泵站反向發電運行工況下攔污方案探討

李 毅，殷振興，陳超群

（江蘇省淮陰第二抽水站管理所，江蘇 淮安 223001）

淮陰二站是大（2）型水利泵站，工程建成于2002年，是南水北調東線應急工程之一，承擔著向洪澤湖和淮北地區補水的任務，屬于江水北調第三梯級泵站。淮陰二站安裝有3.1ZLQ-5型的立式軸流泵3臺套，配用TLW2800-40/3250型同步電動機3臺套，總裝機容量8 400 kW。設計流量100 m3/s， 設計揚程4.4 m。2014年管理單位對3號機組進行改造，目前機組具備反向運行發電功能。

1 概述

淮陰二站下游建有清污機橋，清污機選用大孔口回轉式清污機，每臺清污機的清污能力要求大于50 t/h。共安裝8臺清污機、一套輸送帶以及電氣控制系統。能夠滿足機組翻水運行工況下清污攔污需求。

淮陰二站上游無清污機，有6扇攔污柵，擋洪門槽兼做攔污柵槽。目前已無法滿足攔污需求，造成水頭損失較大，影響發電運行效率。

圖1 淮陰二站工程位置圖

表1 淮陰二站水位組合表單位：m

2 方案探討

淮陰二站3號機組在反向發電運行時存在振動情況，經多次停機檢修仍未發現故障所在，初步推斷為水面漂浮物等進入主水泵導致，先就存在問題對上游河道攔污方案進行探討。

2.1 利用橋墩作為基礎布置攔污柵

計劃將攔污柵安裝在二河公路橋橋墩上，查閱《淮陰二站觀測資料》[1]得出，攔污柵安裝位置靠近二河橋，位于上游CS6-CS8斷面（里程樁號0+237-0+337）之間，河床高程6.5 m，標準河寬約81.4 m。查看近三年引河斷面觀測記錄，得出淤積量較小，斷面淤積高度不足1 m。滿足安裝條件。

攔污柵采用分片設計，分為上下兩個部分，上部采用活動式垂直安裝攔污柵，將污物有效攔截在水面上，并不對攔污柵發生纏繞。下部采用傾斜安裝，柵體與水面形成一定傾角，利用水流推力將吸附在攔污柵上的污物（多為生活垃圾、樹枝等）推至上部水面。

圖2 淮陰二站河道斷面布置圖

因攔污柵為非標準件，尺寸可定制。根據《泵站設計規范》[2]規定，攔污柵宜采用活動式。傾斜布置時，柵體與水平面夾角宜取70°~80°。參閱《大型泵站攔污清污方案選擇》[3]中水力學實驗結果，設計下部攔污柵傾斜角度45°。假設利用橋墩作為下部攔污柵安裝基礎，根據橋墩跨度[4]，假設攔污柵寬度5 m，需要8扇。河道兩側坡度部分不設置攔污柵以方便污物清運及維護。

根據淮陰二站基本情況[5]，得出上游的設計水位為13.1 m，校核水位16.43 m；下游設計水位為8.7 m，校核水位11.2 m，上下游設計水位差4.4 m。

上部分攔污柵采用垂直安裝，攔污柵設計高度為11.8 m~16 m，寬度同下部攔污柵一致。在橋墩上安裝導軌及驅動系統，使垂直攔污柵在垂直于公路橋方向能夠移動，這樣在攔污柵前垃圾需要清理時，導軌將攔污柵推動到方便清理的橋墩一側。配合打撈船或者其他清理方式清理。在需要翻水供水時，可將攔污柵移動到西側，保證水流暢通。

