CN102261108B - 水力浮动选择性取水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力浮动选择性取水装置，包括水箱，水箱内安装潜水泵，潜水泵连接出水管，出水管通过电动三通阀分别与进水管和共用管连通；取水管与水箱底部通过法兰连接，取水管上有格栅式取水口，取水管底部与伸缩套筒最内节上端法兰相连，伸缩套筒最外节下端与锥形放水管通过法兰连接，并在其外径上有环形浮箱；锥形放水管上设置吊环，吊环通过钢丝绳与混凝土锚固墩固定，放水管下端通过法兰依次连金属波纹管和PE塑料管，PE塑料管间隔一定距离用管卡和混凝土坠块连接，PE塑料管与堤岸上固定式输水管相连，固定式输水管连接真空泵接口和真空破坏器。结构简单、安装方便，取水高度灵活、配套动力装机容量小、节能、不受湖库水位限制。

Description

水力浮动选择性取水装置

技术领域

本发明属于水库取水技术领域，具体是一种可在建成水库安装的具有自调节水箱和浮动套筒的水力浮动选择性取水装置。 

背景技术

深水型湖库受太阳辐射传热，湖库纵深向的温度差引起湖库在纵深向的密度分层。在春末、夏及秋初，湖库表层水受到强烈太阳辐射和大气传热，温度升高密度降低，中下层水受热传导速率和太阳辐射衰减限制，温度低、稳定密度较大，形成上轻下重的正向水体稳定分层；湖库逆向分层则与正向分层相反，一般在冬季出现，湖库表层水在低气温下散热，导致其温度低于中下层温度，形成上重下轻的不稳定分层。 

湖库密度及温度分层阻碍了纵深向水层之间的传质过程，湖库在纵深向水质分层。春夏季太阳辐射增强，近年国内多数湖库表层范围内大量繁殖藻类，表层一定范围内藻类等水生生物含量大增；深水性湖库或表层藻类生长限制了氧传质，湖库底层溶氧常年较低，沉积底质在低溶氧影响下释放营养盐、铁及锰，使底层污染物浓度较高；现场监测和理论证实，湖库洪水入流潜入同密度层，受入流携带的浊质、天然腐殖质及合成有机物等外来污染物影响，该层污染物浓度较重。因此在不同深度湖库的水，包括温度、密度、铁、锰及不同污染物浓度的水质参数不相同，即湖库在纵深向水质分层。 

以净化饮用水为目的的湖库水源，采用传统的表层取水存在明显不足。以安全和经济为目标饮用水净化，要求进厂原水易于净化，并借助常规工艺可净化彻底，水厂出水中细菌及藻类相关藻毒素、浊质、有机及金属类等无机污染物浓度低。一般，湖库水在长停留时间下自然沉降，表层水中浊质颗粒浓度较低，开启取水塔上层固定取水口，取一定范围的表层水是传统的主要取水方式。表层取水在冬春季常出现原水低温低浊，水厂净化困难和成本高；夏秋季湖库表层藻类繁殖，导致原水藻含量增加，水厂净水费用增加，供水水质安全性降低。 

湖库纵深向水质分层特性决定了湖库水源纵深向选择性取水。现有调查和研究表明，湖库不同深度的水所含有机污染物量、浮游生物量、铁锰等金属污染浓度、浊度、水温、pH等水质特性不同，且其水质分层是随季节和水库运行水位变化。根据季节和水库运行水位，变取水深度可解决固定高度取水口的存在明显的不足，可规避湖库水源的高污染和净化费用高的原水，取不同深度混合水可获得与水处理药剂（混凝剂）相匹配的水温、pH和浊质原水。因此，利用湖库水质分层特性，变深度取水或取不同深度混合水可获得优质原水，从而降低净水费用和提高供水水质。 

固定式机控取水塔是目前国内外最常见的深水型湖库分层取水构筑物。取水塔上一般设置3~5个取水口，通过卷扬机调控取水口闸门的开启，取得库底以上固定高度范围内原水，存在如下的几个不足： 

1）取水深度调节有限。传统取水构筑物的取水口是固定的，其只能取得固定高度上的水，水库分层是随季节、水位和入流等因素影响而改变，3~5个固定取水口与湖库水质分层特性变化不相适应，经常出现难以取得湖库某一深度上的优质水。

