CN115385423B - 一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，属于脉冲功率技术及生物污损防治领域，方法包括：通过预试验确定固着生物致死率超过预设阈值时所需的电场强度、脉冲电场总等效处理时间以及脉冲电场的重复频率；根据电场强度和脉冲电场总等效处理时间选定充电电源电压等级和种类；选取电极材料，根据防治区域水流速度确定网状电极的网孔大小以及电极在其中的布设方式；确定电极布设方式后，计算防治区域等效阻抗，根据防治区域阻抗设计脉冲形成单元的元件参数，最终完成生物污损防治系统的设计。本发明可有效防治冷却水管道、水渠、水库闸门和过滤设备等处的固着生物污损，具有结构简单、安装方便、效果显著和环境友好等优点。

Description

一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法

技术领域

本发明属于脉冲功率技术及生物污损防治领域，具体涉及一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法。

背景技术

固着生物，又称水生附着生物，营固着生活，包括腔肠动物、软体动物、蔓足甲壳类和大型藻等。按生活方式的不同，可分为永久性固着生物和非永久性固着生物。固着生物成长速度快，繁殖能力强，幼体产出后即可爬行，生长至数百微米左右时进入不稳定附着阶段，继续成长进入稳定附着阶段时，基本不再移动，在正常的水流流速下不会脱落，对环境的适应能力很强。

当固着生物随水流散布至压载水管道、水渠、水库闸门和过滤设备等装置中时，在装置中大量增殖生长，附着厚度最大可达10cm，使得过流面积减小，输水阻力增大，输水效率大大降低，还会导致闸、阀门的难以启闭。当固着生物附着在水电厂尾水隧洞或水库闸门等混凝土或金属结构上时，成体的足丝分泌的酸液会造成结构的腐蚀和脱落，对结构强度和耐久性造成损害。除此之外，固着生物还有污染供水水质和破坏原有水生食物链的平衡等不良影响，对生产生活造成了严重的经济、社会和环境损失。

目前防治固着生物的措施包括滤网拦截、物理刮除、涂料防护、化学灭杀、生态水力学法和物理灭杀法等方法，其中，滤网拦截法不能滤除体积极小的幼体，数月后设备内仍长满固着生物；物理刮除法短期有效，但要保证设备长期的正常运行，需要频繁的清理，成本昂贵；涂料防护法的有效时间较长，但可能释放毒性物质，不适用于供水系统；化学灭杀法易污染水质，且无法有效处理较长管道中的固着生物；物理灭杀法包括紫外线照射、电磁、超声波处理和改变温度等方法，但大多可操作性差、成本高。现有的交流或直流电压或电流防治法也具有处理时间长，发热严重，功率损耗高等弊端。生态水力学法包括生物引诱附着法、生物沉降法和高频脉动灭杀法等，但需要较大空间或易受杂质影响，制约了其应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，旨在解决现有防治固着生物污损方法存在的操作频繁、污染水质、成本高和可操作性较低等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，所述系统包括充电电源、脉冲形成网络以及电极单元，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，通过预试验确定固着生物诱导致死率超过预设阈值时所需的电场强度E、脉冲电场总等效处理时间t以及脉冲电场的重复频率f；

S2，确定所述电极单元的电极组数n₁和阴、阳极电极之间的间距d₁，所述间距d₁小于等于电极最大间距d_1max，其中，所述电极最大间距d_1max为所述充电电源的最高输出电压V_Emax与所述电场强度E之比。由于电源最高输出电压有限，为降低设备成本，保障人身安全同时避免阴、阳极电极短路，d₁范围设置在30～100cm为宜；

S3，根据所述电极组数n₁、间距d₁、重复频率f、总等效处理时间t和防治区域的水流速度ν，计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c；根据过水断面面积S、间距d₁和水域电导率σ计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L；

S4，根据脉冲形成网络的级数n、波阻抗Z和输出脉冲的脉冲宽度τ确定脉冲形成网络各级的电感值L_i和电容量C_i，其中，Z≤Z_L，τ≥τ_c，i＝1,2,3,…,n。

