水面高效转筒式清漂系统研究

董珮瑶

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉　430072)



水面高效转筒式清漂系统研究

董珮瑶

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉430072)

河流和水利工程区域漂浮物垃圾聚集严重，将影响水电站正常发电，且对环境产生恶劣影响。从目前现有的水面清污方式及装置来看，难以达到既经济又高效的目的。为解决打捞水面垃圾存在的高成本、低效率问题，本文提出一种集水面漂浮物拦截、打捞、传送、收集于一体的高效转筒式清漂系统。该系统利用水流冲射防止污物黏附，实现自动化，减少人力投入。

漂浮物；垃圾打捞；清污；高效率；水治理

我国目前大量使用的一次性包装品，其中部分被排入江河等水体中，导致各地河道、湖泊、水库等水面漂浮物日益剧增，污染严重。宝鸡峡水利枢纽自蓄水运行以来，水库的漂浮物较多，最多年份达2万m3，年平均约6000m3左右；长江干流一般年份漂浮物来量为10万～20万m3左右；葛洲坝电站运行20多年来，一直深受上游水面漂浮物的危害。三峡水库自蓄水以后，大量漂浮物漂移至三峡大坝坝前，每年汹涌而下约20万m3漂浮物，一次洪水涌向坝前漂浮物多达4万m3，因此清理库区水面垃圾任务尤为艰巨。

1　水面漂浮物的分类及影响

水面漂浮物可分为三类：一类是生活垃圾和工业垃圾，如塑料、泡沫等，此类漂浮物所占比例有增长的趋势；第二类为树枝、秸秆等；第三类是灾害类漂浮物，如动物尸体、木料等。这些漂浮物中充斥着有机物，并大量堆积在库区上游附近，有机漂浮物腐败变质，释放有毒有害物质，污染水体，破坏库区水生生物的生存环境，威胁饮水及取水用水安全。

1.1影响自然景观

漂浮物由各种自然和人工废弃物组成，大量白色漂浮物堆积，破坏水面景观，在城市和景观水域影响市容和旅游环境，进而影响旅游业的发展。同时，漂浮物堆积在进水口前，由于有机物分解者大多属于厌氧生物，有机物分解后释放气体，气温偏高时异味难闻，严重影响空气质量。

1.2影响发电水头，威胁电站安全

水电站前的漂浮物在电站引流作用下易聚集于电站进水口拦污栅前，从而堵塞拦污栅、减小过流断面，影响发电水头，造成事故停机,不仅降低工程直接效益,而且对工程安全运行构成威胁。如：葛洲坝二江电厂受漂浮物影响，拦污栅前后压差一般为1～2m，有时可达3～5m,最大达6m，多次造成事故停机；沙溪口水电站因污物造成年电能损耗达0.24亿kW·h；天桥水电站拦污栅水头差达6.0m，栅条被压断进入蜗壳造成停机3个月；乐滩水电站拦污栅压差最大达5m，损失1/4额定水头，机组出力最大下降60MW，电站平均每天损失电量约1.4×106kW·h；漫湾电站拦污栅前后水位差最高5.4m,为确保安全须限负荷运行。

1.3影响泵站输水，增加水泵负荷

泵站排涝期来流污物较多, 如果清污设备不完善, 水位差最大可达2m 以上。例如我国安装最大水泵的江苏皂河泵站，其拦污栅前后最大水位差高达2.85m。以江都抽水站四站为例, 如果因为拦污栅阻水而造成0.7m的水头损失, 则单机增加功率约为200kW。按每年运行5000h计算, 则一年增加耗电量100万kW·h,电价以0.50元/(kW·h)计, 一年增加费用50万元, 并且拦污栅水力损失增加后, 单机流量减小约1/10, 为了抽提同样体积的水, 需要机组增加运行时间1/10, 即500 h,则需另增加运行费用为2200×500×0.5=55万元，若江都第四抽水站7台3000 kW机组抽水，一年将增加电费105×7=735万元, 装机容量为53000kW的江都抽水站全部4座泵站一年因为拦污栅阻水增加的电费约1800万元。

1.4影响航运

航道上的漂浮物将阻碍船舶航行，漂浮物缠绕螺旋桨影响船舶安全，增加船舶修理维护费用，加大了运输成本。汛期大量漂浮物还会损坏、损毁航标，危及航道安全。

2　国内外治漂现状

现阶段电站治理漂浮物的主要方式有拦漂、排漂和清漂。

设置在电站引水渠的拦(导)漂浮排是第一道拦截漂浮物防线，但拦漂排拦漂易造成漂浮物聚集，导漂作用不明显。漂浮物积聚后有些自然下沉或潜浮，在引流作用下同样会堵塞电站拦污栅；聚集的漂浮物在引流、风力等作用下挤压拦漂排可能损坏拦漂排，给电站运行带来灾难性的影响；在水流、风、波浪等因素的作用下，聚集的漂浮物容易越过拦漂排；在拦漂排前清理漂浮物会导致漂浮物泄漏，清漂工作存在安全隐患，难以确保工程安全运行。

排漂是将漂浮物经过固定建筑物宣泄至下游，但电站前漂浮物聚集部位经常变化，利用固定建筑物泄流排漂对漂浮物直接吸引范围有限。排漂孔运行受坝前水位影响，孔口被淹没后排漂效率更低。水力排漂水能利用率低、消耗水量大，直接减少工程发电效益，在梯级开发河流中弃水排漂将更加受到限制。将上游漂浮物直接排泄到下游，不能改善水环境，对下游工程不利。