2）选择性取水塔建设结构复杂及费用昂贵。取水塔一般建在水库最深、距离大坝一定距离处，由过水塔井、数道隔水门、工作闸门及大坝至取水塔高空工作桥组成，主体结构全部由钢筋混凝土构成，体积庞大，建设复杂且周期长，费用昂贵。 

3）取水塔建设期受时间限制。常规水库分层取水装置需要与水库大坝同期施工修建。当水库建成蓄水后，将深孔取水设施改建为分层取水则受水库水位、地质地形、施工、水库功能需要等限制，因而困难重重。国外成功改造经验表明工程费用大，难以有效推广。 

4）取水机械控制复杂，耗电不节能。机械控制取水塔动力机控装置结构复杂，闸门的开闭由卷扬机拉动，卷扬机装机容量大，启动电流大，瞬间能耗大，非启闭期间变压器容量及设备闲置，维护工作量大，成本高。 

5）混层取水实现困难。机控式取水塔的工作过程是通过单卷扬机开启并悬吊其中1个取水口闸门，其它取水口闸门在重力作用下，保持关闭状态。同时开启2个不同深度取水口闸门，由于卷扬机设置及调控复杂，实现困难，因此现有的机控式取水塔难以获得水厂易处理的混层水。 

6）取水塔在湖库面上点式取水的限制。已有的调查及研究表明，受风、湖库入流及大坝折射等作用，湖库平面上各点的水质不相同。尤其在夏秋季，湖库表面上的藻类随风飘移，经常出现取水塔周边表层富集藻类的现象，导致取水水质下降及水厂净化困难（如2007年5月太湖蓝藻爆发引起的无锡供水中断的事件）。 

发明内容

针对现有的取水设施以钢筋混凝土结构为主，难以在建成水库实施，已建的分层取水塔存在平面及纵深向取水水质调节不灵活等缺陷，本发明的目的在于，提供一种结构简单、主体现场外加工运输、可在建成湖库现场方便安装的水力浮动选择性取水装置。 

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案： 

一种水力浮动选择性取水装置，其特征在于，包括水箱，水箱内安装有潜水泵，潜水泵连接出水管，出水管一端通过电动三通阀分别与进水管和共用管连通，其中，共用管一端穿出水箱侧壁，进水管和出水管的另一端均悬空在水箱内；

水箱底部通过法兰连接取水管，且水箱与取水管互不连通，取水管上开设有格栅式取水口，取水管的底部与伸缩套筒的最内节上端相连，伸缩套筒最外节下端与锥形放水管通过法兰连接，伸缩套筒最外节的外径上安装有浮箱，锥形放水管上设有吊环，该吊环通过钢丝绳与混凝土锚固墩固定，放水管下端通过法兰依次连接金属波纹管和PE塑料管，PE塑料管间隔一定距离用管卡和混凝土坠块连接，该PE塑料管与堤岸上固定式输水管连接，固定式输水管连接真空泵接口和真空破坏器。

本发明的水力浮动选择性取水装置，其显著效果是：取水高度调节灵活、结构简单、安装方便、配套动力设施装机容量小、节能，取水装置安装不受湖库水位限制。具体为： 

1）能取到湖库优质水层的原水。利用便携式水质现场分析仪器或分层取样实验室分析水质，确定湖库优质水层高度，通过改动调节水箱中储水量，上下浮动调节水箱及取水管在湖库纵深方向任意高度，带动伸缩套筒伸缩，即可在一定范围内的取湖库任意高度上优质水层水。如在夏秋季，湖库表层藻类较高，而下层污染物和浊质浓度较高，下沉调节水箱及取水管及套筒伸缩，可取湖库中间层的优质原水；在洪水期，洪水潜流入湖库，导致湖库一定范围内中间层污染物及浊质浓度很高，降雨同时也使表层藻类下沉，可上浮调节水箱及取水管及套筒伸缩，取表层原水。

2）能取到湖库平面区域内优质原水。基于上述的现场调查确定湖库常年优质水所在范围，按照取水规模安装多个本发明的水力浮动选择性取水装置。由于水力浮动选择性取水装置位于湖库平面上的不同点，风作用下藻类漂浮等引起的湖库平面上水质不均，可通过关闭或调节一个或部分水力浮动选择性取水装置，来实现取湖库平面区域优质原水的目的。 

