湘江水電站清污機設計

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務設備有限公司，江蘇 揚州 225264)

湘江水電站清污機設計

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務設備有限公司，江蘇 揚州 225264)

湘江水電站每逢雨水季節、洪水季節來臨時，大量樹枝、木頭、水生藤蔓、生活垃圾堆積在進水口攔污柵前，清污問題困擾著電站安全生產。本文根據現場條件研究設計的清污設備，避免了攔污柵壓差過大對水工建筑物及發電機組產生的危害，保護了機組安全運行，為同類型水電站提供借鑒作用。

水電站;回轉式清污機;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羊角坪，為湘江干流上第一座徑流式電站，是一處集發電、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3200Kw立軸軸流轉槳式水輪發電機組，水輪機單機出力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。

原進水前池為人工攔污柵，完全依靠人工清污，特別是雨水季節、洪水季節，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、小動物尸體)堆積在進水口攔污柵前，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內，葉輪阻力增大，引起水力不平衡，產生機組振動，有時需停機清理。嚴重影響水輪機組發電效率。

為了保證水輪機正常運行，在每臺機組的進水口設置回轉式清污機并配套皮帶輸送機。

2 回轉式清污機設計

2.1 工作原理

清污機包含柵體及傳動機構，在電機、減速機的驅動下，回轉牽引鏈在迎水面由下向上作繞柵體回轉運動，當牽引鏈上的齒耙軸運轉到柵條的迎水面時，齒耙即插入柵條的縫隙中作清撈動作，將柵條上所截留的雜物刮入耙中。齒耙設計成雙齒齒耙，雙齒間呈一定夾角，當一齒插入柵條柵隙中清撈時，另一齒與其成包圍之勢將固體雜物包圍住，不讓其脫漏，當齒耙運轉到機器上部時，雜物自重自行脫落到皮帶輸送機中，集中運至指定地點。

2.2 基本參數

清污機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、過柵流速等因素。經設計計算，選擇回轉式清污機，技術參數見表1。

表1 技術參數

2.3 結構設計特點

回轉式清污機設置于6臺機組進水流道口處，設計及制造執行SL382-2007標準。回轉式清污機采用鋼制門槽安裝，安裝角度為90°，清污設備柵體分節制作，安裝時逐節安裝。平臺上部增設鋼立柱和電動葫蘆，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，最高設計水頭2.0m時主梁變形不大于H/500(H為主梁跨度)。框架、柵條材質采用Q235B。柵體具有足夠強度和剛度，能承受水中較大飄浮物的撞擊。柵體分節制造，節與節采用定位銷定位，再用高強度螺栓聯接，每節做好數字編號。單節最大長度符合國家公路運輸有關規定，單節柵體均設有吊耳，便于運輸和安裝。每臺套柵體共分6節，最大單節長度2.8m。

2.3.2 傳動機構設計

電機減速機位于清污機頭架內部，擋污板下部，采用隱身式結構，電機防護能力也大大提高。減速機采用立式臥裝擺線減速機與鏈輪傳動組合形式。由于機頭上部空間不受限制，大型污物可以順利通過，此種設計結構合理，外形也美觀。

驅動軸采用20#鋼 ?146×20無縫管設計，具有足夠的強度和剛度，以承受彎矩和扭矩同時工作的載荷;鏈輪采用45鋼，齒面淬火HRC40～45，耐磨性能好;傳動鏈條節距P50.8，大小鏈輪齒數16/25;牽引鏈輪節距 P140，齒數9齒。調節螺桿、螺母采Q345熱鍍鋅處理。主軸軸承采用FGB自潤滑軸承。驅動鏈條采用板式套筒滾子鏈，鏈板、聯接螺栓、螺母均采用304不銹鋼材質，滾子直徑?75mm，鏈板厚度8mm，銷軸直徑?20mm，牽引力大，抗拉強度高，安全系數大于6。鏈條齒耙固定結構采用開槽螺母防松結構，可以有效防止齒耙脫落。

2.3.3 耙齒設計

回轉清污機每臺設有18根齒耙管，普通耙齒9根，鉤形耙齒9根。齒耙管在選型時采用相同抗彎強度的型材，優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，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 清渣機構設計

清污機牽引鏈輪下方，皮帶輸送機上側，設有清渣裝置。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，槽口的兩側壓有橡膠塊，橡膠塊槽口與耙齒厚度相等。在耙齒經過槽口時，橡膠塊與耙齒如梳子一樣，清除耙齒管上的污物。事實證明，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，經過梳齒后卸得也很干凈見圖2。

圖2 清渣機構

2.3.5 底部攔污柵設計

清污機底部設置前置柵，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，清污機底輔助攔污柵需要上移，以避開淤積層，有利于齒耙回轉。