进一步地，所述S1中，通过以下方式确定所述电场强度E和脉冲电场总等效处理时间t：

以电场强度和脉冲电场总等效处理时间为自变量进行预试验，拟合得到诱导致死率和电场强度、脉冲电场总等效处理时间之间的第一函数关系；

以等效脉冲注入能量密度为自变量进行预试验，拟合得到诱导致死率和等效脉冲注入能量密度之间的第二函数关系；

将所述预设阈值代入所述第一函数关系和第二函数关系中，得到固着生物诱导致死率超过所述预设阈值时所需的电场强度E和脉冲电场总等效处理时间t。

进一步地，所述等效脉冲注入能量密度W指防治区域中单位体积液体在脉冲电场总等效处理时间内所承受的能量之和，计算方程为：

W＝0.01σE²t。

进一步地，所述S3中，由计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c。

进一步地，所述S3中，由计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L。

进一步地，所述S3中，若则将每组阴、阳极电极分为n₂块，以满足并串联连接各块阴、阳极电极，由/>计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L；其中，Z₀为预设阻抗阈值。

进一步地，所述S4中，所述S4中，根据以下方式确定脉冲形成网络各级的电感值L_i和电容量C_i：

进一步地，电极组数n₁的范围为2～6，脉冲形成网络的级数n的范围为5～20。

进一步地，所述电极单元为网状电极，采用不锈钢或钛合金材料，电极孔径为10～80mm，丝径为3～9mm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明通过预试验确定固着生物致死率超过预设阈值时所需的电场强度E、脉冲电场总等效处理时间t以及脉冲电场的重复频率f；进一步确定电极的布设方式，再进一步计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c以及防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L，并最终确定脉冲形成网络的元件参数，从而实现整个固着生物污损防治系统的设计。相比于现有利用高压脉冲电场处理固着生物的方法，本发明明确给出了整个系统中涉及元件的具体参数设计，并且能够有效防治冷却水管道、水渠、水库闸门和过滤设备等处的固着生物污损，及其引起的堵塞和腐蚀等问题，具有结构简单、安装方便、效果显著和环境友好等优点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计流程图；

图2是本发明实施例提供的一种利用脉冲电场防治固着生物污损的脉冲电场参数确定过程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种利用脉冲电场防治固着生物污损的防治区域电极布设方式示意图，其中(a)为防治区域的电极布设方式，(b)为防治区域电极布设方式的侧视图，(c)为电极的分块方式示意图；

图5是本发明实施例提供的一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统等效放电回路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

利用脉冲电场防治固着生物污损是将新兴的脉冲功率技术应用于生物污损防治领域的拓展技术，当固着生物遭受的脉冲电压达到一定阈值时，固着生物的细胞膜发生电穿孔或结构发生损坏，当脉冲宽度达到一定阈值时，即可使固着生物发生晕厥或死亡，从而避免其大量增殖附着于设备内部、渠道壁面或水库闸门上等。脉冲电场对应的电场强度、脉冲宽度和施加脉冲个数是影响脉冲电场防治效果的决定性因素，因此，可以根据工程应用需要，通过调节系统充电电源的输出电压、人工脉冲形成网络输出脉冲的脉冲宽度和重复频率来实现不同的防治效果。本发明具有功率损耗低、经济效益高、环境友好、安全可靠、结构简单、操作方便等优点，并有望拓展到食品灭菌、生物提取等领域。

参阅图1，结合图2至图5，本发明提供了一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，包括操作S1至S4。

操作S1，通过预试验确定固着生物诱导致死率超过预设阈值时所需的电场强度E、脉冲电场总等效处理时间t以及脉冲电场的重复频率f。

具体地，以电场强度和脉冲电场总等效处理时间为自变量进行小型预试验，通过对试验数据进行函数拟合得到脉冲电场诱导死亡率和电场强度、总等效处理时间之间的函数关系；以等效脉冲注入能量密度为自变量进行小型预试验，对试验数据进行函数拟合得到脉冲电场诱导死亡率和等效脉冲注入能量密度之间的函数关系；将工程应用中的诱导死亡率要求代入以上函数关系，得到工程应用所需的电场强度和脉冲电场总等效处理时间。

在本发明实施例中，防治对象为腔肠动物、软体动物、蔓足甲壳类和大型藻等，防治区域为输水工程中的渡槽，槽身最大设计水深3m，过水断面面积S＝24m²，平均水流速度ν＝1.5m/s，水域电导率σ＝38mS/m。

