張 帥，梁明華

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概況

尼泊爾上博迪克西水電站位于加德滿都東北方向約110 km處，水電站為低壩長(zhǎng)引水式，主要建筑物包括混凝土重力壩、溢洪道、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓井、地面廠房等；其中引水隧洞進(jìn)口裝有3孔寬度為6 m的攔污柵以及檢修、工作閘門。水電站裝機(jī)容量為2×22.5 MW，單機(jī)發(fā)電流量為18.4 m3/s，于2001年正式投產(chǎn)發(fā)電。

2 改造背景

2015年和2016年本工程經(jīng)歷了兩次比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害事件，分別造成了廠房、明裝壓力鋼管等設(shè)施不同程度的損壞。因此，業(yè)主決定停機(jī)并對(duì)損壞部位進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)借此機(jī)會(huì)將進(jìn)水口的清污系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，以提升電站的運(yùn)行效益。

電站原來(lái)的清污僅為人工清理，即根據(jù)庫(kù)區(qū)水面的漂浮物數(shù)量進(jìn)行適時(shí)清理，清理時(shí)需借助吊車、反鏟等機(jī)械設(shè)備，存在較大的安全隱患。根據(jù)近幾年的資料記載，庫(kù)區(qū)的漂浮物主要為上游沖下來(lái)的粗樹干樹枝、水草、生活垃圾等。

根據(jù)業(yè)主的訴求，此次改造一方面要保證清污設(shè)備能夠在自控條件下運(yùn)行；另一方面也要保證清污機(jī)能夠在動(dòng)水情況下清污，以滿足后期機(jī)組連續(xù)發(fā)電的情況下能夠正常清污。因此，根據(jù)業(yè)主的技術(shù)要求、安全要求及成本預(yù)算、現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有條件等幾方面因素綜合考慮，作為此次清污系統(tǒng)升級(jí)改造的技術(shù)研究方向及目標(biāo)。

3 清污系統(tǒng)升級(jí)改造

3.1 現(xiàn)場(chǎng)條件分析

引水隧洞進(jìn)口設(shè)置有3孔寬度為6 m的攔污柵及檢修、工作閘門，攔污柵閘墩中心距為8 m，且閘墩為敞口式。根據(jù)近幾年的資料記載及原始設(shè)計(jì)文件，閘墩頂部距庫(kù)區(qū)最低水位為6 m(機(jī)組正常發(fā)電期間一般為2～3 m)。閘墩下游側(cè)為壩頂公路和工作平臺(tái)，這將作為清污系統(tǒng)的垃圾外運(yùn)平臺(tái)。

3.2 升級(jí)改造內(nèi)容

目前水電站使用較多的是抓斗式清污機(jī)，而和大多數(shù)清污機(jī)一樣最基本的是需要提供沿柵槽豎直方向的抓斗運(yùn)行軌道。現(xiàn)場(chǎng)條件是庫(kù)區(qū)水位較高，不具備在閘墩上加裝豎直方向上運(yùn)行軌道的條件；因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)外類似情況下清污設(shè)備的應(yīng)用，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件及業(yè)主技術(shù)要求，決定采用耙斗式清污設(shè)備。其中，耙斗沿柵槽方向上下運(yùn)行的軌道參考汽車吊吊臂原理，但伸縮動(dòng)力由液壓缸提供；同時(shí)考慮耙斗在清理漂浮物時(shí)沿上下游方向有一定幅度的運(yùn)行范圍，讓伸縮軌道(或稱伸縮臂)可以繞著支鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定傾角。由于一共有3孔攔污柵，所以耙斗式清污機(jī)需要沿著閘墩橫向移動(dòng)(行程為3孔閘墩寬度)，參考一般水電站尾水門機(jī)的原理，決定采用移動(dòng)臺(tái)車，臺(tái)車的軌道將安裝在架設(shè)與3個(gè)閘墩上的鋼梁上部。因此，此次改造并應(yīng)用的耙斗式清污機(jī)主要組成部分為：耙斗、伸縮臂、變幅機(jī)構(gòu)、隨動(dòng)液壓站、行走小車、行走軌道梁及軌道梁座、各位置的限位器等(見圖1、圖2)。

圖1 清污機(jī)側(cè)視圖(1)

