CN105862683B - 用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置及其快速构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置及其快速构建方法，包括虹吸井、溢流堰以及层叠多阶消能孔板，层叠多阶消能孔板包括多个依次布置的阶梯消能单元，每个阶梯消能单元包括垂直消涡挡墙和至少两层平面消能孔板，最靠近溢流堰的所述阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在溢流堰上后形成首阶阶梯消能单元，余下阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在前一阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙上，通过首阶阶梯消能单元中层叠的平面消能孔板限流，制造表层半淹没出流及多层底跌差跌水掺气，并通过水层自然形成密闭空间跌水加速掺气气泡上浮，并设置有垂直消涡挡墙，拦截上浮气泡。本发明可广泛应用于具有跌水减掺抑泡要求的工程中。

Description

用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置及其快速构建方法

技术领域

本发明涉及一种用于减少跌水掺气、抑制气泡生成及扩散的多层多阶孔板组合装置，还涉及一种用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法。

背景技术

根据国民经济稳定及发展需求，越来越多的电厂项目开工建设。对采用直流冷却方式的滨海电厂而言，一般均设置有循环冷却水排水虹吸井，通过虹吸井中溢流堰的阻水作用，从而抬高循环冷却尾水水位，减少循泵的扬程，节省能源。采用此种冷却水取排水结构，往往会在虹吸井及下游的排水明渠产生大量不易溃灭的黄褐色泡沫，造成一定程度的感官污染和心理恐慌。近年来，电厂排水泡沫已经受到媒体的广泛关注，引发了环保的质疑，部分电厂受到附近养殖场的投诉和索赔，如何减少或抑制电厂排水泡沫已经成为滨海直流冷却水电厂必须面对的难题。

当前，一般的抑泡手段有两大类。一种是采用消泡剂，这种方式简单高效，但是费用巨大，还容易造成二次污染；另外一种方法是采用工程措施进行抑泡，其特点是效果良好，持久，费用低。当前，尚没有固定的额消泡工程措施结构型式，国内的大多数消泡措施都具有一定的局限性。本发明专利是经过超过15年的工程实践总结，众多方案优选出来的一个相对稳定固定的结构形式，试验表明，效果良好。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种用于减少跌水掺气、抑制气泡生成及扩散的多层多阶孔板组合装置，可广泛用于有跌水减掺抑泡的工程中，特别适用于减少采用直流冷却的滨海电排水泡沫的产生，它具有结构简单、施工方便、抑泡效果好的特点。

还提供一种用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法。

本发明解决其技术问题的解决方案是：用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置，包括连接上游排水箱涵和下游排水箱涵的虹吸井、位于虹吸井陡坡末端的溢流堰以及位于虹吸井内的层叠多阶消能孔板，所述溢流堰位于虹吸井内靠近上游排水箱涵的一端，所述层叠多阶消能孔板位于虹吸井内靠近下游排水箱涵的一端，层叠多阶消能孔板包括多个依次布置的阶梯消能单元，每个所述阶梯消能单元包括垂直消涡挡墙和层叠在垂直消涡挡墙一侧的至少两层平面消能孔板，最靠近所述溢流堰的所述阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在溢流堰上后形成首阶阶梯消能单元，余下所述阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在前一阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙上。

作为上述技术方案的进一步改进，前一阶所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙顶面低于后一阶所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙顶面；前一阶所述阶梯消能单元中相应的所述平面消能孔板上端面低于后一阶所述相应的所述平面消能孔板下端面。

作为上述技术方案的进一步改进，位于所述首阶阶梯消能单元中最上方的平面消能孔板的上端面低于溢流堰的顶面。

作为上述技术方案的进一步改进，最靠近下游排水箱涵的所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙的上端面低于下游排水箱涵的内顶面。

作为上述技术方案的进一步改进，所述垂直消涡挡墙将相邻的两个阶梯消能单元分隔成两个独立的密闭消能空间。

作为上述技术方案的进一步改进，位于所述首阶阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙的底面低于虹吸井外最低水位。

一种用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法，包括以下步骤

1）通过计算和试验得到天然水流跌差动态变化过程，得到天然水流最大流量为Q_max(m/s)、跌差为ΔH_min～ΔH_max、最大跌差水跃长度为L_j、上游挡水建筑顶高程（ΔP）、上游水位H_上和下游水位H_下；

2）通过以下公式计算以下数据，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板长度L11=k₁×L_j，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板高程H11= k₂×（2×ΔP-ΔH_max-H_下），

