濱海電廠抑泡消能技術(shù)研究及應(yīng)用

江長平 李波

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東廣州 510663）

華南某濱海電廠規(guī)劃裝機(jī)容量為（5×600+4×1000 MW）(以下簡稱A電廠)，循環(huán)水水源取自南海，其供水流程為：取水口→引水明渠→進(jìn)水前池→循環(huán)水泵房→循環(huán)水壓力進(jìn)水管→冷凝器/水-水熱交換器→循環(huán)水排水管→虹吸井→排水箱涵→排水口。一期工程5臺(tái)600MW機(jī)組循環(huán)水水量110m3/s，二期工程首2臺(tái)1000MW機(jī)組循環(huán)水水量64 m3/s。

一期工程機(jī)組運(yùn)行后，在循環(huán)水排水口產(chǎn)生大量泡沫，順流在附近海域擴(kuò)散，形成大面積泡沫群，造成視覺污染，需采取投加消泡劑等臨時(shí)補(bǔ)救措施，每年費(fèi)用超過300萬元。二期工程循環(huán)水水源、供水流程與一期工程完全相同，有必要采取抑泡的工程措施，避免二期工程投運(yùn)后循環(huán)水排水泡沫對(duì)環(huán)境影響。

1 泡沫成因分析

泡沫是一群浮在液面上的具有很薄表面的氣泡聚集體，它是在一定的表面張力、粘度和懸浮固體的相互作用下形成的。因此，泡沫的形成與氣泡的產(chǎn)生和液體中挾氣濃度的具有一定的直接相關(guān)關(guān)系。

1.1 氣泡的產(chǎn)生

氣泡的產(chǎn)生，可能有下面4個(gè)方面原因：（1）流動(dòng)水體中的氣泡，通常情況下絕大多數(shù)是由于高速流動(dòng)的水體所產(chǎn)生的自摻氣，或水流跌落等產(chǎn)生水面翻滾而把空氣卷吸帶入水中。高速水流摻氣的原因，比較公認(rèn)和符合實(shí)際的解釋是：紊流邊界層的理論——這一理論認(rèn)為紊流邊界層的厚度發(fā)展到與水深相等的地方就開始摻氣。如圖1所示的溢流壩，水流自A點(diǎn)沿粗糙壩面溢流而下而發(fā)生紊流邊界層，當(dāng)紊流邊界層厚度發(fā)展到水面C點(diǎn)時(shí)，由于水流的高度紊動(dòng)，水流表面的液體質(zhì)點(diǎn)有橫向運(yùn)動(dòng)，若其動(dòng)能大于克服表面張力約束所作用的功，則液體質(zhì)點(diǎn)必越出液面，在回落時(shí)，帶入了空氣。空氣入水后形成氣泡，氣泡隨水流紊動(dòng)挾帶而下，形成摻氣水流。水流是否摻氣可由自摻氣長度Lc判斷，Lc的計(jì)算方法較多，?？驴怂乖诨炷烈缌鲏蔚脑w觀測中得到下列簡單的經(jīng)驗(yàn)公式。（2）水流跌落水墊塘（如虹吸井）產(chǎn)生水躍翻滾所卷吸入的空氣，波浪回卷帶入的空氣等，是造成水中產(chǎn)生大量氣泡的原因。（3）水流內(nèi)部含有許多尚未溶解的空氣與蒸汽的微小氣泡，亦所謂的氣核。這些氣泡小到人的肉眼看不到它們，當(dāng)水流中壓強(qiáng)降低至蒸汽壓強(qiáng)或溫升到沸點(diǎn)時(shí)，氣核便膨脹長大，大到人的肉眼可以看得見的程度，也就是水力學(xué)上通常所說的水流中發(fā)生氣穴現(xiàn)象。通常情況下，由此產(chǎn)生的氣泡是極少量的。（4）水中摻入某種物質(zhì)并與之發(fā)生化學(xué)或物理作用而成泡。

圖1 溢流壩示意圖

1.2 氣泡的特性

1.2.1 氣泡的尺寸

挾氣水流中的平均氣泡尺寸，主要取決與流體中的剪切應(yīng)力。小氣泡上升過程中，由于各自的尾流間的相互卷吸而聚集成較大氣泡，但流場中紊動(dòng)引起的剪切應(yīng)力，又可能把大氣泡撕裂成小氣泡。如此之結(jié)果，可以推斷其存在一臨界尺寸的氣泡，它相應(yīng)于表面張力和流體剪切應(yīng)力的平衡。

1.2.2 水流挾氣濃度

陡槽中高速水流產(chǎn)生的摻氣量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式較多。而跌落至水墊塘后產(chǎn)生水躍翻滾卷吸入的空氣量則較少有人進(jìn)行過測量和研究，類似的研究只有伊爾范和艾爾沙威曾進(jìn)行過矩形水股自由跌落水墊塘的摻氣情況的研究。水流挾氣濃度通常用相對(duì)摻氣量β 表示，即

