CN102089483A

CN102089483A - 用于从管道分流流动的液体的方法和装置

Info

Publication number: CN102089483A
Application number: CN2009801270791A
Authority: CN
Inventors: R·W·琼斯
Original assignee: Hymetrics Ltd
Current assignee: Hymetrics Ltd
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2011-06-08
Also published as: WO2009136200A1; GB0808346D0; US20110056568A1; EP2288763A1; GB2459875A

Abstract

本发明提供了一种用于从管道分流诸如废水的液体的过流并将碎屑保留在管道内的紧凑系统。该系统结合了控制段(22)，其可大致为圆柱形，并布置成可围绕纵向轴线(23)旋转，并限定出过量水可经其离开管道的排放端口(24)。在操作中，将在控制段(22)下游(15)测量管道中的水的深度，并且根据水面是否高于或低于深度极限来调节控制段(22)的旋转。排放端口(24)可包括格栅以保留任何碎屑，并且该装置可包括刷(27)、刮板(29)或水射流器(26)以在排放端口处于顶部中心位置时移开滞留在格栅上的任何材料。

Description

用于从管道分流流动的液体的方法和装置

【技术领域】

本发明涉及用于例如在沿着管道存在过流(an excess of flow)的情况下从管道分流流动的液体的方法和装置。

【背景技术】

在该领域中，特别是在与废水控制相关的领域中，以下文献中描述了一些示例性装置：

“Device for removing debris from a flowing sewage liquid(从流动的污水液体中除去碎屑的装置)”EP0259547，Huber，Hans-Georg“Rotary Screen(旋转筛网)”GB2241905，Eden，Keneth Albert“Sewage flow control system(污水流动控制系统)”KR20020057668，Lee，Gwon Jae

在排水道和下水道中流动的废水通常变成与雨水混合。在大雨期间，在这些管道中流动的增加的量可能超过它们的容量。当这种情况发生时，必须将一部分流从管道分流以防止废水回流并防止废水从进入点和在检修孔(manhole)处冒出。过流将从管道分流到附近诸如河流或沟渠的水道中。

用于分流下水道中的过流的系统被称为下水道溢流装置。它们需要与下水道内的碎屑、特别是漂浮材料隔离，并且不允许这样的材料到达天然水道。这可通过机械筛网来实现，但这需要机动设备。

常规的下水道溢流装置采用在排水道的倒拱(invert)(即，排水道中的最低水位)上方典型地0.8倍于排水道直径的水位(level)处沿管道的长度水平延伸的溢出坝顶(spill-crest)的形式。这导致当其水位超过直径的0.8倍时该流从排水道溢出。碎屑在溢洪道(spillway)中被机械筛选并返回排水道以随保留的流流向下游。过流从溢洪道排放到通向例如河流的溢流通道中。该装置需要长坝顶以允许使用坝顶上方的管道中可获得的有限的头部来分流大量流(large volume)。

虽然简单，但这些常规的系统具有以下缺点：

1 它们占据了下水道相当一段长度。下水道通常在地下，因此安装它们的成本高。

2 用于筛选碎屑并使碎屑返回下水道的装置复杂而又容易(prone to)出故障。

3 用于流的控制范围由成本决定，这通常意味着常规的系统仅可分流过流的有限部分。这些系统不能抵御风暴潮。

主动系统结合了机动闸门以允许分流更高部分的流。管道截面适合采用矩形截面。机动闸门安装在矩形截面的竖直壁上。受控的下水道溢流装置需要可测量闸门下游的水的深度的构件，使得可连续改变闸门位置以将下游深度限制到预定水位。

接近全容量运行的下水道设计成具有0.8至1.0m/s的流速，这通常意味着水力条件接近由已知的弗劳德数(Froude number)的参数所确定的临界状态。在临界状态，通道中水面的小的扰动会导致管道的容量的明显变化。此外，随着水位趋近排水道的顶部，流动容量(flow capacity)减小：最大容量出现在直径的94％处。这引起又一不稳定模式，其中流与浪涌振荡(surging oscillation)交替。此类振荡导致在控制闸门位置中出现问题。这些条件使得管道中的下游深度的测量在技术上变得困难。除非能够可靠地测量水位，否则不可能保证流的控制。

本发明的目的是实现一种用于分流废水管道中的过流的紧凑系统，以提供精确和稳定的控制并将碎屑保留在管道内。

【发明内容】

本发明的上述和其它目的通过布置成围绕轴线旋转的管道的控制段来实现，该控制段与管道的上游部分和下游部分连通并被支撑以围绕轴线旋转，该控制段限定出排放端口，诸如水的液体可经该排放端口从管道排放。