首阶阶梯消能单元中的起点距D1= k₃×L11，

每一个平面消能孔板的孔尺寸R=0.2~0.3m，

每一个平面消能孔板的孔间距D=2×R，

每一个平面消能孔板的孔数量NO= k₄×Q_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程V12= H_下+ k₅×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙顶高程V11=ΔP+ k₆×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中平面孔板层数Ml =Round((H11-V12)/3)+1，

首阶阶梯消能单元中平面孔板间距DP =(H11-V12)/Ml

阶梯消能单元的数量N= Ceil(ΔH_max-ΔH_min)，

各阶阶梯消能单元的增幅AL= k₇×（H_上-H11）/(N-1)，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程VN2= V12+（N-1）×AL，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程VN1= V11+（N-1）×AL，

其中，0.8≤k₁≤0.9，0.9≤k₂≤1.1，0.3≤k₃≤0.5，4≤k₄≤5，0.1≤k₅≤0.2，0.2≤k₆≤0.3，0.9≤k₇≤1.1；

3）通过步骤2）中计算所得的数据在虹吸井中构建层叠多阶消能孔板。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤2）中，计算阶梯消能单元的数量时，N计算出的结果为非整数时，将其计算结果取整后加1，M1的计算数值采用四舍五入的方式取整。

作为上述技术方案的进一步改进，在步骤2）中，余下所述阶梯消能单元中平面孔板间距等于或者小于首阶阶梯消能单元中平面孔板间距。

本发明的有益效果是：本发明通过设置首阶阶梯消能单元，通过首阶阶梯消能单元中层叠的平面消能孔板限流，制造表层半淹没出流及多层底跌差跌水掺气，并通过水层自然形成密闭空间跌水加速掺气气泡上浮，并设置有垂直消涡挡墙，拦截上浮气泡，通过设置二阶以及后续多阶逐阶递增的阶梯消能单元，实现水位增加过程中的平滑过渡，维持较小的多层水流跌差，并维持密闭空间水流跌落，束缚掺气气泡的溢出等。本发明还提供用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法实现其快速构建。本发明专利结构简单、方案清晰、施工方便、抑泡效果好，可广泛应用于具有跌水减掺抑泡要求的工程中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明在低水位时的结构示意图；

图2是本发明在高水位时的机构示意图；

图3是现有技术中采用现有装置试验时采集点的分布图；

图4是现有技术中无递增阶梯且含竖直孔板试验时采集点分布图；

图5是本发明中在试验时的采集点分布图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

参照图1～图2，用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置，包括连接上游排水箱涵和下游排水箱涵的虹吸井4、位于虹吸井4陡坡末端的溢流堰1以及位于虹吸井4内的层叠多阶消能孔板，所述溢流堰1位于虹吸井4内靠近上游排水箱涵的一端，所述层叠多阶消能孔板位于虹吸井4内靠近下游排水箱涵的一端，层叠多阶消能孔板包括多个依次布置的阶梯消能单元，每个所述阶梯消能单元包括垂直消涡挡墙3和层叠在垂直消涡挡墙3一侧的至少两层平面消能孔板2，最靠近所述溢流堰1的所述阶梯消能单元中的平面消能孔板2固定在溢流堰1上后形成首阶阶梯消能单元，余下所述阶梯消能单元中的平面消能孔板2固定在前一阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙3上。同一个阶梯消能单元中平面消能孔板2的层数至少两层，阶梯消能单元不少于3阶。

通过设置首阶阶梯消能单元，通过首阶阶梯消能单元中层叠的平面消能孔板2限流，制造表层半淹没出流及多层底跌差跌水掺气，并通过水层自然形成密闭空间跌水加速掺气气泡上浮，并设置有垂直消涡挡墙3，拦截上浮气泡，通过设置二阶以及后续多阶逐阶递增的阶梯消能单元，实现水位增加过程中的平滑过渡，维持较小的多层水流跌差，并维持密闭空间水流跌落，束缚掺气气泡的溢出等。本发明还提供用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法实现其快速构建。本发明专利结构简单、方案清晰、施工方便、抑泡效果好，可广泛应用于具有跌水减掺抑泡要求的工程中。

进一步作为优选的实施方式，前一阶所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙3顶面低于后一阶所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙3顶面；前一阶所述阶梯消能单元中相应的所述平面消能孔板2上端面低于后一阶所述相应的所述平面消能孔板2下端面。

