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中南水电站前池清污机技改选型与应用

2024-12-20 53 上传者：管理员

摘要：中南水电站前池进水口作为来水通道的重要关口,每逢汛期,垃圾拥堵拦污栅被迫停机清理,严重影响发电效益。经过多地考察和反复研究,最终确定采用增力耙斗式清污机并完成技改安装工作,从此水路畅通无阻,机械代替人工,捞渣效率高且安全,机组高效出力,效益提升明显。

关键词：
中南水电站
拦污栅
水电站前池
清污机选型
耙斗式清污机
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1、工程概况

中南水电站位于汉中市南郑区境内,小通江支流碑坝河上游。电站站址在碑坝镇中南村,按照《南郑县碑坝河流域拦马山至川陕界河道水能资源梯级开发规划》,2012年2月开工。该电站系引水式发电站,由取水枢纽（溢流坝）、引水线路和厂址区三大部分组成。首部取水枢纽位于大沟里河段,采用溢流坝取水,设计引用流量12.6 m3/s。引水线路采用无压引水,水流经渠道、无压隧洞进入前池,然后进入压力钢管。引水道总长5960 m,其中无压隧洞长度为5668 m,压力钢管长度为292 m。厂址位于中南村河道左岸的阶地上,距取水枢纽约8 km。电站装机容量8.9 MW,电站采用径流引水式开发,开发任务为水力发电,兼顾下游生态环境用水。2013年7月16日投产发电,年均发电量2900万kW·h。

中南水电站前池为开敞式前池,前池全长38.2 m,其中渐变段17 m,池身段11.2 m,闸室段10 m,前池正面进水侧面溢流,溢流水通过溢流渠进入天然冲沟,前池最高水位、正常水位、最低水位分别为758.4 m、757.6 m、756.1 m,进水闸孔口尺寸3.0 m×2.5 m,闸后接压力钢管；侧面布置一孔1.0 m×1.0 m冲沙闸定期冲沙,冲沙闸后接溢流渠。

前池拦污栅规格为3.0 m×6.4 m,倾角70°,自重2.8 t；由顶梁、底梁、主梁、边梁、栅条、角钢、螺栓组装焊接而成,栅条间距为50 mm,涂环氧沥青防锈,采用人工清渣,无清污机。

2、研究背景

中南水电站所在的碑坝河流域,年平均降水量为970.4 mm,全年降水量以7月～9月最多,达516.5 mm,占全年降水的53.22%。河流自北向南流,地势由北向南逐渐降低,河谷与山脊相对高差300 m～400 m,沟谷断面形态以不对称的“V”形谷为主。每逢汛期,也是发电最佳时期,河水夹杂周边农户倾倒的生活垃圾,河岸两侧枯枝烂叶等杂物,通过引水隧洞进入前池,造成严重后果：一是电站前池无固定房屋,汛期清渣时人员无处停留,暴雨山体易滑坡,人员安全存在极大危险性；二是开放式前池,耙杆清渣时无法安装安全护栏,人工清渣易出现人员滑落等安全事故；三是前池来水时,渣体吸附栅体,底部渣体人工无法清理干净,全部清理需断水停止生产至少三小时,严重影响生产效率；四是前池拦污栅条间隔原设计为50 mm,渣体冲入机组易造成转轮堵塞,造成机组无法高效出力,严重减少发电量。鉴于上述问题,电站决定对此位置进行技改,选择并采购安装合适的清污机,在保证人员安全的同时,减少停机捞渣时间,获得最大收益。

3、清污机选型

近年来,清污机已成为电站大坝、进水口、前池等过水部位必备的设备,在水电、供水、污水等涉水单位屡见不鲜,但选择针对水电站用水特性的清污机相当困难。要求功能全、性能好、体积小,空间布置适应性强,节省投资的同时满足老电站技改的可能性。

在清污设备选择前需考虑水电站特有的水头、流速、流量、水流品质等的核心参数要求,保证核心发电参数。在发电运行中,面对的是体积、形状、重量各不相同的不同种类的水体垃圾,同时完成大、小,刚、柔,常、异各形垃圾“一网打尽”。可靠性高,能连续工作；差异性强,根据不同流域、不同环境,高效清污的同时,做到不能停水,甚至做到不能减负荷,以求提高水电站经济、安全和管理效益。

3.1 液压抓斗式清污机

常见为GD25型悬挂式液压抓斗清污机,由预埋螺栓、钢架、轨道、抓斗、卷扬组织、钢丝绳滑轮、镀锌钢丝绳、机械设备过扭矩维护、液压泵站等部件构成,其抓斗起升小车沿钢结构立柱轨道左右运行,运行机构轨道为工字钢,可直接将抓取的污物卸至指定地点。抓斗斗齿为板条式,采用液压驱动,液压泵站设置在运行小车上,通过油管卷筒与抓斗相连。电控系统采用滑触线供电,为保证设备安全使用,该清污机另设置有多重安全保护装置。抓斗在下降过程中,将拦污栅面上的污物向下推到栅条底部,到达底部后,由液压油缸驱动抓斗闭合将污物合拢至斗爪内。

