姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務(wù)設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225264)

湘江水電站清污機(jī)設(shè)計(jì)

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務(wù)設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225264)

湘江水電站每逢雨水季節(jié)、洪水季節(jié)來臨時(shí)，大量樹枝、木頭、水生藤蔓、生活垃圾堆積在進(jìn)水口攔污柵前，清污問題困擾著電站安全生產(chǎn)。本文根據(jù)現(xiàn)場條件研究設(shè)計(jì)的清污設(shè)備，避免了攔污柵壓差過大對水工建筑物及發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的危害，保護(hù)了機(jī)組安全運(yùn)行，為同類型水電站提供借鑒作用。

水電站;回轉(zhuǎn)式清污機(jī);柵體;鋼排架

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.038

1 概述

湖南省東安縣湘江水電站位于東安縣石期市鎮(zhèn)羊角坪，為湘江干流上第一座徑流式電站，是一處集發(fā)電、灌溉、防洪于一體的綜合水利水電工程。該電站控制流域面積7940km2，總庫容2074萬m3。安裝6臺(tái)3200Kw立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)單機(jī)出力3370 Kw，額定流量37m3/s，額定水頭11m，最大水頭13.0m，最小水頭6.0m。

原進(jìn)水前池為人工攔污柵，完全依靠人工清污，特別是雨水季節(jié)、洪水季節(jié)，有大量樹枝、樹根、水生藤蔓、生活垃圾(主要為塑料泡沫及薄膜、小動(dòng)物尸體)堆積在進(jìn)水口攔污柵前，無法快速有效清除。造成柵前和柵后水位差增大，機(jī)組水量下降，水頭損失增加。穿過柵條的水草、垃圾等雜物沖入到水輪機(jī)內(nèi)，葉輪阻力增大，引起水力不平衡，產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)，有時(shí)需停機(jī)清理。嚴(yán)重影響水輪機(jī)組發(fā)電效率。

為了保證水輪機(jī)正常運(yùn)行，在每臺(tái)機(jī)組的進(jìn)水口設(shè)置回轉(zhuǎn)式清污機(jī)并配套皮帶輸送機(jī)。

2 回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

清污機(jī)包含柵體及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在電機(jī)、減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，回轉(zhuǎn)牽引鏈在迎水面由下向上作繞柵體回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)牽引鏈上的齒耙軸運(yùn)轉(zhuǎn)到柵條的迎水面時(shí)，齒耙即插入柵條的縫隙中作清撈動(dòng)作，將柵條上所截留的雜物刮入耙中。齒耙設(shè)計(jì)成雙齒齒耙，雙齒間呈一定夾角，當(dāng)一齒插入柵條柵隙中清撈時(shí)，另一齒與其成包圍之勢將固體雜物包圍住，不讓其脫漏，當(dāng)齒耙運(yùn)轉(zhuǎn)到機(jī)器上部時(shí)，雜物自重自行脫落到皮帶輸送機(jī)中，集中運(yùn)至指定地點(diǎn)。

2.2 基本參數(shù)

清污機(jī)選型主要考慮取水口水工建筑物型式、建筑尺寸、孔口尺寸、來污量及種類、柵前水流形態(tài)、過柵流速等因素。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)設(shè)置于6臺(tái)機(jī)組進(jìn)水流道口處，設(shè)計(jì)及制造執(zhí)行SL382-2007標(biāo)準(zhǔn)?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)采用鋼制門槽安裝，安裝角度為90°，清污設(shè)備柵體分節(jié)制作，安裝時(shí)逐節(jié)安裝。平臺(tái)上部增設(shè)鋼立柱和電動(dòng)葫蘆，方便安裝與檢修。

2.3.1 柵體

柵體由32a工字鋼焊接成框架與80×10mm柵條焊接成一剛性整體，最高設(shè)計(jì)水頭2.0m時(shí)主梁變形不大于H/500(H為主梁跨度)?？蚣?、柵條材質(zhì)采用Q235B。柵體具有足夠強(qiáng)度和剛度，能承受水中較大飄浮物的撞擊。柵體分節(jié)制造，節(jié)與節(jié)采用定位銷定位，再用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，每節(jié)做好數(shù)字編號(hào)。單節(jié)最大長度符合國家公路運(yùn)輸有關(guān)規(guī)定，單節(jié)柵體均設(shè)有吊耳，便于運(yùn)輸和安裝。每臺(tái)套柵體共分6節(jié)，最大單節(jié)長度2.8m。

