電廠虹吸井排水消泡物理模型試驗(yàn)研究

楊亞輝，秦 曉，亢新芳

1 概 述

火/核電廠作為電能的主要來源，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有舉足輕重的地位，而且有相當(dāng)一部分電廠分布在沿海地區(qū)，采用以海水為冷卻水源的直流供水系統(tǒng)。通常情況下，為了降低運(yùn)行成本且保證取排水系統(tǒng)安全運(yùn)行，電廠排水采用虹吸井出流方式，以減少外海潮位變化對虹吸井上游水位的影響。由于外海潮位的不斷變化，虹吸井溢流堰上游水位與外海水位間必然存在一定的水位差，導(dǎo)致虹吸井排水呈現(xiàn)跌落出流的情況，在此過程中水體大量摻氣，產(chǎn)生大量氣泡。與此同時，為了消除水生生物對循環(huán)水取(排)水構(gòu)筑物的附著及對流道的阻塞，一般采用在循環(huán)水系統(tǒng)中加氯方式[1](或其他化學(xué)物質(zhì))以殺死海生物。由于海生物殘?bào)w分解后的物質(zhì)以及水中加入藥劑等的影響，受納水體物理性質(zhì)有所改變，致使水中的泡沫不易潰滅。這些泡沫隨冷卻水排入環(huán)境海域后，在海流等作用下四處飄散，嚴(yán)重影響受納水域的水質(zhì)和觀感。

在國家重視環(huán)保問題程度不斷提高的大背景下，電廠排水泡沫污染問題已經(jīng)得到了相關(guān)部門以及民眾的關(guān)注，探尋一種高效、綠色的電廠消泡措施已經(jīng)成為電廠規(guī)劃建設(shè)中亟待解決的問題。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 電廠排水泡沫研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)火/核電廠排水消泡技術(shù)基本采用適宜的排水出流方式，避免或減少排水出流摻氣，以便消除或減少排水泡沫產(chǎn)生量。依據(jù)文獻(xiàn)[2-4]主要有以下方法：①采取“閉氣”、“弱化水流”等手段，將一級跌水改為多級跌水，每一級跌水的跌坎是上一級跌水的承接、消力池；②采用分層出流、底孔出流或者底層壓力式消能消泡措施，減少水流跌落過程產(chǎn)生的卷吸摻氣，實(shí)現(xiàn)抑泡效果。但為了保證堰上水位穩(wěn)定，不受外海潮位的變化，底孔出流量大幅受限，跌水摻氣不可避免，仍有大量的泡沫產(chǎn)生并被攜帶至外海，同時其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；③溢流堰后增設(shè)多層消能孔板，降低躍后水流流速，改善斷面流速分布的均勻性，氣泡能及時上浮至水面，將泡沫攔截在一定的區(qū)域內(nèi)，避免或大幅度減少其向下游輸送。

另外，排水防泡、消泡設(shè)計(jì)主要從兩個方面加以考慮：一是排水出流設(shè)計(jì)采用淹沒出流方式，盡量避免或減少出流摻氣。如暗管出流、分層出流以及浮體蓋板出流方式等；二次是對已經(jīng)產(chǎn)生的泡沫，采用集中放氣孔、集泡箱+熱風(fēng)消泡等措施等加以收集、處理。

從已采用消泡措施的核電廠運(yùn)行效果來看，仍普遍存在兩方面問題。一是工程措施難以適應(yīng)潮位變化的需求，在低潮位條件下排水易于摻氣產(chǎn)生泡沫，且攜帶至外海釋放，形成泡沫污染帶；二是產(chǎn)生的泡沫不斷累積，易于出現(xiàn)泡沫溢出虹吸井、污染廠區(qū)等現(xiàn)象。因此，需進(jìn)一步采用工程措施抑制泡沫堆積。

2.2 工業(yè)消泡方法

與電廠排水泡沫相似，在石油、化工、造紙、食品加工等行業(yè)產(chǎn)品加工工藝過程中都存在泡沫產(chǎn)生及消泡問題，其消泡的方法主要分為化學(xué)方法和物理方法。