圖2 清污機(jī)總布置

耙斗式清污機(jī)運(yùn)行原理為：在工作時(shí)，行走小車沿軌道移至第一個(gè)清污位置，限位感應(yīng)開關(guān)會(huì)準(zhǔn)確地定位到這個(gè)位置(調(diào)試時(shí)需精確定位)，行走小車停留在此處，同時(shí)伸縮臂運(yùn)行，耙斗向下運(yùn)行到柵條底部；到達(dá)底部后，伸縮臂運(yùn)行，耙斗清污同時(shí)向上運(yùn)行。

當(dāng)耙斗到達(dá)頂部后，伸縮臂運(yùn)行，耙斗自動(dòng)把污物卸在閘墩平臺(tái)上；然后行走小車和耙斗移至第二個(gè)清污位置，耙斗清污位置的多少取決于所有格柵的總寬度。每一個(gè)清污位置都是由軌道上的限位點(diǎn)來(lái)決定的，可選擇全自動(dòng)時(shí)間控制模式或液位差控制模式來(lái)控制清污機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)所有清污點(diǎn)都被清污機(jī)處理過(guò)以后，行走小車返回并停靠在原始位置(見圖3)。

圖3 清污機(jī)側(cè)視圖(2)

為了在耙斗將漂浮物耙至攔污柵頂部時(shí)，避免人工搬運(yùn)帶來(lái)的不安全隱患，這里將耙斗改造成可以自動(dòng)翻轉(zhuǎn)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)。其主要原理為：首先在攔污柵頂部加裝倒V型導(dǎo)污板，其結(jié)構(gòu)由普通碳素鋼板焊接而成。完成自動(dòng)傾倒功能的主要機(jī)構(gòu)為可以翻轉(zhuǎn)的耙斗，其結(jié)構(gòu)是由型鋼焊接耙斗骨架，翻轉(zhuǎn)部分為可以繞著耙斗頭部轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)的底板，并在底板前側(cè)增加圓滑的傾倒觸發(fā)結(jié)構(gòu)；即當(dāng)耙斗運(yùn)行至攔污柵頂部時(shí)變幅機(jī)構(gòu)向上游傾斜，使整個(gè)耙斗向下游側(cè)小幅度運(yùn)行。在這一過(guò)程中觸發(fā)板會(huì)在某個(gè)時(shí)刻被攔污柵頂部的導(dǎo)污板擋住，那么在耙斗繼續(xù)向下游側(cè)運(yùn)行時(shí)，耙斗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變回繞著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)將撈起的漂浮物倒在壩頂?shù)那逦燮脚_(tái)上(見圖4～圖6)。

圖4 攔污柵頂部導(dǎo)污板

圖5 耙斗側(cè)視圖

圖6 耙斗總布置

整個(gè)結(jié)構(gòu)由臺(tái)車帶動(dòng)在攔污柵頂部橫向移動(dòng)，臺(tái)車由臺(tái)車梁、臺(tái)車行走機(jī)構(gòu)、臺(tái)車梁支墩等幾部分組成。整個(gè)系統(tǒng)主要?jiǎng)恿τ刹贾迷谂_(tái)車內(nèi)部的液壓站提供，其額定壓力為20 MPa。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮，整個(gè)系統(tǒng)的主要參數(shù)為：主伸縮幅度6.8 m、清污變幅寬度2 m、額定提升載荷3 t。

需要注意的是，整個(gè)系統(tǒng)需要具備動(dòng)水清污的功能，因此抓斗及伸縮臂的強(qiáng)度需考慮一定的裕量。同時(shí)，為了減小清污時(shí)耙斗的阻力，耙斗在設(shè)計(jì)時(shí)考慮使用框架網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

3.3 改造實(shí)施過(guò)程

(1)臺(tái)車梁及支墩安裝

首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)跀r污柵閘墩頂部放線，然后鑿除部分混凝土制作基礎(chǔ)二期坑，再提前埋設(shè)長(zhǎng)地腳螺栓，最后利用布置在壩頂平臺(tái)上的汽車吊將鋼支墩吊至安裝位置，調(diào)整其位置精度后打緊螺栓。

臺(tái)車梁為多段式結(jié)構(gòu)，在鋼支墩安裝好后同樣由布置在壩頂平臺(tái)上的汽車吊調(diào)至安裝位置并調(diào)整固定；然后按照同樣的方法吊裝軌道梁，其中軌道梁的位置精度需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范文件進(jìn)行控制。