3）能取到湖库不同高度层间混合原水。通过在湖库平面设置多个小规模的水力浮动选择性取水装置，在湖库不同高度上运行取水，混合多个水力浮动选择性取水装置的原水，可提高原水水质，降低水厂净化难度及成本。如冬季湖库表层水温低、浊质少，中下层水温较高、浊质较多，多个水力浮动选择性取水装置在不同高度取水，可降低冬季原水净化难度，提高处理效率。 

4）装置装机容量小，节能。通过调节水箱内置的电动三通阀和潜水泵来实现调整调节水箱储水量，达到改变调节水箱受力条件，实现调节水箱带动取水管上下浮动及伸缩套管伸缩。装置无需使用卷扬机等大容量的机控设备，有效降低了变压器的装机容量，小流量的潜水泵和进水阀用电量很小，因此本发明的水力浮动选择性取水装置与传统机控取水塔相比，能有效降低维护、动力费用。 

5）安装简单且不受时间限制。现有水库的机控取水塔一般与水库大坝同期建成，在水库蓄水之前需建设完毕，施工复杂。在建成水库或湖泊中建设水下混凝土取水设施，施工过程复杂且受时间限制。本发明的水力自动选择性取水装置，结构简单，可实现装置分段加工，现场组装，在湖库不同高度水位条件下，均可在湖库表面从装置底部——混凝土锚固墩依次向上分段组装和逐渐下沉等安装设备，与设备相连的水下取水管利用坠块将其下沉至湖库底部，施工过程简单快捷，不需要围堰或排水，不受施工时间、季节等影响。 

附图说明

图1是本发明的水力浮动选择性取水装置的结构示意图。 

图2是高水位时的水力浮动选择性取水装置工况示意图。 

图3是低水位时的水力浮动选择性取水装置工况示意图。 

图4是水下任意深度时的水力浮动选择性取水装置工况示意图。 

图5是水箱结构示意图。 

图6是图3中的伸缩套筒的1—1剖面图。 

图7是伸缩套筒连接侧面图。 

图8是格栅式取水口的横剖面图和纵剖面图。 

图9是采用多个水力浮动选择性取水装置取水示意图。 

图中的标号分别表示：1、水箱，2、潜水泵，3、共用管，4、电动三通阀，5、出水管，6、格栅式取水口，7、上卡板，8、密封装置，9、取水管，10、锥形放水管，11、混凝土锚固墩，12、金属波纹管，13、管卡，14、混凝土坠块，15、真空泵接口，16、真空破坏器，17、进水管，18、金属波纹输水管与PE塑料输水管的连接法兰，19、PE塑料管与坝上固定式输水管的法兰，20、伸缩套筒，21、PE塑料输水管，22、连接法兰，23、坝上固定式输水管，24、环形浮箱，25、电源线，26、电源控制开关，27、下卡板，28、滑道，29、聚四氟乙烯滑片，30固定螺栓。 

下面结合说明书附图对本发明的结构和工作原理作进一步说明。 

具体实施方式

参见图1，图1给出了一种水力浮动选择性取水装置的结构示意图。该水力浮动选择性取水装置采用了基于浮力自调节和伸缩管调节取水口高度的原理。 

该水力浮动选择性取水装置包括水箱1，水箱1内安装有潜水泵2，潜水泵2连接出水管5，出水管5一端通过电动三通阀4分别与进水管17和共用管3连通；其中，共用管3一端穿出水箱1侧壁，进水管17的进水口17＇和出水管5的另一端的吸水端口5＇均悬空，且进水口17＇在水箱1的位置高于吸水端口5＇。 

取水管9与水箱1底部通过法兰相连接，且取水管9与水箱1互不连通，取水管9上开设有格栅式取水口6，取水管9的底部与伸缩套筒20的最内节上端相连，伸缩套筒20最外节下端与锥形放水管10通过法兰22连接，伸缩套筒20最外节的外径上安装有环形浮箱24，锥形放水管10设有吊环，该吊环通过钢丝绳与混凝土锚固墩11固定，放水管10下端通过法兰依次连接金属波纹管12和PE塑料管21，PE塑料管21间隔一定距离用管卡13和混凝土坠块14固定连接，PE塑料管21与坝上固定式输水管23连接，坝上固定式输水管23上连接真空泵接口15和真空破坏器16。 

