南水北调睢宁二站回转式清污机优化及应用

吴利明，杜 威，王玉娇，朱建传

（南水北调东线江苏水源有限责任公司宿迁分公司，江苏 宿迁 223800）

1 研究背景

我国水资源分配不均匀，近年来调水工程作为重大民生工程发挥着越来越重要的作用。南水北调工程是缓解我国北方水资源严重短缺局面的战略性基础设施，有东线、中线、西线3 条调水线路。南水北调东线工程从长江下游江苏扬州抽引长江水，通过13梯级泵站逐级提水，利用京杭大运河及其平行的河道输水。

南水北调东线工程主要包括泵站、水闸、水库等水工建筑物，其中泵站是保障一江清水北上的关键。泵站的进水建筑物主要包括引河、清污机桥、进水池和进水流道，由于河道中有大量水生植物、工农业及生活废弃物，为保护水泵机组的安全运行，大多在泵站进水池前设置拦污清污机。清污机是清理拦污栅前杂物、减小杂物阻塞造成水头损失的重要设备，其清污效率会影响泵站的运行效率。清污机运行效率低会导致格栅前后形成较大的水力坡降，轻则使泵站机组流量减小、功率增大，重则损坏拦污栅，造成安全生产事故。

国内学者对回转式清污机开展了一定的研究工作，薛桂荣[1]介绍了回转式格栅清污机的工作原理、结构特点及运行性能，提出应根据水利工程实际情况及需求，来确定清污机的结构型式和主要技术参数，安装过程中应处理好技术问题，使清污机功效充分发挥。丁峰等[2]经过剖析回转式清污机的材质、安装的角度、栅条的净距等选型设计要点，并结合某泵站工程，得出回转式清污机材质的选取和泵站的使用功能、水质等存在很大关系。周永健[3]为了解决城市河道垃圾、漂浮物呈逐年上升趋势，杂物聚集在城市防洪排涝泵站进水口，通过启用链板式回转式格栅代替传统的人工清理河道垃圾和杂物，取得了良好实效。张军等[4]以拦污栅在使用中经常出现的阻塞、锈蚀及振动等问题为导向，提出优化泵站拦污栅结构设计、使用新型防锈蚀技术、合理布置拦污栅角度等措施，从而进一步提升拦污栅拦挡杂物与清污性能。李慧斌[5]阐述了回转式清污机在城市排涝泵站中选用的技术要点，并结合结构设计和日常运行管理提出了建议。高朝辉[6]指出拦污栅对泵站机组运行的影响，分析了不同结构形式拦污栅的清污效果和稳定性。

现阶段，应用在泵站的回转式清污机因局部结构不合理、清污效率不高、故障频发等问题，大大影响了清污设备的运行性能和泵站机组的运行效率，给工程管理单位带来很大的运行压力。为提高清污机的清污效率和安全可靠性，开展清污机结构优化和智能控制研究，对确保泵站高效运行具有很好的理论和实践意义。

2 工程概况及清污机存在问题

2.1 工程概况

睢宁二站位于徐州市睢宁县沙集镇境内的徐洪河上，是南水北调东线一期工程运西线第5 梯级泵站之一，工程主要任务是通过徐洪河抽引泗洪站来水，联合沙集站沿徐洪河向北输水到邳州站，再由邳州站向东经房亭河调入中运河，实现徐洪河线入骆马湖流量100 m3/s 的目标，与中运河线共同满足向骆马湖调水275 m3/s的目标。

睢宁二站安装2600HDQ20-9 立式液压全调节混流泵4台套（含备机1台套），水泵叶轮直径2 600 mm（球面直径2 900 mm），单机设计流量20 m3/s，配套同步电动机TL3000-40/3250，单机功率3 000 kW，泵站设计扬程8.3 m，总装机容量12 000 kW，工程设计流量60 m3/s。泵站下游距离主厂房165 m 处安装回转式清污机8 台，型号为XHG-11-4500，厂家为江苏一环集团有限公司。泵站年均开机100 d左右，日均打捞水草约15 t，年水草打捞量约1 500 t。工程于2013 年4 月建成投运，截至2022 年底累计抽水34.96亿m3。

