何旭輝，朱勇華，譚仕杰

（1.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 沅陵 419642；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

清污機是水電站清理攔污柵浮渣，減少浮渣堆積造成水頭損失的重要設(shè)備，其清污效率的優(yōu)劣直接影響水輪機的引水效率，與電廠發(fā)電量直接掛鉤。通常而言，以結(jié)構(gòu)形式及各自適用的安裝條件劃分，清污機可分為懸掛式液壓抓斗清污機、移動耙斗式清污機、篦耙清污機、回轉(zhuǎn)式清污機等，其中懸掛式液壓抓斗清污機適用于進水口混凝土壩體設(shè)置有可移動起重設(shè)備的情況，主要由可移動小車和液壓清污抓斗組成。

某電廠清污機為懸掛式單側(cè)耙爪轉(zhuǎn)動液壓抓斗清污機，投產(chǎn)至今已10余年，隨著運行壽命延長，其工作性能逐年減弱，陸續(xù)出現(xiàn)抓力不足、液壓油缸下滑、滲油、抓斗拒動等一系列故障，為電廠清污工作的持續(xù)開展帶來了巨大挑戰(zhàn)，據(jù)統(tǒng)計，2020年全年，因清污機故障導致的水頭損失電量最小約為600萬kW·h，如何解決現(xiàn)有清污機故障，保障汛期清污工作安全、穩(wěn)步開展，成為了電廠刻不容緩的課題。

2 優(yōu)化方向

懸掛式液壓抓斗清污機清污的整套流程主要包括起升裝置升降（門機通過鋼絲繩連接平衡梁再連接清污機耙斗）、清污耙斗開合、翻板卸渣3項操作，關(guān)聯(lián)電氣自動化、電纜伸縮等內(nèi)容，整個過程涉及5個主要系統(tǒng)：起升平衡梁、清污耙斗、翻板結(jié)構(gòu)、深水電纜系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，通?？赏ㄟ^優(yōu)缺點分析[1-4]，消除現(xiàn)有故障隱患以及優(yōu)化液壓系統(tǒng)功能、通過計算，核驗安全有效的動耙開口增大方案，通過擴大動耙清污范圍的方式，來提高清污機清污性能，保障其運行穩(wěn)定性。

針對以上思路，電廠著手從5個模塊現(xiàn)有問題原因出發(fā)，根據(jù)電廠實際清污環(huán)境特點，通過基于故障分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與模型仿真的方法，以5個模塊為對象，逐一完成結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級方案，進而對比不同方案各模塊清污性能的優(yōu)劣，最后綜合得出最優(yōu)改進方案。

圖1 清污機優(yōu)化方案示意

3 最優(yōu)優(yōu)化方案確定

按模塊建立模型并逐項分析對比如下：

（1）平衡梁

1）運行穩(wěn)定性優(yōu)化

現(xiàn)有平衡梁結(jié)構(gòu)可分為兩端分別驅(qū)動與一端集中驅(qū)動2種方案，不同驅(qū)動方式對起升機構(gòu)穩(wěn)定性影響不同。

通過缺陷統(tǒng)計得知，在清污機故障停運時間中，32%來源于起升機構(gòu)故障，包括起升機構(gòu)不同步、傳感器無反饋、電纜絕緣破損、編碼器、變頻器報錯等諸多原因，基于以上現(xiàn)象，對比兩種驅(qū)動方式的優(yōu)劣，情況如表1。

表1 驅(qū)動方式性能對比表

從表1中可知，兩端分別驅(qū)動方案因采用的主從控制模式，配備有兩臺驅(qū)動電機，導致傳感器以及參與控制電纜數(shù)量多、要求反饋信號的精確高、響應(yīng)速度快，受電纜長度以及傳感器性能影響大，因此故障率較一端集中驅(qū)動的方案更高。

2）運行安全系數(shù)優(yōu)化

不同驅(qū)動系統(tǒng)制動器對起升機構(gòu)安全性的影響不同，現(xiàn)有平衡梁結(jié)構(gòu)可分為驅(qū)動電機自帶電磁制動器與獨立專用制動器2種選型方案。

驅(qū)動系統(tǒng)制動器故障危害性大、所需檢修時間長、危險性高，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該設(shè)備故障占比在整個故障時間中約為82%，嚴重影響清污機的正常安全穩(wěn)定運行。根據(jù)以上現(xiàn)狀，通過調(diào)研查詢了不同形式制動器所適用的范圍，對比如表2。

表2 制動器特性對比表

從表2中可知，驅(qū)動電機自帶電磁制動器與獨立專用制動器適用范圍各不相同，電廠清污機電機功率為22 kW，屬于大功率起升機構(gòu)，對起升機構(gòu)的安全性能要求較高。

此外，對于起升機構(gòu)放置位置進行了綜合考慮，對比如表3。

表3 起升機構(gòu)放置位置對比表

綜上所述，電獨立專用制動器、起升機構(gòu)放置于平衡梁上部的方案更優(yōu)。

3）維護工作量優(yōu)化

在清污機檢修過程中，各步驟的時間占比不同，其中起升機構(gòu)與耙斗的分離工作在檢修準備過程中約占整個準備工期的80%,極大影響了清污機的檢修時間，考慮起升機構(gòu)與耙斗分離難度對清污機維護工作量的影響，提出起升機構(gòu)與耙斗連接的滑輪固定安裝與插銷安裝2種選型方案。