2.3.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)減速機(jī)位于清污機(jī)頭架內(nèi)部，擋污板下部，采用隱身式結(jié)構(gòu)，電機(jī)防護(hù)能力也大大提高。減速機(jī)采用立式臥裝擺線減速機(jī)與鏈輪傳動(dòng)組合形式。由于機(jī)頭上部空間不受限制，大型污物可以順利通過，此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，外形也美觀。

驅(qū)動(dòng)軸采用20#鋼 ?146×20無縫管設(shè)計(jì)，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受彎矩和扭矩同時(shí)工作的載荷;鏈輪采用45鋼，齒面淬火HRC40～45，耐磨性能好;傳動(dòng)鏈條節(jié)距P50.8，大小鏈輪齒數(shù)16/25;牽引鏈輪節(jié)距 P140，齒數(shù)9齒。調(diào)節(jié)螺桿、螺母采Q345熱鍍鋅處理。主軸軸承采用FGB自潤滑軸承。驅(qū)動(dòng)鏈條采用板式套筒滾子鏈，鏈板、聯(lián)接螺栓、螺母均采用304不銹鋼材質(zhì)，滾子直徑?75mm，鏈板厚度8mm，銷軸直徑?20mm，牽引力大，抗拉強(qiáng)度高，安全系數(shù)大于6。鏈條齒耙固定結(jié)構(gòu)采用開槽螺母防松結(jié)構(gòu)，可以有效防止齒耙脫落。

2.3.3 耙齒設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)清污機(jī)每臺(tái)設(shè)有18根齒耙管，普通耙齒9根，鉤形耙齒9根。齒耙管在選型時(shí)采用相同抗彎強(qiáng)度的型材，優(yōu)先選用小尺寸厚壁無縫鋼管，以減少阻水面積，直徑選用?133×10無縫管，耙齒采用厚度10mm沖壓件。耙齒鋼管上焊有耙齒，上柵齒與柵面成75°夾角，下柵齒插入柵條20mm。

考慮到湘江河道來污特點(diǎn)，有很多樹枝、樹根，在普通型耙齒之間增加帶鉤形耙齒，防止污物滑落見圖1。

圖1 耙齒

2.3.4 清渣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清污機(jī)牽引鏈輪下方，皮帶輸送機(jī)上側(cè)，設(shè)有清渣裝置。確保污物由于卸載不凈而被帶入下游。

清渣裝置由清渣板和橡膠板組成。清渣板上切割與柵條等間距的槽，槽口的兩側(cè)壓有橡膠塊，橡膠塊槽口與耙齒厚度相等。在耙齒經(jīng)過槽口時(shí)，橡膠塊與耙齒如梳子一樣，清除耙齒管上的污物。事實(shí)證明，大、重的污物依靠自身重力，就能順利落渣。較輕的、藤狀污物如河草類，經(jīng)過梳齒后卸得也很干凈見圖2。

圖2 清渣機(jī)構(gòu)

2.3.5 底部攔污柵設(shè)計(jì)

清污機(jī)底部設(shè)置前置柵，主要作用是攔截水底垃圾，防止水底垃圾從齒耙繞柵空隙通過。如果底部有淤積時(shí)，清污機(jī)底輔助攔污柵需要上移，以避開淤積層，有利于齒耙回轉(zhuǎn)。

2.3.6 過載保護(hù)裝置

機(jī)械過載保護(hù)，驅(qū)動(dòng)裝置中設(shè)有安全剪切銷作過載保護(hù)裝置。安全剪切銷安裝在減速裝置鏈輪上，按清污機(jī)額定扭矩確定剪切銷剪切直徑，過載時(shí)剪切銷被切斷，使傳動(dòng)鏈輪與減速機(jī)輸出軸空轉(zhuǎn)，從而起到過載保護(hù)作用，防止傳動(dòng)件被損壞。機(jī)械過載保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作可靠準(zhǔn)確、維護(hù)方便。

載荷限制器(電氣保護(hù))，在電氣設(shè)計(jì)中設(shè)有熱過載保護(hù)，保證在設(shè)備出現(xiàn)故障后能自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出信號(hào)以有效地保護(hù)電機(jī)不被燒壞。