进一步作为优选的实施方式，位于所述首阶阶梯消能单元中最上方的平面消能孔板2的上端面低于溢流堰1的顶面。

进一步作为优选的实施方式，最靠近下游排水箱涵的所述阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙3的上端面低于下游排水箱涵的内顶面。

进一步作为优选的实施方式，所述垂直消涡挡墙3将相邻的两个阶梯消能单元分隔成两个独立的密闭消能空间。垂直消涡挡墙3为实心挡板板或者实心墙体。

进一步作为优选的实施方式，位于所述首阶阶梯消能单元中的所述垂直消涡挡墙3的底面低于虹吸井4外最低水位。

首阶阶梯消能单元中层叠的平面消能孔板2设计在本装置中起至关重要的作用。在水位较低、自然跌差较大工况下，通过首阶阶梯消能单元中层叠的平面消能孔板2的限流作用，使得水流跌落由单次变成多次（随着层数的增加而增加），并保持最上层平面消能孔板2的水流处于半淹没出流状态，各层平面消能孔板2的水流跌落为由不同水层封闭的密闭空间水流跌落，水流的跌落掺气回因层间压力减少，形成负压，使得气泡加速上溢。首阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙3底高程也要经过试验或/和计算确定，以保证能够形成各层间的密闭空间。

二阶及以后各阶的原理与首阶类似。随着水位的增加，一阶过流受限，从而使得上游水流越过首阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙3到阶梯消能单元跌落，并始终维持较小的多层水位跌差。同样为了形成第二阶水流能够在多层密闭空间跌落，也要对第二阶阶梯消能单元与第三阶阶梯消能单元的垂直消涡挡墙3底高程进行试验或/和计算确定。以此类推，最终确定多层多阶的装置体。

另外，各阶垂直消涡挡墙3的垂直消涡挡墙3底高程和顶高程均需要通过多次试验或/和计算后确定。其作用不仅用来形成密闭空间多层水流跌落，还兼顾拦截气泡，平滑多阶水流过渡的功能。

一种用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法，包括以下步骤

1）通过计算和试验得到天然水流跌差动态变化过程，得到天然水流最大流量为Q_max(m/s)、跌差为ΔH_min～ΔH_max、最大跌差水跃长度为L_j、上游挡水建筑顶高程（ΔP）、上游水位H_上和下游水位H_下；

2）通过以下公式计算以下数据，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板2长度L11=k₁×L_j，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板2高程H11= k₂×（2×ΔP-ΔH_max-H_下），

首阶阶梯消能单元中的起点距D1= k₃×L11，

每一个平面消能孔板2的孔尺寸R=0.2~0.3m，

每一个平面消能孔板2的孔间距D=2×R，

每一个平面消能孔板2的孔数量NO= k₄×Q_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙3底高程V12= H_下+ k₅×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙3顶高程V11=ΔP+ k₆×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中平面孔板层数Ml =Round((H11-V12)/3)+1，

首阶阶梯消能单元中平面孔板间距DP =(H11-V12)/Ml

阶梯消能单元的数量N= Ceil(ΔH_max-ΔH_min)，

各阶阶梯消能单元的增幅AL= k₇×（H_上-H11）/(N-1)，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙3底高程VN2= V12+（N-1）×AL，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙3底高程VN1= V11+（N-1）×AL，

其中，0.8≤k₁≤0.9，0.9≤k₂≤1.1，0.3≤k₃≤0.5，4≤k₄≤5，0.1≤k₅≤0.2，0.2≤k₆≤0.3，0.9≤k₇≤1.1；

3）通过步骤2）中计算所得的数据在虹吸井4中构建层叠多阶消能孔板。

进一步作为优选的实施方式，在步骤2）中，计算阶梯消能单元的数量时，N计算出的结果为非整数时，将其计算结果取整后加1，M1的计算数值采用四舍五入的方式取整。

进一步作为优选的实施方式，在步骤2）中，余下所述阶梯消能单元中平面孔板间距等于或者小于首阶阶梯消能单元中平面孔板间距。

经过试验，发明确定对多层多阶孔板结构发挥正常功能起到关键约束作用的指标往往是：首阶首层孔板高程（H11），首阶首层孔板长度（L11），起点距（D1），孔尺寸（R）及孔间距（D），首层竖直隔墙的底高程（V12）及顶高程（V11），首阶各层跌差（F）,另外各阶之间的梯级增加幅度也必须有一定的规律（AL）也必须具有一定要求。