2.3.6 過載保護裝置

機械過載保護，驅動裝置中設有安全剪切銷作過載保護裝置。安全剪切銷安裝在減速裝置鏈輪上，按清污機額定扭矩確定剪切銷剪切直徑，過載時剪切銷被切斷，使傳動鏈輪與減速機輸出軸空轉，從而起到過載保護作用，防止傳動件被損壞。機械過載保護裝置結構簡單、動作可靠準確、維護方便。

載荷限制器(電氣保護)，在電氣設計中設有熱過載保護，保證在設備出現故障后能自動停機并發出信號以有效地保護電機不被燒壞。

2.3.7 電器控制

回轉式清污機采用液位差控制與PLC相結合。控制箱具有手動、自動、手/自動切換、急停、切斷、報警等功能，控制箱設有與其它相聯系設備的端口。現場手動控制，通過控制箱按鈕進行操作;遠程自動控制，通過遠程PLC控制設備的運行，一旦出現故障，會向控制中心發出報警信號。現場控制箱具有以下與中控室相連的無源輸入輸出接點，工作狀態信號、運行信號、故障信號、中控室控制輸入。

回轉式清污機與皮帶輸送機實現聯動控制，即只要啟動任何一臺回轉式清污機，皮帶輸送機也聯鎖啟動，當所有回轉式格柵清污機停止工作后，皮帶輸送機還繼續運行一段時間才停止工作。

2.4 鋼排架設計

鋼排架包含H型鋼立柱、軌道工字鋼及電動葫蘆組成，用于清污機安裝、檢修。由于現場條件限制，大型汽車吊到達不了工作面進行安裝，只能從前池右端吊入，再由電動葫蘆將分節的清污機逐節吊入各對應的孔口。

鋼排架利用進水口現有檢修鋼閘門混凝土排架作為側梁，在清污機間隔混凝土支墩上架設相應鋼立柱。鋼立柱和與混凝土排架采用高強度穿孔螺栓聯接，每孔清污機支墩上設400×400H型鋼立柱，總數量為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2×50KN電動葫蘆，電動葫蘆操作采用現場控制操作。考慮到工字梁、電動葫蘆、起吊鉤的高度尺寸及清污機的分節高度尺寸，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 清污機門槽設計

進水流道孔口寬4000mm，經過清污機水流有一定水頭損失，考慮到最大過流面積，將清污機設置于閘墩圓弧處，門槽寬4970mm，回轉清污機寬4875mm，柵條有效過流寬4445mm。清污機為垂直安裝，為保證固定牢靠及日常檢修方便，將埋件設置為門槽型。門槽采用鋼結構制作，高度從底板至工作橋平臺為14m，在原閘墩圓弧處植筋，與門槽側筋板焊接固定，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 運行要求

清污機運行時，傳動機構等運行部件應運轉靈活、無卡阻、碰撞、異響等現象，整機運行平穩可靠。皮帶輸送機無跑偏，運行平隱。

清污機工作過程:通過超聲波液位計測量柵前、柵后水位差，達到設定值時，報警系統發出警報并自動啟動清污機，同時啟動皮帶輸送機。運行一段時間后，河道污物清理完，柵前柵后無水位差時，清污機停止運行，皮帶輸送機再運行5m in后停止，將皮帶上殘留污物輸送干凈。即完成一個工作循環，見圖5。

4 結語

清污機設計的合理與否，直接影響著水電站運行狀況的好壞與經濟效益。湘江水電站的回轉式清污機自投運以來，機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組安全運行。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驗。

圖5 現場運行圖

［1］SL 382-2007.水利水電工程清污機型式基本參數技術條件［S］.

［2］SL74-2013.水利水電工程鋼閘門設計規范［S］.

［3］葉曉青.金雞灘水利樞紐電站清污機設計［J］.水利規劃與設計，2010(04):75-78.

［4］任淑娟，杜培文，許志剛，等.南水北調東線第一期工程金屬結構總體設計與研究［J］.水利規劃與設計，2006(03):65-68.

［5］徐強.峽江水利樞紐引水發電系統金屬結構布置與設計［J］.水利技術監督，2014(05):60-62.

［6］韓云峰.柴石灘水庫壩后電站攔污柵及清污機設計［J］.人民長江，2005(09):25-26.

［7］水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊［M］.北京:水利電力出版社，1986.

［8］常青，杜培文，李永順.清污機新型整體齒耙結構有限元分析［J］.南水北調與水利科技，2011，9(03):160-162.

［9］姜育松，鄭圣義.回轉式清污機在不同工況下清污能力技術參數的確定［J］.水利電力機械，2005，27(06): 25-28.

TV34

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1672-2469(2016)08-0119-04

2015-11-20

姚能棟(1980年—)，男，工程師。