2.3.7 電器控制

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)采用液位差控制與PLC相結(jié)合?？刂葡渚哂惺謩?dòng)、自動(dòng)、手/自動(dòng)切換、急停、切斷、報(bào)警等功能，控制箱設(shè)有與其它相聯(lián)系設(shè)備的端口?，F(xiàn)場手動(dòng)控制，通過控制箱按鈕進(jìn)行操作;遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，通過遠(yuǎn)程PLC控制設(shè)備的運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障，會(huì)向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)。現(xiàn)場控制箱具有以下與中控室相連的無源輸入輸出接點(diǎn)，工作狀態(tài)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)、故障信號(hào)、中控室控制輸入。

回轉(zhuǎn)式清污機(jī)與皮帶輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，即只要啟動(dòng)任何一臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，皮帶輸送機(jī)也聯(lián)鎖啟動(dòng)，當(dāng)所有回轉(zhuǎn)式格柵清污機(jī)停止工作后，皮帶輸送機(jī)還繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間才停止工作。

2.4 鋼排架設(shè)計(jì)

鋼排架包含H型鋼立柱、軌道工字鋼及電動(dòng)葫蘆組成，用于清污機(jī)安裝、檢修。由于現(xiàn)場條件限制，大型汽車吊到達(dá)不了工作面進(jìn)行安裝，只能從前池右端吊入，再由電動(dòng)葫蘆將分節(jié)的清污機(jī)逐節(jié)吊入各對應(yīng)的孔口。

鋼排架利用進(jìn)水口現(xiàn)有檢修鋼閘門混凝土排架作為側(cè)梁，在清污機(jī)間隔混凝土支墩上架設(shè)相應(yīng)鋼立柱。鋼立柱和與混凝土排架采用高強(qiáng)度穿孔螺栓聯(lián)接，每孔清污機(jī)支墩上設(shè)400×400H型鋼立柱，總數(shù)量為12根，高度5.605m，在橫梁下方布置32b工字梁軌道2根，長度75m，工字梁上懸掛2臺(tái)2×50KN電動(dòng)葫蘆，電動(dòng)葫蘆操作采用現(xiàn)場控制操作?？紤]到工字梁、電動(dòng)葫蘆、起吊鉤的高度尺寸及清污機(jī)的分節(jié)高度尺寸，葫蘆起吊行程不低于16m，能夠滿足起吊、檢修所需要的尺寸。具體的布置形式如圖3。

圖3 鋼排架

2.5 清污機(jī)門槽設(shè)計(jì)

進(jìn)水流道孔口寬4000mm，經(jīng)過清污機(jī)水流有一定水頭損失，考慮到最大過流面積，將清污機(jī)設(shè)置于閘墩圓弧處，門槽寬4970mm，回轉(zhuǎn)清污機(jī)寬4875mm，柵條有效過流寬4445mm。清污機(jī)為垂直安裝，為保證固定牢靠及日常檢修方便，將埋件設(shè)置為門槽型。門槽采用鋼結(jié)構(gòu)制作，高度從底板至工作橋平臺(tái)為14m，在原閘墩圓弧處植筋，與門槽側(cè)筋板焊接固定，再立模板與原有閘墩圓弧面之間用混凝土澆筑如圖4。

圖4 鋼門槽

3 運(yùn)行要求

清污機(jī)運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等運(yùn)行部件應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、無卡阻、碰撞、異響等現(xiàn)象，整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。皮帶輸送機(jī)無跑偏，運(yùn)行平隱。

清污機(jī)工作過程:通過超聲波液位計(jì)測量柵前、柵后水位差，達(dá)到設(shè)定值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)啟動(dòng)清污機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)皮帶輸送機(jī)。運(yùn)行一段時(shí)間后，河道污物清理完，柵前柵后無水位差時(shí)，清污機(jī)停止運(yùn)行，皮帶輸送機(jī)再運(yùn)行5m in后停止，將皮帶上殘留污物輸送干凈。即完成一個(gè)工作循環(huán)，見圖5。

4 結(jié)語

清污機(jī)設(shè)計(jì)的合理與否，直接影響著水電站運(yùn)行狀況的好壞與經(jīng)濟(jì)效益。湘江水電站的回轉(zhuǎn)式清污機(jī)自投運(yùn)以來，機(jī)械清污代替人工清污，提高了效率，徹底解決了柵體壓差過大的安全隱患，保證了水工建筑物及機(jī)組安全運(yùn)行。為同類型水電站特別是為湘江下游水電站改造提供了成功的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

圖5 現(xiàn)場運(yùn)行圖

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1672-2469(2016)08-0119-04

2015-11-20

姚能棟(1980年—)，男，工程師。