九里沟水电站回转式清污机设计与应用

王延军，杨健，汤娟娟，张少卿，张鲁彬

（曲阜恒威水工机械有限公司，山东曲阜 273100）

九里沟水电站回转式清污机设计与应用

王延军，杨健，汤娟娟，张少卿，张鲁彬

（曲阜恒威水工机械有限公司，山东曲阜 273100）

为解决九里沟水电站拦污栅阻塞的问题，选定回转式清污机作为清污装置。介绍了九里沟水电站回转式清污机的布置方案、结构特点及技术参数，并对主要部件进行了校核。安装回转式清污机后，改善了过流条件，提高了机组效率，发电量明显增加。针对清污机使用中出现的问题提出了处理措施和改进意见，可为类似水电站的清污机设计和项目改造提供借鉴。

回转式清污机；拦污栅；齿耙；钢支架；设计水头；栅条净间距

0 引言

六安九里沟水电站建于1978年，隶属于淠史杭灌区管理总局，位于六安市北郊淠河总干渠上。该电站属坝后式电站，3台立轴机组，装机容量为4450 kW，设计水头为12.50m，设计流量为50.10 m3／s。进水口布置3台拦污栅，安装孔口尺寸为4.2m×4.2m，采用人工清污方式。

淠河总干渠水质很好，河道垃圾主要为水草，水草以苦草、菹草及轮叶黑藻等沉水性水草为主，具有繁殖力强、断草再生等特点。汛期人工清污劳动强度很大，经常被迫停机清污。为解决拦污栅阻塞的问题，满足以后机组增容的要求，迫切需要一种经济、可靠、高效的机械清污机替代人工清污。

1 回转式清污机概述

目前广泛使用的清污机主要有抓斗式清污机和回转式清污机。抓斗式清污机工作效率相对较低，水下清污能力较差，而回转式清污机相对于抓斗式清污机有更多的优势。

（1）动水连续清污。回转式清污机清污时发电机组不用停机或降低负荷，工作效率高。

（2）水面、水下全段面清污。回转式清污机可在拦污栅整个工作面清除各种漂浮和悬浮的污物。

（3）结构紧凑。回转式清污机将清污装置与拦污栅合二为一，方便安装和使用。

（4）安全可靠。回转式清污机安装机械和电气过载保护装置，一旦超载或齿耙卡阻可有效防止机械损伤。根据九里沟水电站发电机组的满发流量，其过栅流速低于1.5m／s，水流的作用可使污物贴紧栅体，便于齿耙清理；同时，低流速使污物对栅体的压力较小，清污齿耙及传动系统负载也较小，适合回转式清污机的运行要求。

综合各方面的因素，选定回转式清污机作为九里沟水电站的清污装置，拆除原拦污栅并在现有基础上布置回转式清污机。

2 清污机布置方案及结构设计

2.1 清污机布置方案

根据九里沟水电站进水口的结构特点，原拦污栅槽与清污平台贴齐（如图1所示），回转式清污机因齿耙回转需要500mm左右的空间，因此不能安装在原拦污栅槽内，必须向前支撑。由于中墩和边墩采用了尖顶分水结构，支撑钢支架需固定在弧形斜面上，安装施工有一定的难度。

图1 原拦污栅孔口结构

考虑电站进水口水流速度较低，为便于污物的堆积与清理，回转式清污机倾斜80°布置。

由于电站建成时间较早，实际基础与图纸存在一定的差别，需要对现有的安装基础进行现场测绘。利用三维软件CREO2.0对测量数据进行三维建模，更加直观地反映基础的实际情况，方便钢支架和回转式清污机的布置。

钢支架的布置需要考虑两方面因素：一要考虑清污机的回转空间，尽可能避免齿耙与基础干涉，同时保证清污机的卸料点在工作平台上的皮带机中线位置；二要考虑清污机的支撑宽度，由于清污机的阻水面积比拦污栅的阻水面积大10%～15%，所以清污机的设计宽度应适当增加，以降低过栅流速，减少水头损失。每个孔口的具体尺寸存在差异，为方便制作和安装，钢支架径里尺寸统一为4700mm（如图2所示）。平台高程位置钢支架前端距离工作平台边缘700mm，钢支架倾斜角度为80°。钢支架采用16a槽钢制作，为防止侧边进污物，侧边按照清污机栅条间距布置栅条。为保证钢支架的侧向稳定性，边墩的钢支架与基础增加斜向横撑，中墩两侧的钢支架通过16a槽钢焊接在一起。