2.2 存在问题

回转式清污机主要由驱动传动系统、拦污栅体、不锈钢输送链、回转齿耙等组成。拦污栅是清污机的基础，通过绕栅回转链条驱动清污齿耙，将拦污栅前的杂物带到清污机顶部，翻转卸污到皮带输送机上，实现持续清污的目的。睢宁二站在长期运行中发现清污机主要面临以下问题。

（1）清污机在运行时，由于磨损等原因导致不锈钢输送链的链条发生松动现象，严重时可能导致链条脱轨，致使清污机无法正常工作。通常回转式清污机下部在水面以下，链条的松动程度难以观察，以致于给维修带来较大困难。

（2）回转齿耙运行速度无法自行调节，过慢导致清污的效率受影响，清污不及时导致水位坡降会影响机组效率；过快会造成能源的浪费，造成清污机运行成本增加。

（3）清污机与皮带输送机的配合使用上一般采用手动操作，对于先后启停顺序容易搞错。

（4）拦污栅体为整体框架，即使发生局部损坏，也需整体吊出栅体进行检修，吊装起重力大，泵站现场难以满足要求，一般需租赁吊车配合，检修维护费用高、周期长。

（5）清污机侧边轨道与墩墙之间存在清污死角，杂物容易堆积于清污机侧面，影响过水流量，造成拦污栅前后存在水位差，一般需采用人工船配合打捞。拦污栅底部采用直立前置栅结构，底部较大范围齿耙无法到达，无法清污，易堵塞，部分污物容易从下部漏走进入进水池，存在进入机组的安全隐患。

3 解决方案

3.1 链条松动自动检测及张紧设计

为及时发现链条的下垂程度，在链条下方设置安装压力传感器，链条松动自动检测及张紧设计如图1 所示。当输送链条松动到一定程度，触碰压力传感器，压力传感器发出信号到自动张紧装置的控制电机，控制电机动作，自动张紧装置驱动丝杆传动机构，从而张紧链条[7]，自动张紧装置如图2所示。

图1 链条松动自动检测及张紧设计

图2 自动张紧装置

3.2 清污机智能控制设计

清污机的运行与河道来污量应相适应，当河道来污量较多时应该增加清污机运行频率，当河道来污量较少时应该减少清污机运行频率。如果河道中来污量小而清污机频繁启动，将导致清理费用和运行成本增加；相反，如果河道中来污量大而没有及时清污，就可能造成拦污栅前严重阻塞，栅前栅后水位差过大，会使泵站的扬程和机组的耗电量增大，还可能导致安全隐患。

因此，采用智能化自动控制清污机运行十分有意义，在清污机前后安装监测仪，用于监测拦污栅前后水位和控制清污机运行，根据河道中来污量多少和拦污栅前后水位差的实际情况，选择合适的清污机运行模式。清污机控制方式分为现地控制、自动控制和远方控制[8]。现地控制方式是运行人员操作控制柜上按钮，控制运行清污机；自动控制方式是采集拦污栅前后水位信号，通过现地柜PLC控制程序，根据换算的水位差值控制清污机的启停；远方控制方式是由泵站中控室上位机监控系统对清污机的远程控制。清污机的控制方式可根据工程现场实际情况选择，通常手动控制方式优先级最高[2]。

3.3 皮带机与清污机远程自动“顺启逆停”设计

回转式清污机的控制顺序一般为：开机捞草时，先开皮带输送机，后开清污机；停机时，先停清污机，后停皮带输送机。即对皮带输送机和清污机而言，顺序启动，逆序停止。上述步骤一般采用手动操作，较为繁琐。

当清污机控制方式为远方控制时，通过公用LCU 柜PLC 的控制，实现远程自动顺序启停清污机和皮带输送机，即：先按照要求远程开启皮带输送机，间隔一段时间后，清污机自动开启，当垃圾捞取完毕时，远程先关闭清污机，后间隔一段时间自动关闭皮带输送机，远程自动顺启逆停控制电路如图3所示。

图3 远程自动顺启逆停控制电路

M1为皮带输送机电动机，M2为清污机电动机，KM1、KM2 分别为M1 和M2 电动机的自动启停开关的线圈和触点。KT1、KT2 为时间继电器，可以通过人工设定一个固定时间t1、t2，当时间继电器线圈得电后，经过t1、t2 时间段后其触点kt21、kt22、kt23以及kt1 自动接触或断开。远程PLC2 停止按钮和KM 按钮存在机械电气联锁，即PLC2 触点闭合接通，则KM 触点断开，反之若PLC2 触点断开，则KM 触点闭合接通。

