水電廠清污機結構優化探討與實踐

何旭輝，朱勇華，譚仕杰

（1.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 沅陵 419642；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

清污機是水電站清理攔污柵浮渣，減少浮渣堆積造成水頭損失的重要設備，其清污效率的優劣直接影響水輪機的引水效率，與電廠發電量直接掛鉤。通常而言，以結構形式及各自適用的安裝條件劃分，清污機可分為懸掛式液壓抓斗清污機、移動耙斗式清污機、篦耙清污機、回轉式清污機等，其中懸掛式液壓抓斗清污機適用于進水口混凝土壩體設置有可移動起重設備的情況，主要由可移動小車和液壓清污抓斗組成。

某電廠清污機為懸掛式單側耙爪轉動液壓抓斗清污機，投產至今已10余年，隨著運行壽命延長，其工作性能逐年減弱，陸續出現抓力不足、液壓油缸下滑、滲油、抓斗拒動等一系列故障，為電廠清污工作的持續開展帶來了巨大挑戰，據統計，2020年全年，因清污機故障導致的水頭損失電量最小約為600萬kW·h，如何解決現有清污機故障，保障汛期清污工作安全、穩步開展，成為了電廠刻不容緩的課題。

2 優化方向

懸掛式液壓抓斗清污機清污的整套流程主要包括起升裝置升降（門機通過鋼絲繩連接平衡梁再連接清污機耙斗）、清污耙斗開合、翻板卸渣3項操作，關聯電氣自動化、電纜伸縮等內容，整個過程涉及5個主要系統：起升平衡梁、清污耙斗、翻板結構、深水電纜系統、電氣系統，通?？赏ㄟ^優缺點分析[1-4]，消除現有故障隱患以及優化液壓系統功能、通過計算，核驗安全有效的動耙開口增大方案，通過擴大動耙清污范圍的方式，來提高清污機清污性能，保障其運行穩定性。

針對以上思路，電廠著手從5個模塊現有問題原因出發，根據電廠實際清污環境特點，通過基于故障分析的結構優化與模型仿真的方法，以5個模塊為對象，逐一完成結構的優化升級方案，進而對比不同方案各模塊清污性能的優劣，最后綜合得出最優改進方案。

圖1 清污機優化方案示意

3 最優優化方案確定

按模塊建立模型并逐項分析對比如下：

（1）平衡梁

1）運行穩定性優化

現有平衡梁結構可分為兩端分別驅動與一端集中驅動2種方案，不同驅動方式對起升機構穩定性影響不同。

通過缺陷統計得知，在清污機故障停運時間中，32%來源于起升機構故障，包括起升機構不同步、傳感器無反饋、電纜絕緣破損、編碼器、變頻器報錯等諸多原因，基于以上現象，對比兩種驅動方式的優劣，情況如表1。

表1 驅動方式性能對比表

從表1中可知，兩端分別驅動方案因采用的主從控制模式，配備有兩臺驅動電機，導致傳感器以及參與控制電纜數量多、要求反饋信號的精確高、響應速度快，受電纜長度以及傳感器性能影響大，因此故障率較一端集中驅動的方案更高。

2）運行安全系數優化

不同驅動系統制動器對起升機構安全性的影響不同，現有平衡梁結構可分為驅動電機自帶電磁制動器與獨立專用制動器2種選型方案。

驅動系統制動器故障危害性大、所需檢修時間長、危險性高，通過數據統計，該設備故障占比在整個故障時間中約為82%，嚴重影響清污機的正常安全穩定運行。根據以上現狀，通過調研查詢了不同形式制動器所適用的范圍，對比如表2。

表2 制動器特性對比表

從表2中可知，驅動電機自帶電磁制動器與獨立專用制動器適用范圍各不相同，電廠清污機電機功率為22 kW，屬于大功率起升機構，對起升機構的安全性能要求較高。

此外，對于起升機構放置位置進行了綜合考慮，對比如表3。

表3 起升機構放置位置對比表

綜上所述，電獨立專用制動器、起升機構放置于平衡梁上部的方案更優。

3）維護工作量優化

在清污機檢修過程中，各步驟的時間占比不同，其中起升機構與耙斗的分離工作在檢修準備過程中約占整個準備工期的80%,極大影響了清污機的檢修時間，考慮起升機構與耙斗分離難度對清污機維護工作量的影響，提出起升機構與耙斗連接的滑輪固定安裝與插銷安裝2種選型方案。