如图2所示，在本发明实施例中，对脉冲电场诱导死亡率与电场强度、总等效处理时间之间的关系进行函数拟合，得到的拟合曲面为：

作平面m＝80％，与该曲面相交得到曲线1，曲线1在t-E平面上的投影与坐标轴所围区域即为根据该拟合曲面得到的满足工程要求的t、E取值集合。

如图2所示，在本发明实施例中，对脉冲电场诱导死亡率与等效脉冲注入能量密度之间的关系进行函数拟合，得到的拟合曲线为：

m＝1-0.99e^{-0.03(W-2.50)}

诱导死亡率要求m≥80％时，根据该拟合曲线得到W≥W_c＝55.81J/L，根据等效脉冲注入能量密度W与电场强度E和总等效处理时间t之间的关系作曲线2：0.01σE²t≥55.81J/L。曲线1和曲线2相交得到3个交点(3.72μs，6.52kV/cm)、(24.74μs，2.44kV/cm)、(215.51μs，0.83kV/cm)。由于高电场强度要求能够输出更高电压的电源，对电容、晶闸管等设备的绝缘要求也更为严格。因此，选取得到满足m≥80％要求的最佳电场条件为：最小总等效处理时间t_c＝215.51μs，最小电场强度E_c＝0.83kV/cm。

在本发明实施例中，以脉冲电场的重复频率f为自变量开展预试验，试验结果表明脉冲重复频率0.1Hz≤f≤5Hz时，诱导死亡率几乎不受脉冲重复频率的影响，本实施例中选择脉冲重复频率f＝2.5Hz，选择晶闸管作为系统的开关器件。

最终，通过预试验得到固着生物诱导致死率为80％时对应的脉冲电场参数为：电场强度E＝0.83kV/cm，总等效处理时间t＝215.51μs，重复频率f＝2.5Hz。

操作S2，确定所述电极单元的电极组数n₁和阴、阳极电极之间的间距d₁，所述间距d₁小于等于电极最大间距d_1max，其中，所述电极最大间距d_1max为所述充电电源的最高输出电压V_Emax与所述电场强度E之比。由于电源最高输出电压有限，为降低设备成本，保障人身安全同时避免阴、阳极电极短路，d₁范围设置在30～100cm为宜。

其中，充电电源可以为直流电源、充电机或变压器，具体的种类和电压等级可以根据有效防治固着生物污损时施加在电极两侧上的最小电压确定。本实施例中，采用可输出0～180kV电压的变压器作为系统充电电源，为脉冲形成网络充电。脉冲形成网络，用于产生近似方波的脉冲电场以施加在电极之间的防治区域中。

本实施例中，电极单元采用不锈钢材料的网状电极，电极孔径80mm，丝径为9mm。电极布设方式的设计包括如下步骤：

电极组数n₁的范围为2～6，为减少电源数目，降低设备成本，本实施例中设置电极组数n₁＝3。

根据电场强度要求计算电极最大间距d_1max，选择d₁≤d_1max，d_1max的计算方程为：

其中，η≈0.80为脉冲形成网络的传输效率，V_Emax为充电电源最高输出电压，n₂为阴、阳极电极的分块数。n₂＝1时，计算得到d_1max＝173cm>100cm，因此对电极进行分块，对于30cm<d₁<100cm，计算得到电极分块数n₂的范围为1.73<n₂<5.78，即要满足电极间距d₁的范围要求，n₂可取2、3、4、5。

操作S3，根据所述电极组数n₁、间距d₁、重复频率f、总等效处理时间t和防治区域的水流速度ν，计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c；根据渠道过水断面面积S、间距d₁和水域电导率σ计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L。

本实施例中，根据所述电极组数n₁、间距d₁、重复频率f、总等效处理时间t和防治区域的水流速度ν，计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c，计算方程为：

计算得到脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c＝74.53μs。

进一步，计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L，由于电极间的容抗X_C远小于电阻R，认为Z_L＝R，根据过水断面面积S、间距d₁和水域电导率σ计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L，计算方程为：

进一步地，若则将每组阴、阳极电极分为n₂块，以满足/>并串联连接各块阴、阳极电极，由/>计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L；其中，Z₀为预设阻抗阈值。代入Z_L≥Z₀，得到

本实施例中，设置阻抗阈值Z₀＝10Ω，代入上式计算得到n₂≥3.32，因此如图4中(c)所示，将n₂设置为4，计算得到Z_L＝11.94Ω。

操作S4，根据脉冲形成网络的级数n、波阻抗Z和输出脉冲的脉冲宽度τ确定脉冲形成网络各级的电感值L_i和电容量C_i，其中，Z≤Z_L，τ≥τ_c，i＝1,2,3,…,n。

