污水排海擴(kuò)散器選型及校驗(yàn)

陳 毅，寇 坤

(1 中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2 安康學(xué)院，陜西 安康 725000)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)沿海城市的發(fā)展，沿海港區(qū)污水排放量不斷增加，沿海城市陸域水體的污染加劇，選取一個(gè)合適污水處置方案成為熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著人們對(duì)海洋環(huán)境研究不斷深入，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)海洋具有獨(dú)特的洋流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、自?xún)裟芰铜h(huán)境承載能力。因此，污水排海成為目前解決沿海城市水污染問(wèn)題的有效途徑之一[1]。污水排海工程通常是將處理后的達(dá)標(biāo)尾水通過(guò)泵站加壓后引至調(diào)壓井，再經(jīng)海上放流管，海底擴(kuò)散器排放到離岸一定距離、一定深度的強(qiáng)對(duì)流區(qū)域，利用潮汐對(duì)尾水進(jìn)行稀釋、擴(kuò)散、降解和自?xún)簦_(dá)到對(duì)尾水的最終處置目的，減少尾水對(duì)港區(qū)內(nèi)環(huán)境的影響。

在污水排海工程中，排海管道擴(kuò)散器是其重要組成部分，其選型是否合理對(duì)排海管道系統(tǒng)的排污能力和對(duì)海洋環(huán)境的影響起著決定性的作用。

1 擴(kuò)散器的形式

污水排海工程中污水的稀釋效果與擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和布置方式有直接關(guān)系。在工程項(xiàng)目中，排海管道系統(tǒng)中的擴(kuò)散器所處海域水動(dòng)條件及其位置直接影響擴(kuò)散器的布置方式。

根據(jù)混合方式的不同，擴(kuò)散器可分為以下三種類(lèi)型：?jiǎn)蜗蚺欧艛U(kuò)散器(圖1)、沿程擴(kuò)散器(圖2)以及交錯(cuò)擴(kuò)散器(圖3)。

圖1 單向排放擴(kuò)散器Fig.1 One-way diffuser

圖2 沿程擴(kuò)散器Fig.2 On-way diffuser

圖3 交錯(cuò)擴(kuò)散器Fig.3 Intersected diffuser

單向擴(kuò)散器一般適用于單向流的海岸[1]。水平的擴(kuò)散器噴嘴一般適用于水深較淺的海域。但在淺水域采用水平排放時(shí)，較下游更容易出現(xiàn)收縮卷吸斷面，進(jìn)而影響了污水云的寬度，使得擴(kuò)散器的稀釋度降低。因此，在采用水平的擴(kuò)撒器噴嘴時(shí)，通常將擴(kuò)散器的噴嘴設(shè)計(jì)為扇形，以便減少收縮斷面的產(chǎn)生。

沿程擴(kuò)散器適用于地形復(fù)雜且水流方向變化劇烈的海岸[1]。

交錯(cuò)擴(kuò)散器適用于水流往復(fù)交替的潮汐水域[1]，擴(kuò)散器噴嘴一般采用交錯(cuò)且方向相反的布置的方式，其噴嘴與擴(kuò)散器軸線(xiàn)角夾角一般為±90°，交錯(cuò)型擴(kuò)散器水平方向的排放總動(dòng)量之和為零。

由于實(shí)際工程中海域環(huán)境變化多變，因此工程設(shè)計(jì)中可選取以上三種基本形式的組合形式。

擴(kuò)散器的布置一般應(yīng)與水流方向垂直，以便污水得到最大稀釋度。通常，實(shí)際工程項(xiàng)目中采用T型、I型、Y型和曲線(xiàn)形的擴(kuò)散器布置型式較為常見(jiàn)。