(2)臺(tái)車及伸縮機(jī)構(gòu)安裝

由于臺(tái)車尺寸不大，在出廠時(shí)內(nèi)部的所有設(shè)備均已安裝完畢，因此現(xiàn)場(chǎng)利用壩頂平臺(tái)上的汽車吊調(diào)至安裝位置即可。為了吊裝其余部件時(shí)的安全考慮，在臺(tái)車吊裝到位后利用臨時(shí)鎖定板將臺(tái)車鎖定在有利于其他部件吊裝的位置。

吊裝主伸縮桿前，先利用鎖定機(jī)構(gòu)將伸縮桿鎖死以防止吊裝過(guò)程中伸縮桿突發(fā)的伸縮帶來(lái)安全隱患。主伸縮桿安裝完畢后，利用另一臺(tái)吊車將變幅機(jī)構(gòu)的液壓缸軸頭吊起通過(guò)調(diào)整倒鏈?zhǔn)馆S頭進(jìn)入主伸縮桿的餃座孔，然后穿入銷子并鎖定即可。

(3)耙斗及其他部件的安裝

主伸縮桿吊裝時(shí)就要考慮耙斗安裝位置，盡量將伸縮桿的頭部鎖定在壩頂合適高度；同樣利用汽車吊將耙斗吊至其安裝位置，通過(guò)人力調(diào)整后穿入各部位的轉(zhuǎn)軸銷子后鎖定。此時(shí)，清污系統(tǒng)的主要部件已安裝完畢。

其余結(jié)構(gòu)主要包含：電氣組件、各部位的位置傳感器等，這些部件按照設(shè)計(jì)規(guī)范安裝即可。

(4)系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試的主要目的是檢查各個(gè)可動(dòng)部分是否正常動(dòng)作以及運(yùn)行參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)檢查并調(diào)整各位置信號(hào)器的位置是否合理。為了安全起見，初次啟動(dòng)調(diào)試時(shí)，液壓系統(tǒng)的壓力應(yīng)調(diào)整為系統(tǒng)運(yùn)行的最低壓力。

調(diào)試的順序?yàn)椋红o態(tài)檢查、伸縮桿伸縮運(yùn)行、變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行、抓斗自動(dòng)翻轉(zhuǎn)檢查、臺(tái)車運(yùn)行、清污效果檢查等(在各部位分部運(yùn)行檢查時(shí)應(yīng)精調(diào)位置開關(guān))。

4 設(shè)備使用效果

2021年3月下旬，電站上游流域連降大到暴雨，洪水?dāng)y帶了大量的樹枝及其他漂浮物，順流而下堆積在機(jī)組進(jìn)水口攔污柵前，造成攔污柵過(guò)流面嚴(yán)重堵塞。此時(shí)正值清污系統(tǒng)改造完畢，隨后使用耙斗式清污機(jī)對(duì)各個(gè)孔口的漂浮物進(jìn)行清理。

在清污耙斗進(jìn)入進(jìn)水口攔污柵槽后，將耙斗至全開位，人為觀察清污耙斗下降并整個(gè)淹沒后，再下降約1.5 m位置，調(diào)整主伸縮桿傾角，使耙斗運(yùn)行至設(shè)計(jì)耙污位置然后開始提升耙斗，耙斗內(nèi)部擠滿雜物。在反復(fù)清污完畢漂浮物后，清污抓斗動(dòng)水清污，將吸附在攔污柵面和攔污柵前底部雜物進(jìn)行清污；反復(fù)多次，攔污柵上游側(cè)漂浮物進(jìn)本全部清除。

清污機(jī)投運(yùn)至今，不論是在汛期動(dòng)水清污，還是在機(jī)組大、小修前的水下清污都效果顯著。滿足不停機(jī)清污功能，這樣減少了機(jī)組停機(jī)頻率，提高了電站發(fā)電效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)此次對(duì)耙斗式清污機(jī)的應(yīng)用改造，實(shí)現(xiàn)了電站清污需求，解決了水電站運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際問題，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，也避免了停機(jī)人工提柵清污帶來(lái)的安全隱患，減少了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了攔污柵、機(jī)組及其他水工建筑物的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)對(duì)存在類似工程問題的水電站具有一定參考意義。