南水北調臺兒莊泵站清污機技術改造方案比選

劉宗柏，呂鴻翔，楊克坤，任澤儉

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013）

1 項目概況

臺兒莊泵站是南水北調東線一期工程的第七級泵站，也是山東省境內第一級泵站，位于棗莊市臺兒莊區韓莊運河與月牙河中部之間，主要任務是從駱馬湖和中運河抽水通過韓莊運河向北輸水，實現梯級調水目標，同時結合解決臺兒莊區面積25.9 km2的排澇問題。臺兒莊泵站工程于2005年12月12日開工建設，2008年5月30日通過水下工程階段驗收，2009年11月24日通過機組試運行驗收，2013年11月正式通水，2018年9月通過竣工驗收。

臺兒莊泵站現有耙斗往復式清污設備9臺（套），皮帶輸送機1臺（套），配電柜5面。清污設備為江蘇泉溪環保股份有限公司2008年3月20日制造的GSY型三索式鋼絲繩格柵除污機。

2 現有清污機技術改造的必要性及改造目的

2.1 現有清污機技術參數

臺兒莊泵站現有清污機共9個進水孔，設置有9臺固定式耙斗清污機，進水口最高水深6.1 m。技術參數如下：孔口寬4.2 m；柵體傾角80°；電動機功率7.5 kW；柵條凈距145 mm；設計水頭差2.0 m；垂直安裝高度14.31m；最大清污能力20t/h；耙斗容積1.12 m3；一次最大清污能力1 000 kg；提升電機SA97DV112M4，P=4 kW；啟閉電機減速機SAF87DV100L4，P=2.2 kW；耙斗運行速度0～11 m/min。

2.2 現有清污機存在的問題

泵站調水運行期間，由于距第六級泵站距離長，上游河道兩側的生活垃圾、樹枝、雜草等經過水流的沖擊堵塞在攔污柵上，大大減小了過柵流量。同時，因現狀清污機工作動作復雜、單耙效率低下、卸污效果差，且每個洞口都需人工手動操作，既費時費力又不能及時將污物從渠道內清理出來，在進水口處形成擁堵，嚴重影響泵站正常調水作業。經分析，主要存在以下問題。

（1）耙斗自重小，隨著污物增多及種類變化，不能較好地清理污物，尤其是水草漂浮在水面，積聚多時造成耙斗不能下沉打撈污物。

（2）由于耙斗式清污機工作的線性原理，上部缺少有效的卸污翻轉裝置，污物到達頂部后，部分污物難以落到皮帶機上，而是重新滑落至柵前水面上。

（3）自動化控制系統與清污機PLC中斷，不適應工程的運行管理。

2.3 清污機技術改造的必要性

2016—2018年，南水北調工程建設監管中心和國務院南水北調工程建設委員會專家委員會多次到現場稽察檢查，針對臺兒莊泵站清污機清污效果差、清污能力成為影響泵站安全運行的重要因素的實際情況，稽察專家建議開展清污機擴容或改進機型的研究工作，以滿足工程安全運行清污的需要。

為解決臺兒莊泵站清污機存在的問題，南水北調東線山東干線有限責任公司于2019年3月21日在臺兒莊泵站管理處組織召開了臺兒莊泵站清污機技術改造專家咨詢會。專家們查看了工程現場，聽取了有關單位的意見，經認真討論，提出咨詢意見：一是現清污機故障率高，由于污物量大，攔污柵堵塞嚴重，已不能滿足運行要求，建議盡快改造；二是建議采用回轉式清污機，并進行專項優化設計；電氣控制方式具備現地、遠程控制功能，電氣控制柜采用集中布置方式；清污機材質采用304不銹鋼等。

經綜合分析，認為清污機改造必要性有以下3個方面：①保證泵站機組安全運行的需要，使清污機真正發揮作用，防止污物進入水泵機組，造成機組發生不平衡振動和過負荷等安全隱患；②保證泵站機組穩定及經濟運行的需要，使清污機及時可靠地運行，能夠有效減輕攔污柵所攔截污物阻塞柵孔，保證攔污柵的設計過流面積，減小過柵局部水頭損失，提高水泵運行效率，為機組高效運行提供保障；③提高泵站運行管理水平的需要。