图2 钢支架布置模型

回转式清污机布置在钢支架上，清污机边梁与钢支架的斜面贴齐，轨道与钢支架的侧向距离控制在50～60mm。清污机通过可分离的锁定支铰与钢支架固定，保证在检修时能够整体吊装清污机（如图3所示）。

2.2 清污机的结构特点及主要参数

回转式清污机主要包括栅体、驱动系统和清污齿耙3部分，其中驱动系统包括电机、减速机、传动链条、过载保护装置、传动轴、调节轴承、牵引链条和轨道等部分。回转式清污机主要参数见表1。

栅体设计水头差是清污机栅体规格的主要设计依据，SL 382—2007《水利水电工程清污机型式基本参数技术条件》［1］规定：最高设计水头时主梁变形应不大于H／800（H为主梁跨度），次梁变形应不大于F／400（F为次梁跨度）［1］。根据九里沟水电站的最高运行水位及过栅流速，确定清污机栅体设计水头差为1m时能够满足电站运行要求。

图3 清污机布置方式

表1 九里沟水电站清污机主要参数

齿耙设计载荷是衡量回转式清污机清污机能力的重要指标，由于现场条件和污物性质不同，其值大小有所不同。齿耙是回转式清污机的执行部件，在清理污物的同时，还起到支撑清污机牵引链条防止其脱轨的作用。清污机运行中出现脱链、过载等现象，多数是由于齿耙设计选材强度低、刚度差造成的。汛期短时间内会聚集大量的污物，清污过程中单道齿耙载荷可达到数kN，因此，齿耙设计载荷要与现场的水文条件、污物情况相适应，必要时需增加设计载荷以保证设备安全。九里沟水电站汛期水草较多，根据过栅流速和污物增量的大小，按照集中载荷6 kN进行设计和校核。

栅条净间距是拦污栅的基本参数，同时也是回转式清污机的基本参数。栅条净间距主要依据发电机组的叶轮大小来确定，轴流式水轮机栅条间距约为叶轮直径的1／20，混流式水轮机约为叶轮直径的1／30，冲击式水轮机约为喷嘴直径的1／5。从发电机组的检修情况来看，部分水草在机组中缠绕，因此在保证机组流量的情况下对栅条净间距做了调整：将原栅条净间距120mm调整为100mm；同时，为避免出现栅条振动、失稳等情况，栅条横向采用卡栅固定。

2.3 清污机主要部件的设计与校核

2.3.1 主梁校核

清污机栅体横梁受力分析按简支梁考虑，载荷形式按照集中载荷校核，栅体设计水头差为1.0m，按照H／800的挠度进行校核。栅体采用实腹式梁，主横梁选用28b工字钢，挠度计算公式如下

式中：y1为主梁最大挠度，m；ρ为水的密度，1 000 kg／m3；g为重力加速度，9.8N／kg；h为设计水头差，1m；l为横梁间距，1.4m；H为横梁支撑跨度，4.7m；E为弹性模量，2.1×1011Pa；Ix为28b工字钢惯性矩，7.48×10－5m4。

通过校核，清污机主梁28b型工字钢挠度约为H／847＜H／800，满足刚度条件。

2.3.2 齿耙轴校核

SL 382—2007《水利水电工程清污机型式基本参数技术条件》规定：齿耙轴在额定载荷下的最大挠度应不大于0.002 L（L为齿耙轴长度）。按简支梁进行受力分析，其校核公式为

式中：y2为齿耙轴最大挠度，m；F为集中荷载，6 000? N；L为齿耙轴长度，4.4m；齿耙轴选ø0.127m× 0.01m的无缝钢管，惯性矩Ix为6.332×10－6m4。

通过计算，齿耙轴最大挠度为0.001 82 L＜0.002 L，满足刚度条件。对于部分齿耙设计载荷较高的电站，还需要进行强度校核。

3 应用效果

3.1 过流条件改善，机组效率提高

拦污栅过流能力是拦污栅设计的主要依据，过流净面积越大，过栅流速越低，则水头损失越小，过流能力越大。由于清污机本身的结构特点，其阻水率要大于拦污栅的阻水率，所以清污机增加了设计宽度，并且布置了侧栅，以保证过水面积。对比清污机与原拦污栅过水面积：清污机总过水面积为4.7×6.082＝28.585（m2），实际净过水面积为19.07m2，原拦污栅总过水面积为4.2×4.78＝20.076（m2），净过水面积17.75为m2，过水面积增加了1.32m2。由于拦污栅清污不及时，栅体表面不可避免地存在污物，实际过水面积要小于计算的净过水面积；而清污机可以连续清污，污物在栅体残留较少，阻水不会增加太多。从应用效果来看，相同运行方式下清污机使用后机组效率较之前明显提高。

