泵站反向發(fā)電運(yùn)行工況下攔污方案探討

李 毅，殷振興，陳超群

（江蘇省淮陰第二抽水站管理所，江蘇 淮安 223001）

淮陰二站是大（2）型水利泵站，工程建成于2002年，是南水北調(diào)東線應(yīng)急工程之一，承擔(dān)著向洪澤湖和淮北地區(qū)補(bǔ)水的任務(wù)，屬于江水北調(diào)第三梯級泵站。淮陰二站安裝有3.1ZLQ-5型的立式軸流泵3臺套，配用TLW2800-40/3250型同步電動機(jī)3臺套，總裝機(jī)容量8 400 kW。設(shè)計流量100 m3/s， 設(shè)計揚(yáng)程4.4 m。2014年管理單位對3號機(jī)組進(jìn)行改造，目前機(jī)組具備反向運(yùn)行發(fā)電功能。

1 概述

淮陰二站下游建有清污機(jī)橋，清污機(jī)選用大孔口回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，每臺清污機(jī)的清污能力要求大于50 t/h。共安裝8臺清污機(jī)、一套輸送帶以及電氣控制系統(tǒng)。能夠滿足機(jī)組翻水運(yùn)行工況下清污攔污需求。

淮陰二站上游無清污機(jī)，有6扇攔污柵，擋洪門槽兼做攔污柵槽。目前已無法滿足攔污需求，造成水頭損失較大，影響發(fā)電運(yùn)行效率。

圖1 淮陰二站工程位置圖

表1 淮陰二站水位組合表單位：m

2 方案探討

淮陰二站3號機(jī)組在反向發(fā)電運(yùn)行時存在振動情況，經(jīng)多次停機(jī)檢修仍未發(fā)現(xiàn)故障所在，初步推斷為水面漂浮物等進(jìn)入主水泵導(dǎo)致，先就存在問題對上游河道攔污方案進(jìn)行探討。

2.1 利用橋墩作為基礎(chǔ)布置攔污柵

計劃將攔污柵安裝在二河公路橋橋墩上，查閱《淮陰二站觀測資料》[1]得出，攔污柵安裝位置靠近二河橋，位于上游CS6-CS8斷面（里程樁號0+237-0+337）之間，河床高程6.5 m，標(biāo)準(zhǔn)河寬約81.4 m。查看近三年引河斷面觀測記錄，得出淤積量較小，斷面淤積高度不足1 m。滿足安裝條件。

攔污柵采用分片設(shè)計，分為上下兩個部分，上部采用活動式垂直安裝攔污柵，將污物有效攔截在水面上，并不對攔污柵發(fā)生纏繞。下部采用傾斜安裝，柵體與水面形成一定傾角，利用水流推力將吸附在攔污柵上的污物（多為生活垃圾、樹枝等）推至上部水面。

圖2 淮陰二站河道斷面布置圖

因攔污柵為非標(biāo)準(zhǔn)件，尺寸可定制。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定，攔污柵宜采用活動式。傾斜布置時，柵體與水平面夾角宜取70°~80°。參閱《大型泵站攔污清污方案選擇》[3]中水力學(xué)實驗結(jié)果，設(shè)計下部攔污柵傾斜角度45°。假設(shè)利用橋墩作為下部攔污柵安裝基礎(chǔ)，根據(jù)橋墩跨度[4]，假設(shè)攔污柵寬度5 m，需要8扇。河道兩側(cè)坡度部分不設(shè)置攔污柵以方便污物清運(yùn)及維護(hù)。

根據(jù)淮陰二站基本情況[5]，得出上游的設(shè)計水位為13.1 m，校核水位16.43 m；下游設(shè)計水位為8.7 m，校核水位11.2 m，上下游設(shè)計水位差4.4 m。

上部分?jǐn)r污柵采用垂直安裝，攔污柵設(shè)計高度為11.8 m~16 m，寬度同下部攔污柵一致。在橋墩上安裝導(dǎo)軌及驅(qū)動系統(tǒng)，使垂直攔污柵在垂直于公路橋方向能夠移動，這樣在攔污柵前垃圾需要清理時，導(dǎo)軌將攔污柵推動到方便清理的橋墩一側(cè)。配合打撈船或者其他清理方式清理。在需要翻水供水時，可將攔污柵移動到西側(cè)，保證水流暢通。

圖3 攔污柵布置示意圖

2.2 安裝浮筒攔污排

計劃采用自浮式攔污，無需任何動力，電站河道兩邊岸坡上用水泥打樁，擬采用C25混凝土54.00 m3。根據(jù)淮陰二站河道情況，按照浮筒連接采用直徑30 mm鍍鋅鋼絲繩704 m，豎向采用直徑20 mm鍍鋅鋼索195.13 m，并需要配置鋼絲繩卡526只、圓柱體浮筒115只，攔索安裝2道等具體內(nèi)容進(jìn)行施工。浮筒攔污排可隨著水勢的漲幅而自由升降，節(jié)省人力成本。安裝結(jié)構(gòu)多元化，可依地勢，水流隨意變化組合。而且產(chǎn)品使用壽命在10年以上,更換方便，經(jīng)過初步計算，淮陰二站此方案需花費(fèi)20萬余元。

