南水北調睢寧二站回轉式清污機優化及應用

吳利明，杜 威，王玉嬌，朱建傳

（南水北調東線江蘇水源有限責任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800）

1 研究背景

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

南水北調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鍵。泵站的進水建筑物主要包括引河、清污機橋、進水池和進水流道，由于河道中有大量水生植物、工農業及生活廢棄物，為保護水泵機組的安全運行，大多在泵站進水池前設置攔污清污機。清污機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備，其清污效率會影響泵站的運行效率。清污機運行效率低會導致格柵前后形成較大的水力坡降，輕則使泵站機組流量減小、功率增大，重則損壞攔污柵，造成安全生產事故。

國內學者對回轉式清污機開展了一定的研究工作，薛桂榮[1]介紹了回轉式格柵清污機的工作原理、結構特點及運行性能，提出應根據水利工程實際情況及需求，來確定清污機的結構型式和主要技術參數，安裝過程中應處理好技術問題，使清污機功效充分發揮。丁峰等[2]經過剖析回轉式清污機的材質、安裝的角度、柵條的凈距等選型設計要點，并結合某泵站工程，得出回轉式清污機材質的選取和泵站的使用功能、水質等存在很大關系。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水口，通過啟用鏈板式回轉式格柵代替傳統的人工清理河道垃圾和雜物，取得了良好實效。張軍等[4]以攔污柵在使用中經常出現的阻塞、銹蝕及振動等問題為導向，提出優化泵站攔污柵結構設計、使用新型防銹蝕技術、合理布置攔污柵角度等措施，從而進一步提升攔污柵攔擋雜物與清污性能。李慧斌[5]闡述了回轉式清污機在城市排澇泵站中選用的技術要點，并結合結構設計和日常運行管理提出了建議。高朝輝[6]指出攔污柵對泵站機組運行的影響，分析了不同結構形式攔污柵的清污效果和穩定性。

現階段，應用在泵站的回轉式清污機因局部結構不合理、清污效率不高、故障頻發等問題，大大影響了清污設備的運行性能和泵站機組的運行效率，給工程管理單位帶來很大的運行壓力。為提高清污機的清污效率和安全可靠性，開展清污機結構優化和智能控制研究，對確保泵站高效運行具有很好的理論和實踐意義。

2 工程概況及清污機存在問題

2.1 工程概況

睢寧二站位于徐州市睢寧縣沙集鎮境內的徐洪河上，是南水北調東線一期工程運西線第5 梯級泵站之一，工程主要任務是通過徐洪河抽引泗洪站來水，聯合沙集站沿徐洪河向北輸水到邳州站，再由邳州站向東經房亭河調入中運河，實現徐洪河線入駱馬湖流量100 m3/s 的目標，與中運河線共同滿足向駱馬湖調水275 m3/s的目標。

睢寧二站安裝2600HDQ20-9 立式液壓全調節混流泵4臺套（含備機1臺套），水泵葉輪直徑2 600 mm（球面直徑2 900 mm），單機設計流量20 m3/s，配套同步電動機TL3000-40/3250，單機功率3 000 kW，泵站設計揚程8.3 m，總裝機容量12 000 kW，工程設計流量60 m3/s。泵站下游距離主廠房165 m 處安裝回轉式清污機8 臺，型號為XHG-11-4500，廠家為江蘇一環集團有限公司。泵站年均開機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，截至2022 年底累計抽水34.96億m3。

2.2 存在問題

回轉式清污機主要由驅動傳動系統、攔污柵體、不銹鋼輸送鏈、回轉齒耙等組成。攔污柵是清污機的基礎，通過繞柵回轉鏈條驅動清污齒耙，將攔污柵前的雜物帶到清污機頂部，翻轉卸污到皮帶輸送機上，實現持續清污的目的。睢寧二站在長期運行中發現清污機主要面臨以下問題。

（1）清污機在運行時，由于磨損等原因導致不銹鋼輸送鏈的鏈條發生松動現象，嚴重時可能導致鏈條脫軌，致使清污機無法正常工作。通?；剞D式清污機下部在水面以下，鏈條的松動程度難以觀察，以致于給維修帶來較大困難。

（2）回轉齒耙運行速度無法自行調節，過慢導致清污的效率受影響，清污不及時導致水位坡降會影響機組效率；過快會造成能源的浪費，造成清污機運行成本增加。

（3）清污機與皮帶輸送機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。

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

（5）清污機側邊軌道與墩墻之間存在清污死角，雜物容易堆積于清污機側面，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構，底部較大范圍齒耙無法到達，無法清污，易堵塞，部分污物容易從下部漏走進入進水池，存在進入機組的安全隱患。

3 解決方案

3.1 鏈條松動自動檢測及張緊設計

為及時發現鏈條的下垂程度，在鏈條下方設置安裝壓力傳感器，鏈條松動自動檢測及張緊設計如圖1 所示。當輸送鏈條松動到一定程度，觸碰壓力傳感器，壓力傳感器發出信號到自動張緊裝置的控制電機，控制電機動作，自動張緊裝置驅動絲桿傳動機構，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計

圖2 自動張緊裝置

3.2 清污機智能控制設計

清污機的運行與河道來污量應相適應，當河道來污量較多時應該增加清污機運行頻率，當河道來污量較少時應該減少清污機運行頻率。如果河道中來污量小而清污機頻繁啟動，將導致清理費用和運行成本增加；相反，如果河道中來污量大而沒有及時清污，就可能造成攔污柵前嚴重阻塞，柵前柵后水位差過大，會使泵站的揚程和機組的耗電量增大，還可能導致安全隱患。