该方法包括确定管道中的液流(the flow of the liquid)以确定所述液流是否高于或低于流动极限(flow limit)，以及：

-如果液流高于流动极限，则使控制段围绕所述轴线旋转以使排放端口逐渐移动至较低的位置，从而使液体开始从管道排放或增加液体从管道的排放；

-如果液流低于流动极限，则使控制段围绕所述轴线旋转以使排放端口逐渐移动至较高的位置，从而使液体从管道的排放被减少或停止。

如果液流(例如，水)或液体深度保持在低于流动极限或深度极限的水平(level)，则该方法可包含使控制段围绕该轴线旋转至停放位置的步骤，排放端口在该停放位置处于控制段的顶部。

排放端口优选地结合了棒条格栅(grille)以防止由水运送的任何碎屑被排放，并且该方法优选地包括定期使控制段移动至该停放位置，其中排放端口以及因此格栅处于控制段的顶部，以允许格栅上任何碎屑回落到在管道中流动的水中。

在又一改型中，可以串联方式布置两个或更多个这样的控制段，且它们可由共同的控制器控制。例如，当一个控制段处于停放位置以允许截留的碎屑回落到管道中的液体中时，另一控制段可移动至流出位置，使得管道中不会存在水位的累积。

【附图说明】

现将进一步并且更特别地仅通过示例并参照附图来描述本发明，在附图中：

图1a示出了用于限制管道中的水流的常规系统的透视图；

图1b示出了图1a中示出的系统的截面图；

图2a示出了带致动式闸门的现有技术系统的透视图；

图2b和2c示出了其中闸门分别处于关闭位置和打开位置的图2a的系统的截面图；

图3示出了带有可围绕轴线旋转的管道的控制段的根据本发明的系统的透视图；

图3a至3e示出了处于不同旋转程度的图3的系统的控制段的截面图；

图3f示出了其中控制段处于不同位置的图3的系统的透视图；

图4示出了对图3的系统的改型，其中该改型带有格栅和格栅清洁刷并带有用于格栅的水射流回冲的喷嘴；

图4a至4e示出了处于不同旋转程度的图4的装置的截面图；

图5示出了对图3的系统的可供选择的改型的截面图，其中该改型带有格栅和格栅清洁刮板并带有用于格栅的水射流回冲的喷嘴；以及

图5a至5f示出了处于不同旋转程度的图4的装置的截面图。

【具体实施方式】

参照图1a和1b，示出了用于运送废水的圆形截面管道的多个段，其带有管道的上游段1和下游段2，在上游段1和下游段2之间存在控制段3，该控制段3带有水平排放坝顶4和排放斜道5，以便将任何排放的废水运送至溢洪道6，该溢洪道6然后将该排量引导至接收水道(未示出)，诸如河流或沟渠。排放坝顶4处于管道的倒拱线(invert line)7(也就是说管道的底部)上方的高程(elevation)E处。

在相对于倒拱线7的水位H1处沿着管道流动的水，由于它低于排放坝顶4而保留在管道中。如果水位上升到坝顶高程E上方的H2，则来自上游段1的一部分流将在坝顶4上排放。该排量通过下式近似地计算(related)：

排量＝K L(H2-E)^1.5

其中L为坝顶的水平长度且K为常数。

水面8随着流沿着坝顶4经过而下降。这意味着这种类型的系统只能近似地限制下游段2中的水位，这是因为排量随着H2沿着排放坝顶4下降而渐近地下降。在实践中，使坝顶长度L尽可能长，但受成本限制。通常，两个排放坝顶构造在排水道的相对侧上，且单独斜道将这些排量引导至管道下方的共用泄洪道。

现参照图2a、2b和2c，这些图示出带有致动式闸门的排水道溢流系统。管道具有上游段1和下游段2，且在控制段13处带矩形腔室。致动式闸门14位于控制段13的竖直侧壁11中并结合在闸门框架(penstock frame)12中。闸门14竖直上升以允许水在它下方流动。在可供选择的方案中，闸门14可改为竖直下降以允许过量水流过它。

传感器15位于下游段2附近以监控水面8的水位H2。图2a中所示出的传感器15的类型为空气测距超声波水位测量传感器(air-ranging ultrasonic level measurement sensor)。代表水位的信号从传感器15经由线路16被传送(communicate)至控制单元17，控制单元17根据感测到的水位H2经由控制线路19通向致动器18来定位闸门14。当下游段2中的水位超过要求极限时，控制单元17使得闸门14被致动器18逐渐打开数毫米。当水位降低至要求极限E以下时，控制单元17使闸门14朝其关闭位置移动。

该装置能以比图1中的形式紧凑得多的形式构造而成，这是因为对流出率进行了更好的控制。因此，特别是当该系统安装在地下时，其更节省成本。它还具有能够将水位调整到预定极限E的优点。