2 擴(kuò)散器選型的基本條件

為使污水通過(guò)擴(kuò)散器排放后，能有一個(gè)良好的稀釋效果，擴(kuò)散器的選型遵循的原則如下：

(1)擴(kuò)散器的各噴口出流應(yīng)均勻穩(wěn)定；

(2)為防止泥沙淤積堵塞管道，管道中污水的設(shè)計(jì)流速需大于自?xún)袅魉?，?yīng)至少保證在高峰流量時(shí)，流速不小于0.9 m/s；

(3)盡量減小管道的水頭損失，以便減少污水排海工程運(yùn)行期間能耗和運(yùn)行費(fèi)用；

(4)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算擴(kuò)散器的水頭損失時(shí)，應(yīng)考慮擴(kuò)散器噴口富裕水頭，防止運(yùn)行期間海水倒灌；

(5)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通常擴(kuò)散器噴口流速需控制在2.0～3.0 m/s之間；

(6)擴(kuò)散器噴口直徑通?？刂圃?5～230 mm之間；

(7)為避免海水倒灌現(xiàn)象的發(fā)生，擴(kuò)散器各噴口出流密度弗勞德數(shù)一般應(yīng)大于l[2]；各噴口截面積之和與擴(kuò)散管的截面積比一般不超過(guò)1/3～2/3；

(8)擴(kuò)散器一般沿著水流方向沿程流量不斷減小，為保證自?xún)袅魉?，使得擴(kuò)散器的母管管徑不斷減小，致使擴(kuò)散器必須采用變徑連接。但其母管的變徑不是越多越好，是由于在實(shí)際工程中，需要考慮施工安裝難度及運(yùn)行成本等因素，故變徑的次數(shù)需要根據(jù)污水的處理程度、施工安裝難度及出流均勻程度來(lái)綜合考慮確定；

(9)一般需將擴(kuò)散器的噴口射流控制在一個(gè)合適的角度，以便污水向各方向擴(kuò)散，使其得到盡可能高的稀釋度。擴(kuò)散器的噴口射流角度一般取+10°或-10°為宜。

3 擴(kuò)散器選型及校驗(yàn)

3.1 擴(kuò)散器的選型

擴(kuò)散器母管的長(zhǎng)度是影響污水初始稀釋擴(kuò)散效果的一項(xiàng)重要因素。當(dāng)污水排放規(guī)模的相同時(shí)，擴(kuò)散器母管越長(zhǎng)，擴(kuò)散效果越好。在污水排海工程設(shè)計(jì)中，通常依照海域類(lèi)別情況確定的初始稀釋度，利用污水初始稀釋度計(jì)算公式，計(jì)算出擴(kuò)散器母管的長(zhǎng)度[5]。然后借用軟件模擬或物理模型試驗(yàn)，對(duì)擬定的擴(kuò)散器進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定合理的擴(kuò)散器選型。

下面以某污水排海項(xiàng)目為例，對(duì)擴(kuò)散器長(zhǎng)度的確定及校驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。該工程基礎(chǔ)輸入?yún)?shù)：污水排海設(shè)計(jì)流量為10萬(wàn)m3/d(秒流量為1.157 m3/s)，設(shè)計(jì)最高水位標(biāo)高為2.56 m，污水最大浮升高度為14.34 m，海水密度取1025 kg/m3，污水密度取990 kg/m3，初設(shè)稀釋度取45。

目前，擴(kuò)散器的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)計(jì)算方法尚不完善，雖然有一些經(jīng)驗(yàn)公式，但計(jì)算成果相差較大。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)流體為均勻、靜止流時(shí)，擴(kuò)散管的長(zhǎng)度可以根據(jù)工程所要求的初始稀釋度[2]來(lái)確定，其表達(dá)式為：

Sc=0.38(g’)1/3hq-2/3

(1)

式中：g——浮力加速度，g’=(ρs-ρ0)g/ρ0

ρs——海水密度，kg/m3

ρ0——污水密度，kg/m3

h——污水排放深度，m

q——擴(kuò)散器單位長(zhǎng)度的排放量，m3/(s·m)