其中，水箱1、潜水泵2、格栅式取水口6、取水管9、密封装置8、伸缩套筒20、锥形放水管10、环形浮箱24共同构成了水力浮动选择性取水装置的主体——水力浮动选择性取水器；而金属波纹输水管12、管卡13、混凝土坠块14、金属波纹输水管与PE塑料输水管的连接法兰18、PE塑料输水管21、PE塑料管与坝上固定式输水管的法兰19、坝上固定式输水管23、真空泵接口15、真空破坏器16构成了作为水的传输与控制装置。 

水箱1位于取水管9的上端，水箱1可以随着水位及净浮力（即水箱的浮力与包括水箱及其内装水在内的重力之差）变化而上下移动，调节取水口6的高度。 

取水管9开设的格栅式取水口6如附图8所示，取水管9与伸缩套筒20的最内节相连，伸缩套筒20是由直径不同的多节管套接组成，管径从上到下（从内到外）依次增加，其总节数与湖库最大水深相关。最外节套筒外侧设有浮箱24，当伸缩套筒20全部收缩时，浮箱24可提供全部伸缩套筒所需的浮力，水箱1的净浮力仅需保证其自身和取水管9在水中的悬浮，使得装置整体在水中悬浮平衡。伸缩套筒20最外节下端与锥形放水管10通过法兰连接，锥形放水管10的下端用钢丝绳连接在混凝土锚固墩11上固定，并依次与金属波纹管12、PE塑料管输水21，PE塑料输水管21和坝上固定式输水管23连接，金属波纹管12和PE塑料管21每隔一段距离用管卡13和混凝土坠块14固定。 

在坝上固定式输水管23终端设有电源控制开关26、电源线25、真空泵接口15和真空破坏器16，作为取水的控制装置。其电源线25沿着取水管9、伸缩套筒20和输水管（金属波纹管12、PE塑料输水管21和坝上固定式输水管23）布置，并在各输水管下的钢丝绳上固定。 

参见图5，图5是水箱1的结构示意图。所述的水箱1为具有一定真空度的密封水箱，在其内设有潜水泵2、进水管17、出水管5、共用管3和电动三通阀4。电动三通阀4内部阀芯在不同位置时，进水口不同，如内部阀芯在出水管5时，进水管17和共用管3相通；阀芯在进水管17时，出水管5和共用管3相通。当水箱1需要充水时，开启电动三通阀4，使出水管5和共用管3相通，通过内外压差作用对水箱1进行充水；当水箱1排水时，开启电动三通阀4，使进水管17和共用管3相通，用潜水泵2对水箱1排水。水箱1的容积由保证产生除伸缩套筒20的最外节伸缩套管之外的所有套管、取水管9及水箱1自身悬浮的浮力决定，而浮箱24的容积可保证伸缩套管20全部收缩时整个装置能在水中悬浮直立并达到平衡。 

图6、7为伸缩套筒20连接详图。伸缩套管20内侧上端用密封装置8封口，防止大量的水从套筒的缝隙间进入，同时避免在拉伸套筒时，内外套筒脱节。套管内侧下端安装下卡板27，外侧下端设有上卡板7，为防止套管伸缩时脱节。在上卡板7外边缘加一层聚四氟乙烯滑片29，聚四氟乙烯滑片29在外套管内壁的滑道28上滑动。在安装伸缩套筒20时，由外向内依次组装，最后用固定螺栓30固定环状的密封装置8。 

水下布置的金属波纹管12和PE塑料管21用相应的法兰连接。金属波纹管12是取水管9的第一个连接管，选用其目的是为防止取水管9在湖库水流波动下导致位移进而造成输水路的变形、破坏。PE塑料管21具有高挠曲性，其作用为了避免库底及大坝水下部分的输水路在安装、沉降过程以及水流冲刷产生的管道损坏。 