2.2.1 化學(xué)方法

主要是向泡沫區(qū)噴灑藥劑或者溶液，實(shí)現(xiàn)快速消泡。例如，添加電性相反的表面活性劑或者與泡沫穩(wěn)定劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，使泡沫破裂。這種方法消泡劑相對比較昂貴，且容易產(chǎn)生二次污染。

2.2.2 物理方法

主要利用溫度、機(jī)械作用、破網(wǎng)器或者水流等消除泡沫。該方法針對產(chǎn)泡量不多的工藝比較有效。

2.3 電廠排水泡沫產(chǎn)生的原因分析

要解決電廠的排水泡沫問題，首先需分析其產(chǎn)生的原因，然后才能有的放矢，找到科學(xué)、合理、可行的消泡方法。結(jié)合電廠排水的特點(diǎn)，電廠排水泡沫產(chǎn)生的主要成因有3個:

1) 電廠排水經(jīng)過溢流堰跌落過程中，底部邊壁紊流邊界層沿程發(fā)展，逐漸變厚。當(dāng)邊界層發(fā)展到水面，水流強(qiáng)烈紊動而挾帶空氣，光滑的水流表面就會受到破壞，具有足夠大紊動能量的水流，克服水面的表面張力及重力作用，產(chǎn)生各種大小尺寸漩渦，卷入大量空氣，發(fā)生摻氣現(xiàn)象，水中形成大量的氣泡，大量的氣泡上浮至水面匯合在一起就形成了泡沫。

2) 電廠循環(huán)水系統(tǒng)中添加的氯及其所殺死的海生物尸體殘?jiān)淖兞穗姀S排水的黏性和表面張力，致使產(chǎn)生的泡沫短時間內(nèi)不易潰滅。由于電廠連續(xù)不間斷地產(chǎn)生泡沫遠(yuǎn)多于潰滅的泡沫，故產(chǎn)生大量堆積的泡沫。

3) 海水中所含的細(xì)小泥沙顆粒以及海生物殘?bào)w分解后的物質(zhì)使水體中含有較多的微小固體顆粒，這些物質(zhì)為泡沫的黏結(jié)、附著以及堆積提供了條件。

3 模型設(shè)計(jì)

按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，滿足原體與模型水體表層旋渦產(chǎn)生條件的相似。為此，采用適宜的大比尺正態(tài)物理模型，即滿足：

(1)

幾何比尺確定為Lr=10，其它相應(yīng)參數(shù)比尺見表1。

表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters

為反映流道內(nèi)部包括各種漩渦在內(nèi)的復(fù)雜水流特性，模型滿足美國進(jìn)水口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中提出的Rr>6.0×104、Wb>240的要求。模型水溫約20℃，排水暗涵單孔最小進(jìn)流量為16.1 L/s，計(jì)算可得模型進(jìn)水口徑向雷諾數(shù)Rr=6.5×104；模型韋伯?dāng)?shù)Wb=1 327，滿足上述要求。

試驗(yàn)?zāi)M范圍包含虹吸井及其進(jìn)出口段，見圖1。

圖1 虹吸井物模試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾脠DFig.1 Layout of physical model of Siphon Well

4 研究內(nèi)容

火/核電廠的排水虹吸井一般由進(jìn)水前池、溢流堰、堰后擴(kuò)散段、排水暗管(或者排水明渠)組成，以下簡稱“設(shè)計(jì)方案”。本項(xiàng)研究首先針對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，增設(shè)相應(yīng)的消泡措施，滿足消泡要求。研究工況見表2。

表2 試驗(yàn)工況表Tab.2 Summary table of different model test groups

4.1 設(shè)計(jì)方案研究成果

不同工況條件下，模型中水流流態(tài)、泡沫產(chǎn)生和分布情況見對應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，見圖2、圖3。

圖2 堰后水流流態(tài)及泡沫分布情況(平均低潮位)Fig.2 Flow pattern and foam distribution siphon weir downstream (average low tide level)