当河道需要打捞时，远程PLC1 启动按钮按下，KM1 线圈得电，km1 触点自保持，km1-KM1-kt21回路接通，M1 皮带输送机电动机持续带电转动。同时，km1-kt22-KT1-kt21回路也接通，KT1 线圈得电，一定时间t1 后，kt1 触点接触，使KM2 线圈得电，触点闭合，回路km1-PLC2-kt1-KM2-kt21接通，M2 清污机电动机开始旋转捞草。

当河道内杂物打捞完毕，远程PLC2停止按钮按下，使KM2 线圈失电，触点断开，km1-PLC2-kt1-KM2-kt21回路断开，M2 清污机电动机停止捞草。由于远程PLC2 停止按钮和KM 按钮存在机械电气联锁，远程PLC2 停止按钮按下的同时，KM 按钮闭合，kt23触点自保持，KT2时间继电器线圈得电，延时一段时间t2 后，kt21触点断开，km1-KM1-kt21回路失电，M1皮带输送机电动机也停止运转。

3.4 拦污栅架分体结构设计

栅条架由若干栅条组成，单孔拦污栅由2～4 片栅条架并列组成。不同于常规拦污栅直接将栅条焊接固定于栅体框架上的形式，栅条架与栅体框架通过不锈钢螺栓连接紧固。清污机运行过程中，当其中一片栅条架损坏时，仅需拆装维修该片栅条架，降低了起吊重量，减小了维修难度。并且运行管理单位可购置栅条架作为备品备件，清污机局部栅条架发生损坏时，管理单位能在短时间内完成新栅条架的更换，可以大大节省维修费用和检修时间[9]。

3.5 清污机增设侧边导污板

清污机增设侧边导污板，如图4 所示，可以有效地消除边梁与墩墙之间的清洁死角。侧边导污板从底部一直延伸到主栅体的顶部，并且按照一定的倾斜角度安装，其中一头焊接在链轮运行导轨的上方，另一头固定在孔口侧墩上。当河道中的杂物靠近拦污栅时，会沿着导污板的边缘经水流带入齿耙的工作范围内，被回转齿耙清理上岸[10]。

图4 侧边导污板位置

优化底部前置栅，采取弧形栅取代原来的直栅，从而使栅体底部前置栅结构更加合理，其弧度完全符合齿耙的旋转轨迹。优化后的前置栅可以固定在底板上，也可以固定在主栅体上。齿耙从弧形前置栅与主栅体之间完美地贴合通过，因此能够清除水底附着在前置栅上的污物和靠近底板处的杂物，减少栅体底部阻塞，从而达到更好的清理效果。

4 应用效果

睢宁二站于2022年9月选取了部分清污机进行改造并安装调试完毕，2022年11月投入向省外调水运行，开机超过80 d，调水4.7亿m3，累计捞草约850 t。通过对改造与未改造清污机运行情况对比发现，改造后的清污机具有以下优点。

（1）通过自动检测及张紧装置能及时处理不锈钢输送链条松动的问题，运行中未发生链条脱轨现象，设备的故障率、维修费和人工费都有所减少。

（2）智能控制运行可靠、调节运行方式方便，现地自动控制方式效果良好，未发生运行初期因河道来污量大造成链条轴销断裂、齿耙管或耙齿变形等情况。

（3）皮带机与清污机远程自动“顺启逆停”电路优化改造后，实现清污机自动捞草顺序开机和逆序停机等程序，给值班人员减轻了清污机运行压力。

（4）拦污栅前杂物清理效率高，清理效果好。

5 结语

通过研究睢宁二站清污机的优化改造，巧妙地完善了传统回转式清污机结构上和控制方式的不足，改进了链条、拦污栅架、前置栅等部位的设计，增加了消除清污死角的侧边导污板结构，实现了智能控制和远程自动控制。睢宁二站回转式清污机经过技术改造取得了预期效果，技改后的清污机在向省外调水期间运行良好，清污效果比未改造的清污机更佳，故障率有所降低，运行性能大大提高，为泵站稳定、经济、安全运行提供了有力保障。综上，清污机优化应用成果对于水利工程清污设备的设计、安装、改造具有一定的借鉴意义。