拦污栅可解决水面垃圾收集的问题，其作用是阻止水草、树根、生活垃圾等异物进入进水流道，防止异物进入工程结构内部而对水工建筑物和水力机械造成破坏。拦污栅可分为两种：一种是平面式拦污栅，其优点是结构简单，可将拦污栅提出槽。但清污困难，需配备专门的清理设备才能清除杂物，在工程中一般布设两道平面式拦污栅，轮流进行清污。另一种是回转式拦污栅，在平面拦污栅上布置清污齿，利用清污齿的轮转进行清污。由于河流中的污物形式多样，清污齿的尺寸较难确定，回转式机械装置容易被污物卡死导致停机。

目前采用的人工打捞方式虽工程投资少，在漂浮物较少的静止水面或景观水域可以发挥一定的作用，但河道漂浮物多暴发在雨洪期,受水流、气候、夜晚等多种因素限制，简单的人力清漂难以保持长期稳定的治漂效果，也存在安全隐患。在坝顶拦污栅前清污受到场地、清理能力等多种条件限制，人工清漂能力不足。

3　高效转筒式清漂系统设计原理

本文对高效率打捞水面漂浮物垃圾作了一些研究，提出一种集垃圾拦截、打捞、传送、收集于一体的高效转筒式清漂系统，能够解决现有水面垃圾打捞中存在的高成本、低效率问题，有一定的市场应用前景。

高效转筒式清漂系统由转筒式打捞机、传送带、喷射装置及检测装置四部分组成。转筒的动力装置设置在闸墩上，不受水位涨落影响，同时可根据水位调节装置高度。传送带位于转筒内部，位置比转筒中心高度稍低，垃圾由传送带传送至收集箱。转筒式打捞机后方设置有拦污栅，避免垃圾遗漏打捞不彻底。喷射装置设在闸墩上，通过射流式喷水口间歇地将水泵抽水喷射到打捞臂上，防止黏附性垃圾对打捞臂的影响。下图为高效转筒式清漂系统模型。

高效转筒式清漂系统模型图

3.1转筒式打捞机的结构型式

转筒式打捞机的三只打捞臂均匀分布在转筒上，转筒与打捞臂末端设置开口，垃圾通过转筒开口进入转筒，滑落至传送带上。传送带位置比转筒中心高度稍低。传送带边缘与转筒之间设有固定倾斜挡板，便于污物从打捞臂滑落至传送带，并防止污物泄漏干扰转筒转动。

3.2传送带的结构型式

传送装置采用松紧可调的传送带型式，传送带位置比转筒直径高度稍低，传送带由两并行链条传动，链条对应链节间用钢丝固定，固定钢丝之间围绕有钢丝网，可以避免收集物的泄露，并可透水。传送带机架内部安装有螺杆螺母部分，通过调节一对螺母实现传送带松紧调节和固定，还可以根据实际情况更换长短不同的传送带，而不必更换支撑架。

3.3打捞臂的结构型式

打捞臂前端采用弯曲挡板设计，弯曲档板与打捞臂平滑连接。打捞臂体采用栅状镂空设计，可使垃圾携带的水分流出。防黏附设计结合仿生材料和喷射装置两种技术方案。打捞臂表面涂有类似海豚表皮的仿生疏水涂层材料，具有防污自清洁能力及良好的防黏附性；喷射装置设在闸墩上，当打捞臂转至最高点时射流式喷水口将水泵抽水喷射到打捞臂上，防止不易滑落的黏附性垃圾对打捞臂产生影响。

4　创新特色

4.1打捞、传送同时进行

该装置打捞臂转动将漂浮物打捞至臂面上，当打捞臂旋转至陡倾时，垃圾由于自重从臂面滑落，通过圆筒上的开口收集，落到圆筒内的传送带上，经由传送带运输到岸上，再进行处理，实现垃圾打捞和传送同时进行。

4.2自动化

该装置基本上可以实现无人工操作，且不受环境与负载变化的影响，保持动作平稳、安全可靠，能够实现连续作业；打捞臂交替出现在水下，一臂打捞的同时另一臂拦污，保证随时都有一个打捞臂处于水下，实现彻底、高效打捞。

4.3双重拦污设计

该装置后设有拦污栅，与设备配合使用，清污更彻底。打捞臂伸入水下可以拦截水面漂浮物，既可以减轻漂浮物对拦污栅的冲击作用，防止损坏拦污栅；也可以减轻甚至避免拦污栅堵塞，有效防止因拦污栅的堵塞而导致的过流能力下降，进而影响水电站出力。

5　结　语

目前我国采用的普通清漂装置效果较差，且固定清漂装置很难保证高效连续工作，而清漂船一次作业打捞量有限，且耗费大量的人力物力。基于目前国内清漂现状，可连续作业的打捞传送一体化装置将会有很好的应用前景。

该装置可以实现漂浮物拦截、打捞、传送、收集一体化，结构简单。可用于河流漂浮物易聚集部位，如：河流弯道处，河道泵站进水口前，在建或已经建成但清漂能力差的水利工程。

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Research on water surface efficient rotary drum floating debris cleaning system

DONG Peiyao

(WuhanUniversitySchoolofWaterResourcesandHyeropowerEngineering,Wuhan430072,China)

Floating debris are seriously accumulated in river and water conservancy project areas, the normal power generation of hydropower station is affected as well as the environment is seriously impacted. It is difficult to reach economical and efficient goals from the perspective of existing water surface sewage disposal methods and devices. In the paper, an efficient rotary drum floating debris clearing system integrating water surface floater interception, salvage, transmission and collection is proposed in order to solve high cost and low efficiency problems in capturing water surface garbage. The system utilizes water flow shooting for preventing the adhesion of pollutants, thereby realizing automation and reducing human labor.

floater; garbage capturing; sewage disposal; high efficiency; water treatment

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.010

TV732.2

A

1673-8241(2016)04- 0038- 03