圖3 堰后水流流態(tài)及泡沫分布情況(百年一遇高潮位)Fig.3 Flow pattern and foam distribution siphon weir downstream (every 100-year high tide)

從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，電廠排水進(jìn)入虹吸井后，水流直接對沖過流堰，造成過流堰上游水面波動較大，過流均勻性較差。排水從過流堰跌落下來，在過流堰末端附近發(fā)生水躍，水流激烈漩滾，摻入大量空氣，示意圖見圖4。隨著堰后水位的不同，水躍形式亦不同。當(dāng)水位為平均低潮位時，堰后水體表現(xiàn)為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，水躍長度約15 m；當(dāng)水位為百年一遇高潮位時，堰后水體表現(xiàn)為淹沒式水躍，水流紊動較小。

圖4 原方案排水泡沫產(chǎn)生過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of the generation process of drainage foam in the original scheme

排水泡沫量與水流摻氣、紊動程度有著密切的關(guān)系。堰后水位較低時，水流紊動較強(qiáng)及水躍影響區(qū)較大，摻氣較多，產(chǎn)生的氣泡亦較多；堰后水位較高時，水流紊動較強(qiáng)及水躍影響區(qū)較小，摻氣較少，產(chǎn)生的氣泡亦較少。產(chǎn)生的氣泡主要分成兩部分：一小部分氣泡上升至水體表層聚集成泡沫，滯留在過流堰末端附近的回流區(qū)；大部分氣泡、泡沫被水流攜帶至虹吸井下游。

4.2 優(yōu)化方案的研究成果

4.2.1 優(yōu)化方案介紹

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化方案擬從以下兩個方面進(jìn)行：

1) 采用結(jié)構(gòu)簡單的消能孔板+攔泡墻的方式，達(dá)到降低水躍后水流流速，改善斷面流速分布，增加水流的均勻性，使氣泡及時從水中釋放出來，上浮至水面，被攔泡墻所攔蓄。

2) 針對攔泡墻前不斷累積的泡沫，采用適當(dāng)?shù)膰娏芩绞较?，控制虹吸井?nèi)泡沫的堆積量，達(dá)到防止泡沫溢出虹吸井的目的。

模型試驗(yàn)對孔板的數(shù)量、噴淋水裝置噴口的位置、方向、大小、管徑、噴口流速以及噴水母管排距、設(shè)置排數(shù)等進(jìn)行對比分析研究，限于文獻(xiàn)篇幅要求，此處不展開討論，改進(jìn)方案的布置見圖5。

圖5 排水消泡系統(tǒng)布置圖(兩道消能孔板)Fig.5 Layout of drainage and defoaming system (double energy dissipation orifice plates)

其中：①消能孔板結(jié)構(gòu)見圖6，孔板參數(shù)確定如下：孔徑R=125 mm，兩孔間距375 mm，孔板布置2～4道，孔板間距為1 000 mm，相鄰孔板的孔洞交錯布置。②攔泡墻為距離虹吸井堰后地板一定距離的胸墻，設(shè)置在距最后一道孔板Lf處。Lf=VH/Vf，Vf為氣泡上升的速度，H為控制工況的水位，V為孔板后斷面平均流速。氣泡(φ為2～5 mm)上升的特征速度為0.2 m/s。氣泡越大，上升速度越大。③噴淋水設(shè)施：噴淋水設(shè)施由帶有噴頭的母管組成，單根母管布置見圖7。

圖6 消能孔板布置圖Fig.6 Layout of energy dissipation orifice plate

圖7 單根母管布置圖Fig.7 Layout of single mother pipe

具體參數(shù)如下：

1) 噴口安裝在母管的中部，避免水中泥沙和海生物殘?bào)w堵塞噴口，使之存留于母管中便于集中清理。

2) 噴口平均流速不小于2.0 m/s。

3) 噴口與水平向成30°仰角。

4) 噴口間距為10 cm。

5) 噴口直徑為5 mm，避免泥沙的堵塞，控制噴水量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

根據(jù)泡沫在攔泡墻前堆積范圍以及電廠排水虹吸井的平面布置，噴水母管宜布置在控制水位以上1.0 m處，排數(shù)建議不少于“3+1”排?！?”為朝向下游，橫向交錯布置，用于消除攔泡墻前堆積的泡沫；“1”為朝向上游，用于消除過堰水流跌落和水流經(jīng)過消能孔板產(chǎn)生的泡沫，基本能夠覆蓋整個泡沫產(chǎn)生區(qū)和堆積區(qū)。