式中Qa為氣流量，Qw為水流量。可以期望水流沿溢流壩跌落水墊塘產(chǎn)生水躍卷吸入的空氣，形成挾氣水流，其相對(duì)摻氣量β 應(yīng)與單寬流量q、水流跌落差H、水流入射角α、消能形式或消能率P/M及水墊塘水深H等有關(guān)，即

1.2.3 挾氣水流長度

挾氣水流中的氣泡一方面隨水流沿水流方向運(yùn)動(dòng)，其速度可近似等于水流流速V；另一方面則以Vf的垂向速度上逸。由此可見，水墊塘中的水流經(jīng)過一段距離后，所有氣泡都逸出了水面而恢復(fù)清水狀態(tài)，我們定義水流挾氣的這段長度為挾氣水流長度La，可表示為

式中H為水深，Vf為紊流水中氣泡的上升速度，靜止水中，對(duì)于半徑為0.4mm~10mm的氣泡，其上升速度Vt≈0.20m/s~0.25m/s。紊流中因紊動(dòng)作用，氣泡的上升速度會(huì)有所降低，二者關(guān)系為：

式中a為經(jīng)驗(yàn)變數(shù)。研究表明a隨無量Q2/gH2綱量的增大而減小。若水中有懸浮的微小顆粒，氣泡吸附在其表面后與之一起上逸，則其上升速度會(huì)大大降低，La亦會(huì)大大加長。

1.2.4 氣泡的穩(wěn)定性

清水中的氣泡上逸至水面后，由于表面張力和大氣壓強(qiáng)的作用，立刻就會(huì)潰滅。表面張力愈小，氣泡潰滅時(shí)間愈長。氣泡的穩(wěn)定性與很多因素有關(guān)，通常情況下就有下列幾種情況：（1）液體的粘度愈大，氣泡愈穩(wěn)定。日常生活所見到的，水面若有粘度較大的油性物質(zhì)，則氣泡浮至水面后可穩(wěn)定較長時(shí)間。（2）水中若有懸浮物，氣泡吸附在其表面上，亦可使氣泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)。很典型的例子，由于風(fēng)浪或船行波的卷吸摻氣，河流兩岸若有漂浮物存在，常常伴生大量的氣泡吸附于其上而形成泡沫；沒有漂浮物的岸邊，波浪過后氣泡則很快就潰滅。（3）水中含有助泡劑，如洗滌用品之類，可增強(qiáng)氣泡的穩(wěn)定性。

1.3 濱海電廠循環(huán)水排水泡沫成因

1.3.1 電廠循環(huán)水排水主要特性

1.3.1.1 水量大：為降低汽機(jī)背壓，提高機(jī)組發(fā)電效率，A電廠百萬機(jī)組單機(jī)循環(huán)水量約32m3/s，2臺(tái)機(jī)組每日循環(huán)水水量達(dá)550×104m3，與千萬級(jí)人口特大城市市政用水量相當(dāng)。

1.3.1.2 虹吸井內(nèi)跌水：為降低循環(huán)水泵揚(yáng)程、保持凝汽器內(nèi)真空度，直流供水系統(tǒng)需設(shè)置虹吸井，因循環(huán)水排出口外海潮位變化，虹吸井內(nèi)不可避免會(huì)產(chǎn)生跌水，跌水高度隨外海潮位變化在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，A電廠二期工程虹吸井原設(shè)計(jì)方案堰后跌水高度介于1.0m~3.6m之間。

1.3.1.3 排水水質(zhì)有利于增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定：A電廠循環(huán)水取水海域流緩浪弱，海生物豐富，為防止海生物在冷卻水管道中滋生，冷卻水中進(jìn)行了加氯處理和加入殺生劑等，氣泡吸附于被殺死的海生物殘?bào)w等懸浮物表面，浮至水面后氣泡潰滅時(shí)間大大增長，加之水中的殺生劑等表面活性劑的作用，使泡膜更加穩(wěn)定，大量的氣泡聚集而成泡沫。

1.3.2 循環(huán)水排水泡沫成因

從前述分析可知，泡沫的原生體即氣泡。因此，水中氣泡的存在是泡沫生成的充分條件，而氣泡的穩(wěn)定性增強(qiáng)則是泡沫形成的必要條件，兩者缺一都不可能產(chǎn)生泡沫。

A電廠循環(huán)水排水產(chǎn)生泡沫的直接原因是水流從堰頂沿溢流壩跌落，在虹吸井產(chǎn)生卷吸摻氣，生成大量氣泡，形成挾氣水流。而促使氣泡潰滅時(shí)間變長，穩(wěn)定性增強(qiáng)，聚集成泡沫的原因則是電廠海域流緩浪弱，海生物豐富，為防止海生物在冷卻水管道中滋生，冷卻水中進(jìn)行了加氯處理和加入殺生劑等，氣泡吸附于被殺死的海生物殘?bào)w等懸浮物表面，浮至水面后氣泡潰滅時(shí)間大大增長，加之水中的殺生劑等表面活性劑的作用，使泡膜更加穩(wěn)定，大量的氣泡聚集而成泡沫。