文中未显示出的另一装置，其通常用于在入口进行污水处理工作。该装置使用图1的常规布置但在下游段的管道中带有致动式闸门。该闸门通常完全打开。当需要限制下游段中的水位时其部分地关闭。该方法相对于图2中的方法具有两个缺点：

-紧接着闸门下游的水面被在闸门下方流动的水导致的湍流严重干扰。因此，传感器15必须位于闸门下游的远处以确保可靠的H2的测量；以及

-上游段1中的水位必须高于图2的装置将需要的水位。这通常意味着排水道的全部孔腔(full-bore)被流动的废水占据。

这引起循环不稳定，使得不可能精确控制下游的水位。

从而，这种对带有跨下游管道的控制闸门的图1的装置的改型不仅固有地不稳定，而且将需要在占据管道的更长的长度的情况下安装，且因此将导致成本高。

现参照图3，该图示出本发明的控制装置，该控制装置结合了管道的圆柱形控制段22，其可在围绕轴线23旋转的同时被支撑在轴承21中。轴承21结合了密封件(未示出)以防止水从管道泄漏。控制段22的圆周中的排放端口24可由与致动器26相连的联动装置25围绕轴线23旋转地定位。在该示例中，管道的上游部分1和下游部分2限定出与控制段22的旋转轴线23共线的纵向轴线；并且在该示例中，排放端口24为矩形，且其长轴平行于轴线23，且对着自圆柱形控制段22的中心成大约60度的角。

法兰27与管道的上游段1和下游段2上的套管(spigot)联接。法兰27形成致动器26安装在其上的底架28的一部分。法兰27与轴承21的静止部件联接且圆柱形控制段22与轴承21的旋转部件联接。致动器26的移动使得圆柱形控制段22围绕轴线23转动，藉此排放端口24可定位在任何周向更高或更低的位置24c(如图3f中所示)。为了将排量从端口24引导到泄洪道6，斜道5被固定到圆柱形控制段22上。

在该示例中，管道的上游段1和下游段2是圆柱形的，且具有与圆柱形控制段22相同的直径；法兰27与上游段1和下游段2以及与轴承21之间的连接部未突出到圆柱形流路中，因此用于液体的流路是连续的圆柱形通道而不存在可能截留碎屑的任何台阶。提供用于流动的液体的均匀孔腔的连续的圆柱形通道的又一个益处是流更加稳定。

传感器15位于下游段2中以监控水位H2。代表水位的信号从传感器15经由线路16传送至控制单元17，控制单元17根据感测到的水位H2通过致动器26定位圆柱形控制段22。图3a至3e示出了处于不同角度位置的控制段22的截面图。

当水位H2低于E时，端口通常靠近顶部中心位置停放，如图3e中所示。当水位达到或超过极限E时，如图3a中所示，控制器17使致动器26慢慢移动以使控制段22旋转并使排放端口24移动至较低位置，从而经由排放端口24从管道排放过流，如图3b和3c中所示。典型地，排放端口24将以数毫米的增量移动，例如每个增量可小于10mm，例如3mm或5mm，并且这样的移动将根据定时间隔下——例如每分钟或每两分钟——进行的水位测量(实际上在观察到水位接近要求极限的情况下可更频繁地进行此类测量)来完成。当水位降低到要求极限之下时，控制器17使致动器26慢慢移动以使控制段22旋转并因此将排放端口24升高至更高的位置以减少排放，如图3d中所显示的。

图4示出对图3的系统的改型，该改型带有跨排放端口24的棒条格栅25以防止或阻止碎屑经排放端口24排放。但是，此类筛网会变成被过量的碎屑积聚堵塞。因此使用清理循环来除去任何这样的积聚。控制段22定期旋转使得排放端口24处于顶部中心位置，如图4a中所示，其中较重的材料回落到流动的水中而被向下游运送。较轻的材料可被在压力下再循环通过喷嘴26的排水从格栅冲走，如图4d中所示。冲洗动作与排放端口24返回顶部中心位置同步，如图4e中所示。此类动作之间的间隔可为固定时长，诸如5分钟。但是，该时长也可通过由排放端口24的位置指示的堵塞量来确定。堵塞的格栅将导致控制单元使排放端口24移动至其最低位置，即可通过与控制单元连接的限位开关(未示出)检测的位置。在这种情况下，控制单元将开始清理循环。

在又一改型中，该系统可包括以串联方式布置的两个此类控制段22，并且这两个控制段22都可由同一控制器17控制。如果水位超过期望的极限E(如图3a中所示)，则这些控制段22中的一个或另一个将如上所述被致动。当一个控制段22经历如与图4a有关的所描述的清理循环时，则另一个控制段22将被致动以允许排放过量液体。