快速确定多层多阶孔板结构的流程为：

通过计算和试验得到天然水流跌差动态变化过程→通过试验得到最大跌差对应的水跃长度（L_j）→首阶首层孔板长度（L11）→首阶首层孔板高程（H11）→起点距（D1）→孔尺寸（R）/孔数量（NO）/孔间距（D）→首层竖直隔墙底高程（V12）及顶高程（V11）→阶数（N_j）→各阶增幅（AL）。

相对以前类似孔板装置，本装置的创造性不仅仅体现在快速构建上，而且效果上减掺抑泡上有大大的提升。以前的转置着重点在于拦泡，且各阶之间采用孔板（而非本发明的实心墙体）导致无法消除二次掺气的发生，在减掺上并没有太大的效果。本发明在减掺上效果明显，特别是装置外的减掺效果。如下例某电厂的掺气量测试成果，其采用现有装置且其采集点如图3所示，采集的数据如表1所示：

表1掺气浓度（%）

又如图4所示采用现有技术中无递增阶梯且含竖直孔板的装置进行掺气量采集点，采集的数据表2所示：

表2掺气浓度（%）

而采用本发明的结构在相应的点对掺气量进行数据采集，分布具体如图5所示，采集的数据如表3所示：

表3 优化方案掺气浓度（%）

可见，通过掺气量发现，本发明在减掺上的效果大大优于以前的装置结构，且无需在进行额外的拦泡设计，大大简化了装置及其施工难度，节约了投资和施工时间。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法，用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置包括连接上游排水箱涵和下游排水箱涵的虹吸井、位于虹吸井陡坡末端的溢流堰以及位于虹吸井内的层叠多阶消能孔板，所述溢流堰位于虹吸井内靠近上游排水箱涵的一端，所述层叠多阶消能孔板位于虹吸井内靠近下游排水箱涵的一端，层叠多阶消能孔板包括多个依次布置的阶梯消能单元，每个所述阶梯消能单元包括垂直消涡挡墙和层叠在垂直消涡挡墙一侧的至少两层平面消能孔板，最靠近所述溢流堰的所述阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在溢流堰上后形成首阶阶梯消能单元，余下所述阶梯消能单元中的平面消能孔板固定在前一阶阶梯消能单元中的垂直消涡挡墙上，其特征在于：包括以下步骤，

1)通过计算和试验得到天然水流跌差动态变化过程，得到天然水流最大流量为Q_max(m/s)、跌差为ΔH_min～ΔH_max、最大跌差水跃长度为L_j、上游挡水建筑顶高程(ΔP)、上游水位H_上和下游水位H_下；

2)通过以下公式计算以下数据，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板长度L11＝k₁×L_j，

首阶阶梯消能单元中的平面消能孔板高程H11＝k₂×(2×ΔP-ΔH_max-H_下)，

首阶阶梯消能单元中的起点距D1＝k₃×L11，

每一个平面消能孔板的孔尺寸R＝0.2～0.3m，

每一个平面消能孔板的孔间距D＝2×R，

每一个平面消能孔板的孔数量NO＝k₄×Q_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程V12＝H_下+k₅×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中垂直消涡挡墙顶高程V11＝ΔP+k₆×ΔH_max，

首阶阶梯消能单元中平面孔板层数Ml＝Round((H11-V12)/3)+1，

首阶阶梯消能单元中平面孔板间距DP＝(H11-V12)/Ml

阶梯消能单元的数量N＝Ceil(ΔH_max-ΔH_min)，

各阶阶梯消能单元的增幅AL＝k₇×(H_上-H11)/(N-1)，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程VN2＝V12+(N-1)×AL，

余下的阶梯消能单元中垂直消涡挡墙底高程VN1＝V11+(N-1)×AL，

其中，0.8≤k₁≤0.9，0.9≤k₂≤1.1，0.3≤k₃≤0.5，4≤k₄≤5，0.1≤k₅≤0.2，0.2≤k₆≤0.3，0.9≤k₇≤1.1；

3)通过步骤2)中计算所得的数据在虹吸井中构建层叠多阶消能孔板。

2.根据权利要求1所述的用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法，其特征在于：在步骤2)中，计算阶梯消能单元的数量时，N计算出的结果为非整数时，将其计算结果取整后加1，M1的计算数值采用四舍五入的方式取整。

3.根据权利要求1所述的用于减掺抑泡的多层多阶孔板装置的快速构建方法，其特征在于：在步骤2)中，余下所述阶梯消能单元中平面孔板间距等于或者小于首阶阶梯消能单元中平面孔板间距。