3.2 经济效益显著

回转式清污机的安装使用一方面降低了清污的劳动强度，另一方面避免了机组停机、被动弃水等情况，提高了水资源的利用率和机组效率，提升了经济效益。

若以人工清污方式进行清污，按每年清污300次，每次停机0.5 h，平均负荷3 000 kW计算，每年停机清污损失的发电量约450MW·h；每次清污前均需打开淠东闸，利用下泄水流将电站拦污栅杂物排至下游，按每年排污计300次，每次开闸排污0.5 h，排污流量为17.5m3／s计算，弃水可发电量为225MW·h；为消除机组导叶积草的影响，需要每2 d停机冲草1次，全年按150次，每次5min，平均负荷3000 kW计算，则全年发电损失37.5MW·h。

由九里沟水电站2013，2014年7，8月实际发电对比数据（见表2）可以看出：2014年使用回转式清污机后，发电量比2013年采用人工清污时明显增加。

表2 2013，2014年7，8月份发电效益对比

3.3 管理方式的改变

回转式清污机作为一种机械设备，需要严格执行操作规程和润滑规程，定期检查设备运转情况，及时发现设备隐患，以保证设备安全运行。回转式清污机作为一种水工水利设备又有其自身特点：回转式清污机一般都在安装在室外，运行工况较差，风吹日晒雨淋，温度变化大，对设备使用寿命有一定影响；回转式清污机清理的污物种类多，有水草、树木、动物尸体及各种生活垃圾等，可能造成齿耙卡阻、安全销剪断等故障；回转式清污机使用季节性强，汛期污物较多时使用频繁、工作强度大：因此，需要建立一套合理的设备管理流程来保证回转式清污机的正常运行。此外，人工清污所清理的污物较少，处理方便，回转式清污机清理的污物量大，而且相对集中，如何周转和处理也是管理单位必须考虑的问题。

4 存在的问题及处理措施

自清污机安装以来，总体运转正常，未出现齿耙弯曲变形、链条拉断等破坏性故障，但仍存在一些问题。

4.1 安全销剪断

安全销是保证回转式清污机安全运行的主要安全措施，其设计依据是减速机的最大安全扭矩，负载超过最大设计值时安全销剪断，从而保护减速机及传动系统。九里沟水电站回转式清污机采用摆线针轮减速机，功率为5.5 kW，最大输出扭矩为5 000 N·m。安全销剪断的主要原因是清污机停机时间过长，栅条上堆积的污物及水草太多，启动时超过清污机设计载荷，安全销被剪断。

改进意见：根据水草污物的情况适当调整清污间隔时间，污物堵塞时避免启动清污机。

4.2 爬链现象

使用一段时间后，＃2清污机出现传动链条爬链、清污机振动的情况，主要原因是清污机传动链条长时间磨损导致链条松弛。由于链条张紧力不足，链条单边受力，链条与中链轮啮合时发生相对滑动，大轴及齿耙停顿产生振动而发出声响。

处理措施：适当张紧链条，同时对传动链条涂抹锂基脂。

4.3 团草现象

一定时间内，大片水草聚集到清污机栅体前面，在齿耙的反复拨动下，不断翻滚而形成团草。团草一旦形成，因耙齿长度有限，很难将其清理，从而形成栅体阻塞。

改进方案：改进齿耙结构，将部分耙齿更换为勾型耙齿，同时适当增加齿耙轴的强度，每台清污机增加两道勾型齿耙，分批次清理团草，防止清污机过载。

5 结束语

九里沟水电站回转式清污机使用之后，不但解决了电站清污难题，避免了因清污造成的停机、弃水等情况的发生，而且改善了过流条件，提高了机组效率，达到了设计要求；同时，由于河道中的水草污物得以及时清理，保护了环境，减少了大量水草对淠河水质的影响，取得了良好的社会效益。九里沟水电站回转式清污机的设计和应用，为类似电站清污方式的选择或拦污栅技术改造提供了一种可行的借鉴方案。

［1］水利水电工程清污机型式基本参数技术条件：SL 382—2007［S］.

（本文责编：刘芳）

TV 732.2

B

1674－1951（2016）02－0020－04

王延军（1972—），男，山东莱芜人，工程师，从事水电站、泵站清污设备的设计（E-mail：634136095＠qq.com）。

2015－09－06；

2016－01－20