湘江水电站清污机设计

姚能栋，张晶晶

(江苏润源水务设备有限公司，江苏 扬州 225264)

湘江水电站清污机设计

姚能栋，张晶晶

(江苏润源水务设备有限公司，江苏 扬州 225264)

湘江水电站每逢雨水季节、洪水季节来临时，大量树枝、木头、水生藤蔓、生活垃圾堆积在进水口拦污栅前，清污问题困扰着电站安全生产。本文根据现场条件研究设计的清污设备，避免了拦污栅压差过大对水工建筑物及发电机组产生的危害，保护了机组安全运行，为同类型水电站提供借鉴作用。

水电站;回转式清污机;栅体;钢排架

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.038

1 概述

湖南省东安县湘江水电站位于东安县石期市镇羊角坪，为湘江干流上第一座径流式电站，是一处集发电、灌溉、防洪于一体的综合水利水电工程。该电站控制流域面积7940km2，总库容2074万m3。安装6台3200Kw立轴轴流转桨式水轮发电机组，水轮机单机出力3370 Kw，额定流量37m3/s，额定水头11m，最大水头13.0m，最小水头6.0m。

原进水前池为人工拦污栅，完全依靠人工清污，特别是雨水季节、洪水季节，有大量树枝、树根、水生藤蔓、生活垃圾(主要为塑料泡沫及薄膜、小动物尸体)堆积在进水口拦污栅前，无法快速有效清除。造成栅前和栅后水位差增大，机组水量下降，水头损失增加。穿过栅条的水草、垃圾等杂物冲入到水轮机内，叶轮阻力增大，引起水力不平衡，产生机组振动，有时需停机清理。严重影响水轮机组发电效率。

为了保证水轮机正常运行，在每台机组的进水口设置回转式清污机并配套皮带输送机。

2 回转式清污机设计

2.1 工作原理

清污机包含栅体及传动机构，在电机、减速机的驱动下，回转牵引链在迎水面由下向上作绕栅体回转运动，当牵引链上的齿耙轴运转到栅条的迎水面时，齿耙即插入栅条的缝隙中作清捞动作，将栅条上所截留的杂物刮入耙中。齿耙设计成双齿齿耙，双齿间呈一定夹角，当一齿插入栅条栅隙中清捞时，另一齿与其成包围之势将固体杂物包围住，不让其脱漏，当齿耙运转到机器上部时，杂物自重自行脱落到皮带输送机中，集中运至指定地点。

2.2 基本参数

清污机选型主要考虑取水口水工建筑物型式、建筑尺寸、孔口尺寸、来污量及种类、栅前水流形态、过栅流速等因素。经设计计算，选择回转式清污机，技术参数见表1。

表1 技术参数

2.3 结构设计特点

回转式清污机设置于6台机组进水流道口处，设计及制造执行SL382-2007标准。回转式清污机采用钢制门槽安装，安装角度为90°，清污设备栅体分节制作，安装时逐节安装。平台上部增设钢立柱和电动葫芦，方便安装与检修。

2.3.1 栅体

栅体由32a工字钢焊接成框架与80×10mm栅条焊接成一刚性整体，最高设计水头2.0m时主梁变形不大于H/500(H为主梁跨度)。框架、栅条材质采用Q235B。栅体具有足够强度和刚度，能承受水中较大飘浮物的撞击。栅体分节制造，节与节采用定位销定位，再用高强度螺栓联接，每节做好数字编号。单节最大长度符合国家公路运输有关规定，单节栅体均设有吊耳，便于运输和安装。每台套栅体共分6节，最大单节长度2.8m。

2.3.2 传动机构设计

电机减速机位于清污机头架内部，挡污板下部，采用隐身式结构，电机防护能力也大大提高。减速机采用立式卧装摆线减速机与链轮传动组合形式。由于机头上部空间不受限制，大型污物可以顺利通过，此种设计结构合理，外形也美观。

驱动轴采用20#钢 Ø146×20无缝管设计，具有足够的强度和刚度，以承受弯矩和扭矩同时工作的载荷;链轮采用45钢，齿面淬火HRC40～45，耐磨性能好;传动链条节距P50.8，大小链轮齿数16/25;牵引链轮节距 P140，齿数9齿。调节螺杆、螺母采Q345热镀锌处理。主轴轴承采用FGB自润滑轴承。驱动链条采用板式套筒滚子链，链板、联接螺栓、螺母均采用304不锈钢材质，滚子直径Ø75mm，链板厚度8mm，销轴直径Ø20mm，牵引力大，抗拉强度高，安全系数大于6。链条齿耙固定结构采用开槽螺母防松结构，可以有效防止齿耙脱落。

2.3.3 耙齿设计

回转清污机每台设有18根齿耙管，普通耙齿9根，钩形耙齿9根。齿耙管在选型时采用相同抗弯强度的型材，优先选用小尺寸厚壁无缝钢管，以减少阻水面积，直径选用Ø133×10无缝管，耙齿采用厚度10mm冲压件。耙齿钢管上焊有耙齿，上栅齿与栅面成75°夹角，下栅齿插入栅条20mm。