4.2.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果

優(yōu)化方案條件下，水流及泡沫的運(yùn)動如下：水流過堰后受到第一道孔板的作用，水位抬高，均表現(xiàn)為淹沒式水躍。水流緊接著通過第二道孔板，水流在兩道孔板間激烈碰撞，消能效果良好，一部分氣泡會留在孔板前緣和孔板之間，由于受到水流的沖擊，并不會堆積起來?？装搴笏娌▌雍苄?，流速分布均勻，水體中氣泡會很快從水中上浮至水面，形成泡沫。泡沫受到攔泡墻的作用，堆積在攔泡墻前緣，配合噴淋水系統(tǒng)，將堆積的泡沫消除掉。優(yōu)化方案示意圖見圖8，試驗(yàn)結(jié)果見圖9-圖10。

圖8 優(yōu)化方案排水泡沫產(chǎn)生過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the generation process of the drainage foam of the optimized scheme

圖9 改進(jìn)方案水流流態(tài)及泡沫分布(平均海平面)Fig.9 Improvement scheme of water flow pattern and foam distribution (average sea level)

圖10 改進(jìn)方案水流流態(tài)及泡沫分布(平均低潮位)Fig.10 Water flow pattern and foam distribution of the improved scheme (average low tide level)

4.3 小 結(jié)

優(yōu)化方案和設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)結(jié)果對比見圖11。

(a)未采用消泡系統(tǒng)(a)No defoaming system is adopted (b)采用消泡系統(tǒng)(b)Defoaming system is adopted 圖11 采用與未采用排水消泡系統(tǒng)的泡沫分布情況Fig.11 Foam distribution with and without drainage defoaming system

由圖11可以看出：

1) 過流堰下游流態(tài)有了較大改善。設(shè)計(jì)方案：過流堰下游漩滾區(qū)范圍較大，排水摻氣明顯，斷面流速分布不均勻，特別是水位較低時，流速分布極不均勻，且堰后水面波動劇烈。優(yōu)化方案：過流堰下游漩滾區(qū)范圍大幅縮短，過流堰下來的水流經(jīng)消能孔板之后，水流得到較大的調(diào)整，斷面流速分布均勻，水流相對平穩(wěn)，氣泡可以很快從水中釋放出來，同時孔板前后存在較大的水位差。

2) 虹吸井末端泡沫分布不同。設(shè)計(jì)方案：產(chǎn)生大量氣泡，且主要分布在兩個區(qū)域：①過流堰末端的回流區(qū)，產(chǎn)生的泡沫會堆積在此，但量不大；②虹吸井下游，大部分產(chǎn)生的泡沫隨水流被攜帶至此區(qū)域，隨著時間的推移，累積的泡沫越來越多。優(yōu)化方案：排水通過孔板后，水體所攜帶氣泡很快上浮至水面。受到攔泡墻的作用，大部分泡沫被攔截在攔泡墻前緣，結(jié)合噴淋水消泡措施，可將攔泡墻攔截的泡沫消除掉，或者保證其不溢出虹吸井。

5 結(jié) 論

本文在對排水消泡研究現(xiàn)狀總結(jié)的基礎(chǔ)上，建立物理模型，針對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對方案進(jìn)行了優(yōu)化，提出了優(yōu)化方案。模型試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化方案可以較好地解決不同潮位條件下電廠虹吸井的泡沫問題以及水流不勻、消能等問題，且不影響堰上水位。由于模型試驗(yàn)中無法考慮泡沫的相似性，本項(xiàng)研究僅依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出各消泡方法的相對比較結(jié)果。具體應(yīng)用時，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，通過現(xiàn)場試驗(yàn)檢測確定噴淋水消泡方案。