形成格栅的棒条25的大部分位于在圆柱形控制段22的外部圆弧上并以旋转轴线23为中心。格栅的棒条25的端部朝轴线23弯曲并被固定到控制段22上，以允许在控制段外部的诸如固定的刷或刮板之类的部件在格栅内部延伸，从而在控制段22旋转时对其清理碎屑。在该示例中，机动刷27可用于在排放端口24返回顶部中心位置时从格栅清理碎屑，如图4d和4e中所示。优选地，这些机动刷27结合通过喷嘴26喷射的加压水使用。

图5示出对图4的系统的改型，其中机动刷27被置于格栅的棒条25之间的刮板29代替，使得粘附在棒条25上的材料被刮板29的倾斜前缘30刮去，从而朝水面8落下。

图5a示出了在控制水位8之前处于极限E的系统。图5b和图5c示出了旋转以引起通过排放口24排放从而实现对水位8的控制的圆柱形控制段22。图5d和5e示出了朝排放端口24的顶部中心位置旋转以从格栅25清理任何碎屑的圆柱形控制段22。图5d和5e示出了辅助清理碎屑的可选水射流喷嘴26；且图5f示出了处于停放位置的系统。

将该理解的是，图3的装置以及图4和图5的改型只是以示例方式示出。该控制装置可采用各种方式进行修改而仍保持在本发明的范围内。例如，控制段22被示出为大致为圆形截面，但可改为大致椭圆形截面或U形截面；控制段被描述为限定出矩形排放端口24，但排放端口可改为大致椭圆形。

Claims

1.一种借助于布置成围绕轴线旋转的管道的控制段来控制沿管道经过的液流的方法，所述控制段与所述管道的上游部分和下游部分连通并被支撑以围绕轴线旋转，所述控制段限定出排放端口，液体可经所述排放端口从所述管道排放，所述方法包括：

-确定所述管道中的液流以确定所述液流是否高于或低于流动极限；以及

-如果所述液流高于所述流动极限，则使所述控制段围绕所述轴线旋转以使所述排放端口逐渐移动至较低的位置，从而使液体开始从所述管道排放或增加液体从所述管道的排放；

-如果所述液流低于所述流动极限，则使所述控制段围绕所述轴线旋转以使所述排放端口逐渐移动至较高的位置，从而使液体从所述管道的排放被减少或停止。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述液流的确定和所述流动极限的限定借助于确定液体的深度和限定所述控制段的下游深度极限。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，如果所述液流保持在低于所述流动极限的水平，则使所述控制段围绕所述轴线旋转以使所述控制段移动至其中所述排放端口处于所述控制段的顶部的停放位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述控制段在所述排放端口上结合有棒条格栅以防止由所述液体运送的碎屑被排放，所述方法包括定期使所述控制段移动至其中所述排放端口处于所述控制段顶部的停放位置，以允许所述格栅上的任何碎屑回落到所述液流中。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述管道和所述控制段为圆形截面。

6.一种用于控制液体经其流动的管道内的液流的装置，所述装置包括：

-用于所述管道的控制段，其安装成使得所述控制段能够相对于轴线旋转，并且所述控制段在所述控制段的表面中限定出排放端口，在所述管道内流动的液体可经所述排放端口从所述管道排放；

-用于使所述控制段围绕所述轴线旋转以相对于所述液面定位所述排放端口的构件；

-用于确定所述管道内的液流的构件；以及

-控制单元，其与所述用于确定液流的构件通信，以致动所述用于旋转所述控制段的构件，使得可通过改变所述排放端口相对于所述液面的位置而改变通过所述排放端口的液体的排量。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述流动测量构件包括用于确定所述管道内的液位的构件。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述控制段结合了与所述排放端口相关的格栅，以防止由所述液体运送的碎屑离开所述管道。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述格栅包括排列在以所述控制段的旋转轴线为中心的圆弧上并径向地位于在所述控制段的外部的一组棒条，所述棒条的端部适合被固定到所述排放端口的相对边缘上以允许在所述控制段外部的清洁部件在所述控制段旋转时清理所述格栅的碎屑。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述清洁部件在所述排放端口从排放位置移动至靠近所述控制段的顶部的位置时定期接合，以允许由所述格栅所收集的碎屑从所述格栅被除去并回落到在所述管道中流动的液体中，所述周期由所述控制单元检测预设的时间间隔的流逝或检测所述排放端口到达其最低位置而确定。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括布置成用于清洁所述格栅的液体喷射器。

12.如权利要求6至11中任一项所述的装置，其中，所述装置包括用于所述液流的以串联方式布置的多个所述控制段。