考虑到湘江河道来污特点，有很多树枝、树根，在普通型耙齿之间增加带钩形耙齿，防止污物滑落见图1。

图1 耙齿

2.3.4 清渣机构设计

清污机牵引链轮下方，皮带输送机上侧，设有清渣装置。确保污物由于卸载不净而被带入下游。

清渣装置由清渣板和橡胶板组成。清渣板上切割与栅条等间距的槽，槽口的两侧压有橡胶块，橡胶块槽口与耙齿厚度相等。在耙齿经过槽口时，橡胶块与耙齿如梳子一样，清除耙齿管上的污物。事实证明，大、重的污物依靠自身重力，就能顺利落渣。较轻的、藤状污物如河草类，经过梳齿后卸得也很干净见图2。

图2 清渣机构

2.3.5 底部拦污栅设计

清污机底部设置前置栅，主要作用是拦截水底垃圾，防止水底垃圾从齿耙绕栅空隙通过。如果底部有淤积时，清污机底辅助拦污栅需要上移，以避开淤积层，有利于齿耙回转。

2.3.6 过载保护装置

机械过载保护，驱动装置中设有安全剪切销作过载保护装置。安全剪切销安装在减速装置链轮上，按清污机额定扭矩确定剪切销剪切直径，过载时剪切销被切断，使传动链轮与减速机输出轴空转，从而起到过载保护作用，防止传动件被损坏。机械过载保护装置结构简单、动作可靠准确、维护方便。

载荷限制器(电气保护)，在电气设计中设有热过载保护，保证在设备出现故障后能自动停机并发出信号以有效地保护电机不被烧坏。

2.3.7 电器控制

回转式清污机采用液位差控制与PLC相结合。控制箱具有手动、自动、手/自动切换、急停、切断、报警等功能，控制箱设有与其它相联系设备的端口。现场手动控制，通过控制箱按钮进行操作;远程自动控制，通过远程PLC控制设备的运行，一旦出现故障，会向控制中心发出报警信号。现场控制箱具有以下与中控室相连的无源输入输出接点，工作状态信号、运行信号、故障信号、中控室控制输入。

回转式清污机与皮带输送机实现联动控制，即只要启动任何一台回转式清污机，皮带输送机也联锁启动，当所有回转式格栅清污机停止工作后，皮带输送机还继续运行一段时间才停止工作。

2.4 钢排架设计

钢排架包含H型钢立柱、轨道工字钢及电动葫芦组成，用于清污机安装、检修。由于现场条件限制，大型汽车吊到达不了工作面进行安装，只能从前池右端吊入，再由电动葫芦将分节的清污机逐节吊入各对应的孔口。

钢排架利用进水口现有检修钢闸门混凝土排架作为侧梁，在清污机间隔混凝土支墩上架设相应钢立柱。钢立柱和与混凝土排架采用高强度穿孔螺栓联接，每孔清污机支墩上设400×400H型钢立柱，总数量为12根，高度5.605m，在横梁下方布置32b工字梁轨道2根，长度75m，工字梁上悬挂2台2×50KN电动葫芦，电动葫芦操作采用现场控制操作。考虑到工字梁、电动葫芦、起吊钩的高度尺寸及清污机的分节高度尺寸，葫芦起吊行程不低于16m，能够满足起吊、检修所需要的尺寸。具体的布置形式如图3。

图3 钢排架

2.5 清污机门槽设计

进水流道孔口宽4000mm，经过清污机水流有一定水头损失，考虑到最大过流面积，将清污机设置于闸墩圆弧处，门槽宽4970mm，回转清污机宽4875mm，栅条有效过流宽4445mm。清污机为垂直安装，为保证固定牢靠及日常检修方便，将埋件设置为门槽型。门槽采用钢结构制作，高度从底板至工作桥平台为14m，在原闸墩圆弧处植筋，与门槽侧筋板焊接固定，再立模板与原有闸墩圆弧面之间用混凝土浇筑如图4。

图4 钢门槽

3 运行要求

清污机运行时，传动机构等运行部件应运转灵活、无卡阻、碰撞、异响等现象，整机运行平稳可靠。皮带输送机无跑偏，运行平隐。

清污机工作过程:通过超声波液位计测量栅前、栅后水位差，达到设定值时，报警系统发出警报并自动启动清污机，同时启动皮带输送机。运行一段时间后，河道污物清理完，栅前栅后无水位差时，清污机停止运行，皮带输送机再运行5m in后停止，将皮带上残留污物输送干净。即完成一个工作循环，见图5。

4 结语

清污机设计的合理与否，直接影响着水电站运行状况的好坏与经济效益。湘江水电站的回转式清污机自投运以来，机械清污代替人工清污，提高了效率，彻底解决了栅体压差过大的安全隐患，保证了水工建筑物及机组安全运行。为同类型水电站特别是为湘江下游水电站改造提供了成功的借鉴经验。

图5 现场运行图

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

［2］SL74-2013.水利水电工程钢闸门设计规范［S］.

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1672-2469(2016)08-0119-04

2015-11-20

姚能栋(1980年—)，男，工程师。