2.3 對現(xiàn)有攔污柵進(jìn)行升級改造

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，在已有攔污柵基礎(chǔ)上對泵站前端垃圾雜物隔離隔柵[6]進(jìn)行改進(jìn)，具體方案如下：

主要改進(jìn)支撐架和隔離網(wǎng)，支撐架的一側(cè)設(shè)置有導(dǎo)流瓦，導(dǎo)流瓦的內(nèi)壁安裝有水輪，水輪的內(nèi)壁安裝有第一傳動軸，第一傳動軸的外壁安裝有第一傳動輪，第一傳動輪的外壁設(shè)置有第一皮帶，支撐架的內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接有第二傳動軸，第二傳動軸的外壁安裝有第二傳動輪，第二傳動輪的外壁設(shè)置有第二皮帶，第二傳動軸的外壁固定連接有傳動輥，支撐架的外壁轉(zhuǎn)動連接有支撐輥。

工作原理：使用時，水流流過隔離網(wǎng)2，隔離網(wǎng)2將垃圾隔離在一側(cè)，然后水流沖擊導(dǎo)流瓦3、水輪4和導(dǎo)流板15，水流沖擊導(dǎo)流板15時，導(dǎo)流板15會隨著水流的流動而轉(zhuǎn)動調(diào)整角度，將對水流的迎流面積降到最小，使得水流受到的阻力最小，此時，導(dǎo)流板15會對準(zhǔn)這水流，將流過水輪4下方的水流阻擋導(dǎo)流，使得水輪4上方受到最大水流推力，水輪4下方受到最小的水流推力，從而使得水輪4旋轉(zhuǎn)，水輪4旋轉(zhuǎn)時會帶動第一傳動軸5同步轉(zhuǎn)動，第一傳動軸5帶動第一傳動輪6同步轉(zhuǎn)動，第一傳動輪6和第一皮帶7將多個水輪4連接在一起使得扭力合并，然后利用第一傳動輪6、第二傳動輪9和第二皮帶10之間的傳動帶動第二傳動軸8轉(zhuǎn)動，第二傳動軸8轉(zhuǎn)動時帶動傳動輥11同步轉(zhuǎn)動，傳動輥11轉(zhuǎn)動時帶動隔離網(wǎng)2順時針轉(zhuǎn)動將垃圾抬升并傳送到岸邊以便清理。

圖4 結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 支撐架內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 支撐架內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 導(dǎo)流瓦側(cè)剖圖

與現(xiàn)有技術(shù)對比，本次改進(jìn)具備以下有益效果：

（1）通過設(shè)置的支撐架、隔離網(wǎng)、導(dǎo)流瓦、水輪、傳動輥、支撐輥和導(dǎo)流板，便于利用水流的動能帶動水輪旋轉(zhuǎn)，并利用多個第一皮帶將多個水輪連接，利用水輪的旋轉(zhuǎn)帶動隔離網(wǎng)上升，使得垃圾廢棄物傳動到岸邊，以便及時清理，避免了下水打撈，提高了安全性，同時直接利用水流帶動，適用性強(qiáng)。

（2）通過設(shè)置的導(dǎo)流瓦和導(dǎo)流板，能夠在導(dǎo)流板受到水流沖擊時，能夠帶動導(dǎo)流瓦指向水流流速最大的角度，使得水輪得到最大的水流沖擊力度。

3 結(jié)論

針對以上3種提高水能資源利用效率的辦法，發(fā)現(xiàn)利用橋墩作為基礎(chǔ)布置攔污柵方案的實施難度較大，可能影響橋梁的承載能力，且與橋梁管理部門溝通無果，遂放棄該方案。對于浮筒攔污排安裝方案，是目前河道管理單位、水電站管理部門最常采用的方案之一，它經(jīng)濟(jì)效益高，在安裝方法、施工周期等方面都具有無可比擬的優(yōu)點，但也存在維護(hù)難，人工清運(yùn)水面垃圾較困難的情況。最終通過分析決定采用對現(xiàn)有攔污柵進(jìn)行升級改進(jìn)的設(shè)計方案，并對此方案申請實用新型專利。

研究中又發(fā)現(xiàn)攔污柵改造升級后并不能從根本上杜絕少部分水草等河道垃圾進(jìn)入主水泵，影響水能利用效率的情況。對于此類問題還需要進(jìn)一步研究和探討。但此方法在理論上和實用上依然能進(jìn)一步提升水能利用效率。