本发明的水力浮动选择性取水装置有4个运行工况： 

第一工况：当水位上升或下降时，水箱1随水位上下移动，同时对水箱排出或冲入适当的水量，以保证水力浮动选择性取水器力学平衡，使其取得水面以下固定深度的水；

第二工况：对水箱1充排水，改变水箱1重量，随着水箱1重量的增加，改变取水口6的高度，使取水口6调节到适宜水层；

第三工况：需要取混合原水时，改变水箱1在水中的深度，实现多个不同深度水层的混合取水；

第四种工况：需要取湖库平面范围内的优质水，关闭或调节处于非优取水区的水力浮动选择性取水装置，达到规避污染和实现平面区取优质水的目的。

参见图1和图3，图1和图3中的水力浮动选择性取水装置处于第一种取水工况，即取得水面以下固定深度的水。已收缩套管的浮力由环形浮箱24提供，未收缩套管和充水水箱1的重量与水箱1提供的净浮力到达平衡。当湖库在高水位运行时，第一种工况的运行状态如附图2所示，水力浮动选择性取水装置的伸缩套管20全部伸出。环形浮箱24仅为最外节（即最底端）的套管提供所需浮力，环形浮箱24的多余浮力由混凝土锚固墩11提供的重力抵消。此时水箱1排空水，提供最大的净浮力，保证其它所有伸出伸缩套管、取水管9及水箱1自身在水中的悬浮平衡。 

如附图4所示，水力浮动选择性取水装置处于第二种取水工况，即通过水箱1的充排水，改变水箱1净浮力，调整伸缩套管20的伸出节数，达到在水下一定深度调节格栅式取水口6高度的目的。如当对水箱1充水，增加水箱1的重力，降低水箱1净浮力，使得伸缩套筒（20）的伸出套筒重力与水箱1净浮力平衡破坏，伸出套管在重力作用下收缩，带动格栅式取水口6下沉，直至建立新的伸出套筒与水箱1净浮力平衡。新收缩的套管在水中悬浮平衡所需的浮力，由水箱1提供变为由环形浮箱24提供。 

附图9为水力浮动选择性取水装置处于第三种工况，即在湖库平面设置多个本发明的水力浮动选择性取水装置，输水管汇集到同一个集水池中。各水力浮动选择性取水装置可在湖库的不同高度上运行取水，也可通过关闭或调节不同水力浮动选择性取水装置的取水量，实现混合多个水力浮动选择性取水装置的原水，到达取湖库优质原水的目的。 

该水力浮动选择性取水装置可在建成的湖库安装，不需要围堰或排水，不受水位、施工时间、季节等影响，关键的安装步骤如下： 

在湖库水面上组装本发明的水力浮动选择性取水装置的水面安装平台，依次从装置底部混凝土锚固墩11开始，逐个向上安装，并向下沉降。金属波纹输水管12一端与锥形放水管10连接，随取水器逐节由底部向上安装，并缓慢下沉，另一端在安装平台与PE塑料输水管21连接，在PE塑料输水管21下相隔一定距离装混凝土坠块14，将已连接好PE塑料输水管21缓慢均匀的沉降到库底。

Claims (2)

1.一种水力浮动选择性取水装置，其特征在于，包括水箱（1），水箱（1）内安装有潜水泵（2），潜水泵（2）连接出水管（5），出水管（5）一端通过电动三通阀（4）分别与进水管（17）和共用管（3）连通，其中，共用管（3）一端穿出水箱（1）侧壁，进水管（17）和出水管（5）的另一端均悬空在水箱（1）内；

水箱（1）底部通过法兰连接取水管（9），且水箱（1）与取水管（9）互不连通，取水管（9）上开设有格栅式取水口（6），取水管（9）的底部与伸缩套筒（20）的最内节上端相连，伸缩套筒（20）最外节下端与锥形放水管（10）通过法兰连接，伸缩套筒（20）最外节的外径上安装有环形浮箱（24），锥形放水管（10）上设有吊环，该吊环通过钢丝绳与混凝土锚固墩（11）固定，放水管（10）下端通过法兰依次连接金属波纹管（12）和PE塑料管（21），PE塑料管（21）间隔一定距离用管卡（13）和混凝土坠块（14）连接，该PE塑料管（21）与坝上固定式输水管（23）连接，坝上固定式输水管（23）连接真空泵接口（15）和真空破坏器（16），坝上固定式输水管（23）终端还设有电源控制开关（26）；

所述的伸缩套筒（20）是由直径不同的多节套管组成，伸缩套筒（20）除最里面的管之外，其它管的管壁内有滑道（28），伸缩套管（20）内侧上端用密封装置（8），套管内侧下端安装下卡板（27），外侧下端设有上卡板（7），上卡板（7）外边缘有一层聚四氟乙烯滑片（29），聚四氟乙烯滑片（29）在滑道（28）上滑动。

2.如权利要求1所述的水力浮动选择性取水装置，其特征在于，所述的水箱（1）是具有一定真空度的密封水箱。

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