此类设备主要用于带有大坝或大水面和拦污栅附着垃圾较多的部位使用,设备安装土建成本小,钢结构拼接加整机吊装组装的方式。适合粗放式清污,用于要求不高的捞草、捞浮渣、浮物,大多应用于专门捞浮渣的农业排涝站、草场沟渠捞草等场景。

3.2 回转式格栅清污机

该设备由格栅（拦污栅）、回转齿耙、驱动传动机构、过载保护机构和牵引链条等部分构成,格栅框架的边框为钢结构,格栅采用间距相等的直线形栅条,常见间距为20 mm,在背水面与水平线成75°夹角,布置在渠的整个宽度范围内；在框架内侧设置牵引链回动的导轨,栅框的两侧各有一个不锈钢环链带动齿耙。工作时,在进水面处,下部导轮和齿轮用钢板在导向装置间保护起来,呈封闭状,可避免杂物进入牵引链和导轮之间卡死。卸料板焊接在格栅的顶部起延至排污处,下设皮带传输机将垃圾送出工位。在电机减速器的驱动下,耙齿链进行逆水流方向的回转运动。当耙齿链运转到设备的上部时,由于槽轮和弯轨的导向,每组耙齿之间产生相对自清运动,这使得绝大部分固体物质靠重力落下。依靠齿耙的反向运动,可以清除黏附在耙齿上的杂物[1]。整个工作过程既可以设计为连续的,也可以是根据需要进行间歇式的。

此类设备广泛地应用于城市污水处理、自来水行业、电厂进水口及工业废水处理工艺中的前级筛分工作,是一种可以连续自清除流体中各种形状杂物的水处理专用设备。

3.3 增力耙斗式清污机

该设备由地轨、传送带、机架、爬斗、钢绳、卷扬机和电气控制系统组成,有标准化宽度1.2 m机位,也可根据电站使用部位空间大小,量身定制。一般先将拦污栅安装控制在70°～90°之间,根据栅距制作耙齿,安装地面轨道和机架,挂设爬斗,钢绳滑轮连接后,调试并加装电气控制。

该设备主要针对流速快、压差大的渠道式引水电站,利用浮动自加压耙斗技术解决影响过流发电的拦污栅上中下三部分混杂综合复杂垃圾组合。清理时垃圾呈现动态分离悬浮旋转的游离状态,垃圾则会受到压差影响,吸附进入耙斗中间的负压区域；其次贴合栅距的齿耙可将冲塞在拦污栅上的杂物勾除,真正将自动垃圾分类甄别、自动受力增压调节、自动利用负压清污三大技术特点体现在一台设备之上。

该设备被称为“水电站专用清污机”,适合在复杂、恶劣工况下：如水利枢纽、冶炼厂矿渣的渣水快速分离、水电站或泵站清污等,是高性能用途、安全自动化的必选机。

4、考察与对比

“绿水青山就是金山银山”,习总书记对小水电站生态保护工作多次作出重要批示,要求加快小水电标准化和绿色小水电的转型升级。我国超80%的小水电均为民营企业,总体呈现建设年代早、设备老旧、管理水平落后等状态,因此在清污设备使用上,起步较慢。但随着河北邢台、河南长垣、云南昆明等地区的一批涉水工业企业的逐步崛起,清污设备已成为普遍化和必备品。各电站运行单位根据所在区域河道来水、安装部位的实际情况选择的清污设备五花八门,但最终也找到适宜电站使用的设备并创造出更高的效益。中南电站派出考察团,对陕西省具备特点的几个电站的清污设备进行考察。

4.1 莲花台水电站

该电站位于陕西省商洛市商南县丹江干流上,为坝后式季调节水电站,工程等级为Ⅲ等中型工程,大坝为碾压混凝土重力坝,坝址以上流域面积6614 km2,多年平均径流量13.47亿m3,总库容为9985万m3,总装机4万k W(2×20 MW）,多年平均发电量约1.1亿k W·h。大坝进水口设置6 m×10 m拦污栅,坝顶150 t门式起重机外挑钢梁,悬挂10t液压抓斗。

因该电站进水口顶277.30 m高程位于死水位283.00 m以下,正常蓄水位又为294.00 m,且电站流域面积广,上游来渣或垃圾除漂浮物外,其余基本在库区均已沉积。坝前设置拦渣浮球和捞渣船,由此,拦污栅上附着垃圾较少,抓斗式清污机启用较少。但该站的液压抓斗可随门机在坝面移动,其他部位捕捞较大漂浮物时也起到关键作用,使用功能满足大水面坝后电站需求。

