下，使KM2 線圈失電，觸點(diǎn)斷開，km1-PLC2-kt1-KM2-kt21回路斷開，M2 清污機(jī)電動機(jī)停止撈草。由于遠(yuǎn)程PLC2 停止按鈕和KM 按鈕存在機(jī)械電氣聯(lián)鎖，遠(yuǎn)程PLC2 停止按鈕按下的同時(shí)，KM 按鈕閉合，kt23觸點(diǎn)自保持，KT2時(shí)間繼電器線圈得電，延時(shí)一段時(shí)間t2 后，kt21觸點(diǎn)斷開，km1-KM1-kt21回路失電，M1皮帶輸送機(jī)電動機(jī)也停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.4 攔污柵架分體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柵條架由若干柵條組成，單孔攔污柵由2～4 片柵條架并列組成。不同于常規(guī)攔污柵直接將柵條焊接固定于柵體框架上的形式，柵條架與柵體框架通過不銹鋼螺栓連接緊固。清污機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)其中一片柵條架損壞時(shí)，僅需拆裝維修該片柵條架，降低了起吊重量，減小了維修難度。并且運(yùn)行管理單位可購置柵條架作為備品備件，清污機(jī)局部柵條架發(fā)生損壞時(shí)，管理單位能在短時(shí)間內(nèi)完成新柵條架的更換，可以大大節(jié)省維修費(fèi)用和檢修時(shí)間[9]。

3.5 清污機(jī)增設(shè)側(cè)邊導(dǎo)污板

清污機(jī)增設(shè)側(cè)邊導(dǎo)污板，如圖4 所示，可以有效地消除邊梁與墩墻之間的清潔死角。側(cè)邊導(dǎo)污板從底部一直延伸到主柵體的頂部，并且按照一定的傾斜角度安裝，其中一頭焊接在鏈輪運(yùn)行導(dǎo)軌的上方，另一頭固定在孔口側(cè)墩上。當(dāng)河道中的雜物靠近攔污柵時(shí)，會沿著導(dǎo)污板的邊緣經(jīng)水流帶入齒耙的工作范圍內(nèi)，被回轉(zhuǎn)齒耙清理上岸[10]。

圖4 側(cè)邊導(dǎo)污板位置

優(yōu)化底部前置柵，采取弧形柵取代原來的直柵，從而使柵體底部前置柵結(jié)構(gòu)更加合理，其弧度完全符合齒耙的旋轉(zhuǎn)軌跡。優(yōu)化后的前置柵可以固定在底板上，也可以固定在主柵體上。齒耙從弧形前置柵與主柵體之間完美地貼合通過，因此能夠清除水底附著在前置柵上的污物和靠近底板處的雜物，減少柵體底部阻塞，從而達(dá)到更好的清理效果。

4 應(yīng)用效果

睢寧二站于2022年9月選取了部分清污機(jī)進(jìn)行改造并安裝調(diào)試完畢，2022年11月投入向省外調(diào)水運(yùn)行，開機(jī)超過80 d，調(diào)水4.7億m3，累計(jì)撈草約850 t。通過對改造與未改造清污機(jī)運(yùn)行情況對比發(fā)現(xiàn)，改造后的清污機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）通過自動檢測及張緊裝置能及時(shí)處理不銹鋼輸送鏈條松動的問題，運(yùn)行中未發(fā)生鏈條脫軌現(xiàn)象，設(shè)備的故障率、維修費(fèi)和人工費(fèi)都有所減少。

（2）智能控制運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)運(yùn)行方式方便，現(xiàn)地自動控制方式效果良好，未發(fā)生運(yùn)行初期因河道來污量大造成鏈條軸銷斷裂、齒耙管或耙齒變形等情況。

（3）皮帶機(jī)與清污機(jī)遠(yuǎn)程自動“順啟逆?！彪娐穬?yōu)化改造后，實(shí)現(xiàn)清污機(jī)自動撈草順序開機(jī)和逆序停機(jī)等程序，給值班人員減輕了清污機(jī)運(yùn)行壓力。

（4）攔污柵前雜物清理效率高，清理效果好。

5 結(jié)語

通過研究睢寧二站清污機(jī)的優(yōu)化改造，巧妙地完善了傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)結(jié)構(gòu)上和控制方式的不足，改進(jìn)了鏈條、攔污柵架、前置柵等部位的設(shè)計(jì)，增加了消除清污死角的側(cè)邊導(dǎo)污板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了智能控制和遠(yuǎn)程自動控制。睢寧二站回轉(zhuǎn)式清污機(jī)經(jīng)過技術(shù)改造取得了預(yù)期效果，技改后的清污機(jī)在向省外調(diào)水期間運(yùn)行良好，清污效果比未改造的清污機(jī)更佳，故障率有所降低，運(yùn)行性能大大提高，為泵站穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行提供了有力保障。綜上，清污機(jī)優(yōu)化應(yīng)用成果對于水利工程清污設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝、改造具有一定的借鑒意義。