脉冲形成网络的级数n的范围为5～20，如图5所示，本实施例中设置PFN级数n为12。

根据对PFN输出脉冲的脉冲宽度τ的要求和Z_L设计PFN各级的电感值L_i(i＝1,2,3,…,n)和电容量C_i(i＝1,2,3,…,n)，L_i和C_i的计算方程为：

其中，τ_c为有效防治生物污损所需的最小脉冲宽度；Z为PFN的波阻抗，为得到较高的输出电压，控制波阻抗Z小于防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L。联立上述两方程，得到PFN各级电感值L_i＝38μH，各级电容大小C_i＝0.266μF，为减小单个电容耐受的电压，各级电容通过串联6个1.6μF的电容得到。

综上所述，本发明与现有技术相比，存在以下优势：

(1)脉冲电场法通过瞬间的高电压作用引起固着生物的细胞膜穿孔或结构损坏，脉冲宽度仅为微秒或毫秒级别，所需功率低，可在较低的条件下达到较好的处理效果，经济效益高。

(2)本发明利用人工脉冲形成网络产生的高压脉冲，属于物理防治方法，无副产物，环境友好，且处理过程中引起的水流温升可忽略不计，不影响水质和水域生态系统。

(3)脉冲电场集中在所述处理管道内的两电极之间，在所述处理管道以外的区域衰减明显，且在所述处理管道两端加装了地线，能够保证处理管道外人员和其他生物的安全。

(4)本发明通过置于船上或岸边的放电控制单元调节需要的脉冲幅值、重复频率和施加次数即可实现对固着生物的处理，可灵活选择不同的参数以适用不同的应用场景，操作方便，安全可靠。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，所述系统包括充电电源、脉冲形成网络以及电极单元，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，通过预试验确定固着生物诱导致死率超过预设阈值时所需的电场强度E、脉冲电场总等效处理时间t以及脉冲电场的重复频率f；

S2，确定所述电极单元的电极组数n₁和阴、阳极电极之间的间距d₁，所述间距d₁小于等于电极最大间距d_1max，其中，所述电极最大间距d_1max为所述充电电源的最高输出电压V_Emax与所述电场强度E之比；

S3，根据所述电极组数n₁、间距d₁、重复频率f、总等效处理时间t和防治区域的水流速度ν，计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c；根据过水断面面积S、间距d₁和水域电导率σ计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L；

S4，根据脉冲形成网络的级数n、波阻抗Z和输出脉冲的脉冲宽度τ确定脉冲形成网络各级的电感值L_i和电容量C_i，其中，Z≤Z_L，τ≥τ_c，i＝1,2,3,…,n；

所述S1中，通过以下方式确定所述电场强度E和脉冲电场总等效处理时间t：

以电场强度和脉冲电场总等效处理时间为自变量进行预试验，拟合得到诱导致死率和电场强度、脉冲电场总等效处理时间之间的第一函数关系；

以等效脉冲注入能量密度为自变量进行预试验，拟合得到诱导致死率和等效脉冲注入能量密度之间的第二函数关系；

将所述预设阈值代入所述第一函数关系和第二函数关系中，得到固着生物诱导致死率超过所述预设阈值时所需的电场强度E和脉冲电场总等效处理时间t；

所述等效脉冲注入能量密度W指防治区域中单位体积液体在脉冲电场总等效处理时间内所承受的能量之和，计算方程为：

W＝0.01σE²t。

2.根据权利要求1所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，其特征在于，所述S3中，由计算脉冲电场的最小脉冲宽度τ_c。

3.根据权利要求2所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，其特征在于，所述S3中，由计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L。

4.根据权利要求2所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，其特征在于，所述S3中，若则将每组阴、阳极电极分为n₂块，以满足/>并串联连接各块阴、阳极电极，由/>计算防治区域中每组电极之间液体的等效阻抗Z_L；其中，Z₀为预设阻抗阈值。

5.根据权利要求3或4所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，其特征在于，所述S4中，根据以下方式确定脉冲形成网络各级的电感值L_i和电容量C_i：

6.根据权利要求5所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计方法，其特征在于，电极组数n₁的范围为2～6，脉冲形成网络的级数n的范围为5～20。

7.根据权利要求5所述的利用脉冲电场防治固着生物污损的系统设计

方法，其特征在于，所述电极单元为网状电极，采用不锈钢或钛合金材料，

电极孔径为10～80mm，丝径为3～9mm。