根據(jù)海域?qū)Τ跏枷♂尪鹊囊?，將擴(kuò)散器單位長(zhǎng)度排放量q=Q/Lb帶入上式(1)中，得：

Lb=4.27QSc3/2h-3/2g’-1/2

(2)

式中：Lb——擴(kuò)散器長(zhǎng)度，m

Q——海水排放量，m3/s

帶入相關(guān)參數(shù)，得：

Lb=4.27×1.157×453/2×14.34-3/2×0.246-1/2=55 m，結(jié)合選型基本條件要求取255 m。

噴口數(shù)的計(jì)算公式如下：

m=3LD/h=3×(255-5)/14.34=52

(3)

式中：LD——擴(kuò)散器的有效長(zhǎng)度，m

h——海水排放深度，m

m——噴口數(shù)量，個(gè)

噴口設(shè)計(jì)流速：V=2.5 m/s；

噴口平均流量：q1=0.02225 m3/s；

上升管設(shè)計(jì)流量：q2=0.0445 m3/s；

佛雷德數(shù)：

截面積比：

f=ΣAi/A0=52×0.00785/1.13=0.361(在1/3～2/3范圍內(nèi))

通過(guò)以上理論分析計(jì)算并結(jié)合第三章相關(guān)約束條件，選取污水排海擴(kuò)散器的類(lèi)型為交錯(cuò)型(主要包括放流管，上升管和噴口三部分)，擴(kuò)散器母管采用變徑連接。本工程擴(kuò)散器主管共分為五段，首段長(zhǎng)62.5 m，管徑為 DN1200，第二段長(zhǎng)110 m，管徑為 DN900，第三段長(zhǎng)50 m，管徑為 DN600，第四段長(zhǎng)20 m，管徑為 DN400，末段長(zhǎng)12.5 m，管徑為 DN300，擴(kuò)散管總長(zhǎng)度為255 m。主管上共設(shè)置26根上升管，管徑統(tǒng)一為DN200，每根上升管采用雙噴口設(shè)計(jì)，每個(gè)噴口設(shè)置1個(gè)DN100的鴨嘴閥[3]，其開(kāi)口面積隨流量的改變而變化，可有效防止海水的入侵[6]。

另外，為保證污水得到充分稀釋?zhuān)瑪U(kuò)散器各噴口方向垂直于擴(kuò)散器母管方向。每個(gè)上升管所設(shè)的噴口采用對(duì)稱(chēng)布置的方式，噴口射流角度向上，角度在10°左右[4]。

3.2 水力模型校驗(yàn)

利用PIPENET軟件搭建水力模型，擴(kuò)散器模型圖見(jiàn)圖4。并將前述擴(kuò)散器相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)及邊界條件輸入到模型中進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖4 擴(kuò)散器模型圖Fig.4 Diffuser model diagram

通過(guò)PIPENET模擬計(jì)算，穩(wěn)定后各噴口的流量、流速和相應(yīng)的弗勞德數(shù)Fr如表1所示。

表1 擴(kuò)散器模擬計(jì)算結(jié)果Table 1 Diffuser simulation calculation results

根據(jù)以上分析結(jié)果，所選擴(kuò)散器的各噴口流量的不均勻度均小于3%，其表明該擴(kuò)散器的噴口出流較均勻。同時(shí)，各噴口的佛汝德數(shù)Fr>1，滿(mǎn)足要求。從而說(shuō)明該擴(kuò)散器選型是合理的。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)理論計(jì)算分析確定了擴(kuò)散器的基本選型，并采用PIPENET軟件對(duì)污水排海擴(kuò)散器的選型進(jìn)行了模擬校驗(yàn)。模擬結(jié)果顯示，各噴口流量和流速的出流均勻性良好。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，可考慮初步理論分析確定擴(kuò)散器基本選型，再通過(guò)軟件模擬分析校驗(yàn)的方法進(jìn)行擴(kuò)散器選型，以便提高設(shè)計(jì)工作的效率。