因此，采用智能化自動控制清污機運行十分有意義，在清污機前后安裝監測儀，用于監測攔污柵前后水位和控制清污機運行，根據河道中來污量多少和攔污柵前后水位差的實際情況，選擇合適的清污機運行模式。清污機控制方式分為現地控制、自動控制和遠方控制[8]。現地控制方式是運行人員操作控制柜上按鈕，控制運行清污機；自動控制方式是采集攔污柵前后水位信號，通過現地柜PLC控制程序，根據換算的水位差值控制清污機的啟停；遠方控制方式是由泵站中控室上位機監控系統對清污機的遠程控制。清污機的控制方式可根據工程現場實際情況選擇，通常手動控制方式優先級最高[2]。

3.3 皮帶機與清污機遠程自動“順啟逆停”設計

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

當清污機控制方式為遠方控制時，通過公用LCU 柜PLC 的控制，實現遠程自動順序啟停清污機和皮帶輸送機，即：先按照要求遠程開啟皮帶輸送機，間隔一段時間后，清污機自動開啟，當垃圾撈取完畢時，遠程先關閉清污機，后間隔一段時間自動關閉皮帶輸送機，遠程自動順啟逆?？刂齐娐啡鐖D3所示。

圖3 遠程自動順啟逆?？刂齐娐?/p>

M1為皮帶輸送機電動機，M2為清污機電動機，KM1、KM2 分別為M1 和M2 電動機的自動啟停開關的線圈和觸點。KT1、KT2 為時間繼電器，可以通過人工設定一個固定時間t1、t2，當時間繼電器線圈得電后，經過t1、t2 時間段后其觸點kt21、kt22、kt23以及kt1 自動接觸或斷開。遠程PLC2 停止按鈕和KM 按鈕存在機械電氣聯鎖，即PLC2 觸點閉合接通，則KM 觸點斷開，反之若PLC2 觸點斷開，則KM 觸點閉合接通。

當河道需要打撈時，遠程PLC1 啟動按鈕按下，KM1 線圈得電，km1 觸點自保持，km1-KM1-kt21回路接通，M1 皮帶輸送機電動機持續帶電轉動。同時，km1-kt22-KT1-kt21回路也接通，KT1 線圈得電，一定時間t1 后，kt1 觸點接觸，使KM2 線圈得電，觸點閉合，回路km1-PLC2-kt1-KM2-kt21接通，M2 清污機電動機開始旋轉撈草。

當河道內雜物打撈完畢，遠程PLC2停止按鈕按下，使KM2 線圈失電，觸點斷開，km1-PLC2-kt1-KM2-kt21回路斷開，M2 清污機電動機停止撈草。由于遠程PLC2 停止按鈕和KM 按鈕存在機械電氣聯鎖，遠程PLC2 停止按鈕按下的同時，KM 按鈕閉合，kt23觸點自保持，KT2時間繼電器線圈得電，延時一段時間t2 后，kt21觸點斷開，km1-KM1-kt21回路失電，M1皮帶輸送機電動機也停止運轉。

3.4 攔污柵架分體結構設計

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。清污機運行過程中，當其中一片柵條架損壞時，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。并且運行管理單位可購置柵條架作為備品備件，清污機局部柵條架發生損壞時，管理單位能在短時間內完成新柵條架的更換，可以大大節省維修費用和檢修時間[9]。

3.5 清污機增設側邊導污板

清污機增設側邊導污板，如圖4 所示，可以有效地消除邊梁與墩墻之間的清潔死角。側邊導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行導軌的上方，另一頭固定在孔口側墩上。當河道中的雜物靠近攔污柵時，會沿著導污板的邊緣經水流帶入齒耙的工作范圍內，被回轉齒耙清理上岸[10]。

圖4 側邊導污板位置

優化底部前置柵，采取弧形柵取代原來的直柵，從而使柵體底部前置柵結構更加合理，其弧度完全符合齒耙的旋轉軌跡。優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，從而達到更好的清理效果。

4 應用效果

睢寧二站于2022年9月選取了部分清污機進行改造并安裝調試完畢，2022年11月投入向省外調水運行，開機超過80 d，調水4.7億m3，累計撈草約850 t。通過對改造與未改造清污機運行情況對比發現，改造后的清污機具有以下優點。

（1）通過自動檢測及張緊裝置能及時處理不銹鋼輸送鏈條松動的問題，運行中未發生鏈條脫軌現象，設備的故障率、維修費和人工費都有所減少。

（2）智能控制運行可靠、調節運行方式方便，現地自動控制方式效果良好，未發生運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）皮帶機與清污機遠程自動“順啟逆停”電路優化改造后，實現清污機自動撈草順序開機和逆序停機等程序，給值班人員減輕了清污機運行壓力。

（4）攔污柵前雜物清理效率高，清理效果好。

5 結語

通過研究睢寧二站清污機的優化改造，巧妙地完善了傳統回轉式清污機結構上和控制方式的不足，改進了鏈條、攔污柵架、前置柵等部位的設計，增加了消除清污死角的側邊導污板結構，實現了智能控制和遠程自動控制。睢寧二站回轉式清污機經過技術改造取得了預期效果，技改后的清污機在向省外調水期間運行良好，清污效果比未改造的清污機更佳，故障率有所降低，運行性能大大提高，為泵站穩定、經濟、安全運行提供了有力保障。綜上，清污機優化應用成果對于水利工程清污設備的設計、安裝、改造具有一定的借鑒意義。