4.2 徐木泵站

该站为陕西省泾惠渠灌溉工程二级泵站,设置水泵机组4台,总流量3.6 m3/s,设计扬程132.5 m,装机7500 kW。泵站院内四路水泵机组进水口处,设置4台回转式格栅清污机,来水水流平稳,杂物多为周边农户抛洒在渠道内的生活垃圾、麦草、玉米秆等漂浮物,重量较轻且沉积物较少,回转式清污机的连续作业能力恰好满足泵站需求。

4.3 盈丰水电站

该电站位于陕西省商洛市柞水县营盘镇,为径流式电站,总装机400 kW,引水管道长60 m,双排布置直径0.8 m的混凝土管,拦污栅为90°,设置前池管口处。大坝至前池段引水渠均为开放式且背靠山体,山中林木茂盛,常年落叶落果掉落水中,淤积前池,人工清淤危险且成本投入较大,严重影响发电。

该站2018年底完成前池进水口的清污机技改工作,采用双工位增力耙斗式清污机并安装远程调控装置,运行员工在机房即可操作,附着在栅体上和卡在栅体内的杂物如：树枝树叶、核桃板栗、垃圾袋等均可捞至下方传送带上送至垃圾池中。

4.4 清污机性能对比

综合多站不同站名、河道来水特点、垃圾分类等,进行三种设备不同条件下的综合对比情况表1。

4.5 评判与分析

结合中南电站多年来河道涨水及洪水期间发电现状,漂浮类垃圾占比10%,悬浮类垃圾占比60%,滚底类垃圾占比30%,故要求满足：一是具有优先高效清理中部悬浮垃圾,底部滚底垃圾的性能；二是具有带机清污性能。电站满发、超发动水中都能自如工作,不减负荷,不影响发电；三是具有综合清理性能。适应垃圾大、小、长、短、粗、细、柔异混杂[2]；四是可安装在拦污栅之上,与其紧密配合,且设备运行可靠、日常容易维护；五是具备“无人值守、自动捞渣”的前瞻性,以便后期实现全站自动化。

表1 清污机性能对比

鉴于上述专业性的要求,认为安装增力耙斗式清污机可满足全部要求。

5、增力耙斗式清污机特性与安装

5.1 产品厂家及特性

该设备为昆明琢石机电有限责任公司独家专利生产,通过多年潜心研究,攻克多项技术难点,实现浮动自加压耙斗技术,通过垃圾分类甄别,五次同步处理技术达到苛刻工况、复杂垃圾、有效带机清污的技术手段。在自动受力增力调节下,三次增力下潜和三次增力抓持,使得工作效率高出三倍,而自重不需增加。巧妙利用负压清污,使垃圾与栅体分离、游离悬浮,清理变得容易[2]。

5.2 采购与安装调试

厂家派出技术人员现场测量,通过水情分析、技术交流、安装条件、效果展示等多方面深入探讨,厂家为电站量身定制水电站专用清污机。并于2020年4月进场施工,将原有拦污栅拆解,保留底部挡渣坎,加密栅条间距,调整栅体倾斜角度,现场组装主机、安装轨道、传送带等部件,接专用电源、调整限位、PLC编程实现自动化,用时15天在汛期到来之前安装调试完成。

6、结语

中南水电站2020年5月完成前池进水口增力耙斗式清污机技改工作,目前已平稳高效运行4年之久,历经实战检验,在定期保养的前提下,该设备从未出现过故障,机组满发时,设备在动水中工作自如,水流稳定,机组负荷不受任何影响。清污机限位明确,操作员工受训上岗,遥控操作,避免无关人员误操作的同时,也解决人工清污的危险,各方面的安全性得以保障。其次自清污机投运后,再未发生因前池渣体淤积而导致停机,提高了汛期洪峰时的机组生产效率,因紊乱水流引起的机组震动及叶片气蚀现象也大大减少。经济效益上与未安装时相比,每年多发约36万k W·h,增收12余万元,永久节省了人工清渣费用1.5万元/年,安全效益及经济效益十分显著。

从设备的实用性和性价比及使用效果上看,该设备可满足当前涉水行业清渣设备需求,可为新老电站、泵站、污水、供水等相关行业,提供技术参考。

参考文献:

[1]张卿监.煤矿生活废水提标改造工程实例[J].山西化工,2023,11:242-245.

[2]晏美青.昆明琢石:创新铸就未来[J].中国高新科技,2020,13:39-40.

文章来源:张庆玮.中南水电站前池清污机技改选型与应用[J].陕西水利,2024,(12):185-187.