根據相關規范規程要求，為了降低污物對泵站等設備安全運行的影響，考慮工程運行管理、安全等方面的要求，需要提高工程的運行安全保證率，對泵站清污機進行改造十分必要。

3 清污機型式及方案比選

3.1 主要清污機型式及特點分析

清污機的選型應根據來污量、污物性質和攔污柵的布置方式而定。清污機的型式主要有兩大類，即耙斗式和回轉齒耙式。耙斗式清污機按安裝方式分為固定式和移動式，耙斗的開閉方式分為繩索式和液壓驅動式，多用于水電站進水口攔污柵的清污。回轉齒耙式清污機（以下簡稱回轉式清污機）多用于泵站進水口的清污，與攔污柵做成整體，動力裝置分為液壓馬達驅動和電動機驅動，清污刮板傳動裝置采用回轉式輸送鏈。

（1）耙斗式清污機。根據布置方式可以采用固定式、移動式和單軌懸吊式。小型固定式耙斗清污機的耙斗張合可以采用手動操縱。耙斗的形式根據污物的不同可采用斗狀或齒耙狀。斗狀耙斗適合樹枝等浮游桿狀及大尺寸垃圾的清理。齒耙式耙斗適用于水草等較細軟的污物清理。為防止耙斗的側向移動，耙斗的設計應有導向輪，其擋水面積盡可能小。為保證耙斗貼壓攔污柵面，一般應采取吊點偏心設計。采用耙斗式清污機時，應關注由于卡阻引起的攔污柵的安全性以及耙斗在水下運行時水動力對清污效果的影響。

（2）回轉式清污機。其主要適用于小樹枝、水草等體積較小而數量較多的情況。齒耙在鏈條上固定，每隔一定距離固定1個齒耙。齒耙插入柵面一般為20～40 mm，齒兩側與柵條的間隙一般為3 mm左右。齒耙到達頂部，由活動的刮板或圓毛刷壓緊并清理。該類清污機使用較多，效果較好。

2種型式清污機主要特點，詳見表1。

表1 2種型式清污機特點對比

3.2 技術改造方案比較

根據臺兒莊泵站清污機的技術參數和現場實際情況，綜合考慮各方面因素，提出以下2個方案。其中，方案一是維持原清污機型式不變，更新更換部件，尤其是耙斗等部件；方案二是更換清污機型式。2種方案對比，詳見表2。從表2可以看出，方案一投資較少，但存在改造效果不確定等缺點，且存在需與原制造廠家協商等困難；方案二改造較徹底，投資較大，利用原有部分攔污柵和埋件，能較好地解決實際問題。通過方案比較及綜合分析，本次清污機改造推薦使用方案二，即利用原有攔污柵改造成回轉式清污機。

表2 2種改造方案對比

4 清污機技術改造內容

本次技術改造工程維持原清污機埋件不變，利用原清污機部分柵體改造成回轉式清污機；改造皮帶輸送機；新建一配電室，對9孔清污機進行總控制，同時在每孔清污機處設現地控制，可進行清污機啟閉。

回轉式清污機由于其工作原理是以攔污柵體為基礎，在柵體上下游左右兩側焊接有牽引鏈條軌道，用于實現牽引鏈條繞柵回轉，帶動清污齒耙自下而上清除柵面污物。因此，回轉式清污機對柵體整體性要求較高，在利用原攔污柵橫梁和柵片時，必須在工廠內改造制作，增加邊梁工字鋼，將原橫梁和柵片重新鑲嵌焊接在邊梁上；同時，按回轉式清污機設計要求增加牽引鏈條軌道，形成新回轉式清污機水下部分柵體。而原攔污柵用于耙斗式清污機工作時，其支撐架與基礎固定焊接在一起，從柵條到底板沒有邊梁，現場安裝工作量大，拆除后柵片和橫梁各為一體。

由于清污原理和傳動機構的不同，根據現有耙斗式清污機和攔污柵結構，改造成為回轉式清污機，只有柵條以下部分柵體通過工廠內改造后可作為新清污機柵體和埋件使用。因此，本次技術改造的內容主要包括拆除耙斗式清污機部分設施、新制作回轉式清污機部分設施、改造后的回轉式清污機的安裝。