根據(jù)起升機構(gòu)與耙斗連接的滑輪不同安裝方式的拆卸難度及運行安全性，對比如表4。

表4 滑輪不同安裝方式對比表

綜上所述，起升機構(gòu)與耙斗連接的滑輪插銷安裝的方案更優(yōu)。

（2）清污耙斗

1）運行穩(wěn)定性及維護工作量優(yōu)化

電廠攔污柵前實際情況為浮渣與沉渣復(fù)合的形式，該形式下，通常采用鶴式耙斗與爪式耙斗。

查詢清污機運行記錄發(fā)現(xiàn)，在清污機故障停運時間中，65%來源于耙斗故障，包括油缸下滑、滲油、耙爪裂紋、耙爪拒動等，考慮清污機耙斗形式對運行穩(wěn)定性的影響，對比2種形式優(yōu)劣，如表5所示。

表5 耙爪形式對比表

綜上所述，鶴式耙斗的方案更優(yōu)。

2）清污性能優(yōu)化

考慮液壓泵站形式、耙斗與耙斗架連接方式及油缸傳遞力的方式，分別提出供選方案如表6。

表6 耙斗清污性能優(yōu)化備選方案表

基于這些方案，通過文獻資料查詢，對比各方案優(yōu)劣情況如表7。

表7 備選方案優(yōu)劣對比表

綜上所述，變量泵液壓系統(tǒng)、連桿機構(gòu)連接及副連桿機構(gòu)增力的方案更優(yōu)。

（3） 翻板機構(gòu)

故障點消除：鑒于電廠現(xiàn)有清污機翻板故障，通過分析故障原因，提出翻板拉桿強化及底部支撐增設(shè)兩項措施，其原理情況如表8。

表8 翻板故障處理措施原理表

（4）深水電纜

故障點消除：鑒于現(xiàn)有深水電纜故障，通過分析故障原因，提出增設(shè)電纜緩沖裝置措施，其原理情況如表9。

表9 深水電纜故障處理措施原理表

（5）電氣系統(tǒng)

1）運行穩(wěn)定性

對電廠原安川H1000變頻器故障頻發(fā)問題進行解析與換型調(diào)研，最終選取施耐德ATV930變頻器替換，提高電氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

2）檢修及操作便利性

核查清污機操作及電氣回路檢修流程，通過分析邏輯，提出檢修旋鈕設(shè)置及分步操作取消兩項措施，其原理情況如表10。

表10 電氣系統(tǒng)優(yōu)化措施原理表

（6）最佳方案確定

基于上述分析，確定機組進水口攔污柵清污機優(yōu)化升級的最佳設(shè)計方案如圖2。

圖2 攔污柵清污機優(yōu)化升級最佳設(shè)計方案

4 模型仿真驗證

針對上述分析結(jié)論，利用SolidWorks建立清污機模型。

由于攔污排的阻隔作用，大型浮渣如泡沫、樹干、生活垃圾等均無法通過攔污排，來到進水口攔污柵前，因此，攔污柵堆積污物主要為一些碎的樹枝，根據(jù)這一情況，以一個攔污柵區(qū)間水域為模板，10 m3樹枝為污物，建立污物模型并進行清污仿真，對比現(xiàn)有清污機效率及清污環(huán)境，逐月對模型進行了同環(huán)境仿真，通過仿真結(jié)果，驗證優(yōu)化后的清污機效果，從仿真情況可知，模型清污機清理10 m3污物大約需要3次，約0.77 h。根據(jù)仿真結(jié)果，將其與現(xiàn)有清污機制表對比如表11。

從表11中可知，模型清污機在性能上全方位優(yōu)于現(xiàn)有清污機。

表11 仿真結(jié)果對比表

5 受力安全驗證

因清污機耙爪具有對稱性，因此根據(jù)清污機模型受力情況，建立能反應(yīng)聯(lián)動與受力關(guān)系的單側(cè)簡易機構(gòu)模型。

通過歷史清污數(shù)據(jù)得知，滿耙爪的污物重量在4 t左右，因此單側(cè)重量為2 t，對單側(cè)機構(gòu)模型進行motion分析，在耙爪上設(shè)定20 000 N垂直向下的力，仿真整個開合過程，得到油缸液壓力變化趨勢圖如圖3所示。

圖3 仿真機構(gòu)模型抓渣閉合受力仿真結(jié)果

從圖3中可以看出，單側(cè)油缸所受最大液壓力為約5.88 t力，該處峰值為耙爪抓取污物后，耙爪受力方向與油缸動作方向接近平行，因此，該設(shè)計下單側(cè)油缸設(shè)計最小液壓作用力大于5.88 t，滿足滿耙最大污物重量要求。

6 實踐

電廠總結(jié)上述方案與仿真結(jié)果，匯總成冊，著手開始市場調(diào)研，與專家團隊進行深入交流，最終確定相關(guān)參數(shù)如表12。

表12中數(shù)據(jù)與仿真得出的結(jié)果大致相同，從側(cè)面驗證了模型的正確性，確定參數(shù)后，電廠組織開展實際設(shè)備制作，最終按照國家相關(guān)標準規(guī)范要求，完成設(shè)備制作及現(xiàn)場安裝。

表12 清污機制造選型參數(shù)表

圖4 優(yōu)化后的清污機（鶴式）耙斗（左：閉斗，右：開斗）

優(yōu)化后的清污機投入運行后，清污效率大幅提升，攔污柵前后壓差逐漸下降滿足機組正常滿發(fā)、穩(wěn)發(fā)要求。

7 結(jié)語

通過故障分析的方法，利用模型建立與仿真，完成清污機結(jié)構(gòu)及原理優(yōu)化，實現(xiàn)了清污效率大幅提升的目的，減少了機組因攔污柵浮渣堆積造成的水頭損失，提高了機組發(fā)電效率，對同類型清污機自主優(yōu)化升級具有良好的借鑒意義。