根據起升機構與耙斗連接的滑輪不同安裝方式的拆卸難度及運行安全性，對比如表4。

表4 滑輪不同安裝方式對比表

綜上所述，起升機構與耙斗連接的滑輪插銷安裝的方案更優。

（2）清污耙斗

1）運行穩定性及維護工作量優化

電廠攔污柵前實際情況為浮渣與沉渣復合的形式，該形式下，通常采用鶴式耙斗與爪式耙斗。

查詢清污機運行記錄發現，在清污機故障停運時間中，65%來源于耙斗故障，包括油缸下滑、滲油、耙爪裂紋、耙爪拒動等，考慮清污機耙斗形式對運行穩定性的影響，對比2種形式優劣，如表5所示。

表5 耙爪形式對比表

綜上所述，鶴式耙斗的方案更優。

2）清污性能優化

考慮液壓泵站形式、耙斗與耙斗架連接方式及油缸傳遞力的方式，分別提出供選方案如表6。

表6 耙斗清污性能優化備選方案表

基于這些方案，通過文獻資料查詢，對比各方案優劣情況如表7。

表7 備選方案優劣對比表

綜上所述，變量泵液壓系統、連桿機構連接及副連桿機構增力的方案更優。

（3） 翻板機構

故障點消除：鑒于電廠現有清污機翻板故障，通過分析故障原因，提出翻板拉桿強化及底部支撐增設兩項措施，其原理情況如表8。

表8 翻板故障處理措施原理表

（4）深水電纜

故障點消除：鑒于現有深水電纜故障，通過分析故障原因，提出增設電纜緩沖裝置措施，其原理情況如表9。

表9 深水電纜故障處理措施原理表

（5）電氣系統

1）運行穩定性

對電廠原安川H1000變頻器故障頻發問題進行解析與換型調研，最終選取施耐德ATV930變頻器替換，提高電氣系統運行穩定性。

2）檢修及操作便利性

核查清污機操作及電氣回路檢修流程，通過分析邏輯，提出檢修旋鈕設置及分步操作取消兩項措施，其原理情況如表10。

表10 電氣系統優化措施原理表

（6）最佳方案確定

基于上述分析，確定機組進水口攔污柵清污機優化升級的最佳設計方案如圖2。

圖2 攔污柵清污機優化升級最佳設計方案

4 模型仿真驗證

針對上述分析結論，利用SolidWorks建立清污機模型。

由于攔污排的阻隔作用，大型浮渣如泡沫、樹干、生活垃圾等均無法通過攔污排，來到進水口攔污柵前，因此，攔污柵堆積污物主要為一些碎的樹枝，根據這一情況，以一個攔污柵區間水域為模板，10 m3樹枝為污物，建立污物模型并進行清污仿真，對比現有清污機效率及清污環境，逐月對模型進行了同環境仿真，通過仿真結果，驗證優化后的清污機效果，從仿真情況可知，模型清污機清理10 m3污物大約需要3次，約0.77 h。根據仿真結果，將其與現有清污機制表對比如表11。

從表11中可知，模型清污機在性能上全方位優于現有清污機。

表11 仿真結果對比表

5 受力安全驗證

因清污機耙爪具有對稱性，因此根據清污機模型受力情況，建立能反應聯動與受力關系的單側簡易機構模型。

通過歷史清污數據得知，滿耙爪的污物重量在4 t左右，因此單側重量為2 t，對單側機構模型進行motion分析，在耙爪上設定20 000 N垂直向下的力，仿真整個開合過程，得到油缸液壓力變化趨勢圖如圖3所示。

圖3 仿真機構模型抓渣閉合受力仿真結果

從圖3中可以看出，單側油缸所受最大液壓力為約5.88 t力，該處峰值為耙爪抓取污物后，耙爪受力方向與油缸動作方向接近平行，因此，該設計下單側油缸設計最小液壓作用力大于5.88 t，滿足滿耙最大污物重量要求。

6 實踐

電廠總結上述方案與仿真結果，匯總成冊，著手開始市場調研，與專家團隊進行深入交流，最終確定相關參數如表12。

表12中數據與仿真得出的結果大致相同，從側面驗證了模型的正確性，確定參數后，電廠組織開展實際設備制作，最終按照國家相關標準規范要求，完成設備制作及現場安裝。

表12 清污機制造選型參數表

圖4 優化后的清污機（鶴式）耙斗（左：閉斗，右：開斗）

優化后的清污機投入運行后，清污效率大幅提升，攔污柵前后壓差逐漸下降滿足機組正常滿發、穩發要求。

7 結語

通過故障分析的方法，利用模型建立與仿真，完成清污機結構及原理優化，實現了清污效率大幅提升的目的，減少了機組因攔污柵浮渣堆積造成的水頭損失，提高了機組發電效率，對同類型清污機自主優化升級具有良好的借鑒意義。