圖3 攔污柵布置示意圖

2.2 安裝浮筒攔污排

計劃采用自浮式攔污，無需任何動力，電站河道兩邊岸坡上用水泥打樁，擬采用C25混凝土54.00 m3。根據淮陰二站河道情況，按照浮筒連接采用直徑30 mm鍍鋅鋼絲繩704 m，豎向采用直徑20 mm鍍鋅鋼索195.13 m，并需要配置鋼絲繩卡526只、圓柱體浮筒115只，攔索安裝2道等具體內容進行施工。浮筒攔污排可隨著水勢的漲幅而自由升降，節省人力成本。安裝結構多元化，可依地勢，水流隨意變化組合。而且產品使用壽命在10年以上,更換方便，經過初步計算，淮陰二站此方案需花費20萬余元。

2.3 對現有攔污柵進行升級改造

針對現有技術的不足，在已有攔污柵基礎上對泵站前端垃圾雜物隔離隔柵[6]進行改進，具體方案如下：

主要改進支撐架和隔離網，支撐架的一側設置有導流瓦，導流瓦的內壁安裝有水輪，水輪的內壁安裝有第一傳動軸，第一傳動軸的外壁安裝有第一傳動輪，第一傳動輪的外壁設置有第一皮帶，支撐架的內壁轉動連接有第二傳動軸，第二傳動軸的外壁安裝有第二傳動輪，第二傳動輪的外壁設置有第二皮帶，第二傳動軸的外壁固定連接有傳動輥，支撐架的外壁轉動連接有支撐輥。

工作原理：使用時，水流流過隔離網2，隔離網2將垃圾隔離在一側，然后水流沖擊導流瓦3、水輪4和導流板15，水流沖擊導流板15時，導流板15會隨著水流的流動而轉動調整角度，將對水流的迎流面積降到最小，使得水流受到的阻力最小，此時，導流板15會對準這水流，將流過水輪4下方的水流阻擋導流，使得水輪4上方受到最大水流推力，水輪4下方受到最小的水流推力，從而使得水輪4旋轉，水輪4旋轉時會帶動第一傳動軸5同步轉動，第一傳動軸5帶動第一傳動輪6同步轉動，第一傳動輪6和第一皮帶7將多個水輪4連接在一起使得扭力合并，然后利用第一傳動輪6、第二傳動輪9和第二皮帶10之間的傳動帶動第二傳動軸8轉動，第二傳動軸8轉動時帶動傳動輥11同步轉動，傳動輥11轉動時帶動隔離網2順時針轉動將垃圾抬升并傳送到岸邊以便清理。

圖4 結構示意圖

圖5 支撐架內部結構示意圖

圖6 支撐架內部分解結構示意圖

圖7 導流瓦側剖圖

與現有技術對比，本次改進具備以下有益效果：

（1）通過設置的支撐架、隔離網、導流瓦、水輪、傳動輥、支撐輥和導流板，便于利用水流的動能帶動水輪旋轉，并利用多個第一皮帶將多個水輪連接，利用水輪的旋轉帶動隔離網上升，使得垃圾廢棄物傳動到岸邊，以便及時清理，避免了下水打撈，提高了安全性，同時直接利用水流帶動，適用性強。

（2）通過設置的導流瓦和導流板，能夠在導流板受到水流沖擊時，能夠帶動導流瓦指向水流流速最大的角度，使得水輪得到最大的水流沖擊力度。

3 結論

針對以上3種提高水能資源利用效率的辦法，發現利用橋墩作為基礎布置攔污柵方案的實施難度較大，可能影響橋梁的承載能力，且與橋梁管理部門溝通無果，遂放棄該方案。對于浮筒攔污排安裝方案，是目前河道管理單位、水電站管理部門最常采用的方案之一，它經濟效益高，在安裝方法、施工周期等方面都具有無可比擬的優點，但也存在維護難，人工清運水面垃圾較困難的情況。最終通過分析決定采用對現有攔污柵進行升級改進的設計方案，并對此方案申請實用新型專利。

研究中又發現攔污柵改造升級后并不能從根本上杜絕少部分水草等河道垃圾進入主水泵，影響水能利用效率的情況。對于此類問題還需要進一步研究和探討。但此方法在理論上和實用上依然能進一步提升水能利用效率。