2 循環(huán)水排水抑泡消能措施

2.1 抑泡措施的總體要求

二期工程抑泡研究應(yīng)遵循以下原則：（1）抑泡措施不應(yīng)影響循環(huán)水系統(tǒng)的功能要求，即抑泡措施不應(yīng)影響循環(huán)水對(duì)凝汽器的冷卻功能，不應(yīng)增加循環(huán)水泵的揚(yáng)程；（2）抑泡措施應(yīng)通過物理的方法來達(dá)到減泡、防泡的目的；而不研究化學(xué)的消泡方法，因?yàn)榛瘜W(xué)方法必然要產(chǎn)生二次污染；（3）抑泡措施應(yīng)適應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況時(shí)流量變化的要求；（4）抑泡措施應(yīng)適應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)在不同潮位條件下的要求；（5）二期工程抑泡措施應(yīng)兼顧一期工程循環(huán)水系統(tǒng)抑泡改造的需求；（6）抑泡措施應(yīng)盡量減小工程造價(jià)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

2.2 抑泡措施的工程設(shè)計(jì)原則

根據(jù)上述泡沫成因分析，剔除無法改變的水質(zhì)、虹吸井堰前水頭等因素，最有效的抑泡措施是通過有效工程措施，減少甚至杜絕循環(huán)水排水系統(tǒng)產(chǎn)生跌水而摻氣，從而達(dá)到抑泡的目的。

2.3 設(shè)計(jì)方案

在斷面模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，具體設(shè)計(jì)階段在虹吸井內(nèi)設(shè)置3堵隔墻將虹吸井分為4格，隔墻升至虹吸井頂蓋板，并在溢流堰堰面設(shè)置一挑流鼻坎以改善水流跌落翻滾的流態(tài)，從而將主要摻氣區(qū)上移。堰后加設(shè)三個(gè)隔墻及2號(hào)堰，隔墻底部為帶孔底板，第1個(gè)隔墻底部設(shè)置三排排水孔，布置同底板排水孔。2號(hào)堰底部設(shè)底座，底座內(nèi)設(shè)8個(gè)排水方孔。方案具體布置尺寸見圖2。

圖2 方案布置尺寸

2.4 工作原理

設(shè)計(jì)方案通過三個(gè)隔墻及2號(hào)堰實(shí)現(xiàn)分級(jí)跌水并結(jié)合底孔出流，使循環(huán)水排水通過1號(hào)堰既可保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水位區(qū)間，又可使1號(hào)堰后的水流能盡量的減少因較大的跌落高差造成大量卷吸摻氣形成的泡沫。

下游水位較低時(shí)，受第1個(gè)隔墻阻擋及底部孔板過流能力的限制，1號(hào)堰與該隔板間的水位較高，水流順1號(hào)堰下泄并碰到設(shè)置在堰上淹沒在水中的挑坎，在流速減小的同時(shí)流向也發(fā)生了改變，形成向上和向下的兩個(gè)水平軸向環(huán)流，較大程度地減少摻氣量，向上的水平軸向環(huán)流將產(chǎn)生的氣泡挑向上方，加速氣泡上逸、潰滅，向下的水平軸向環(huán)流將水流和氣泡帶向水平底板，由于氣泡較少，受底板阻擋，帶到底板下的氣泡也較少。

隨著外海潮位上升，虹吸井堰后水位升高，1號(hào)堰與第1個(gè)隔板間的水位也相應(yīng)升高，溢流堰下泄水流一小部分從第1個(gè)隔墻頂部溢流，其余大部分水仍從該隔墻下部的側(cè)孔和底板上的底孔出流，這時(shí)的帶孔底板起到限流作用的同時(shí)也起到了消能、防泡的作用；如此類推下游水位不斷升高，水流再從第2個(gè)隔墻溢流，受第3個(gè)隔墻及隔墻之間的底板的控制，水流在第2個(gè)隔墻溢流的水頭差較小，水流摻氣較少，絕大部分的氣泡均從隔墻之間的空間上逸、潰滅；第3個(gè)隔墻頂高程較高，保證任何工況下水流都不會(huì)從其頂部溢流，下游水位再升高時(shí)，水流在2號(hào)堰堰頂溢流，此時(shí)，堰后虹吸井內(nèi)水位已較高，2號(hào)堰頂水位與堰后水位差較小，摻氣亦較少。

3 消泡方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

循環(huán)水排水設(shè)置抑泡系統(tǒng)投資較常規(guī)系統(tǒng)，虹吸井規(guī)模稍大，占地面積也相應(yīng)有所增加，但不需投加消泡劑，年節(jié)省消泡劑藥劑費(fèi)300萬元，避免產(chǎn)生新的污染。技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 2×1000MW 機(jī)組循環(huán)水排水抑泡技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

4 抑泡消能效果

工程于2010年10月整體按期投入使用，實(shí)踐證明運(yùn)行良好，消能充分，水流過渡平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，在各種運(yùn)行工況及外海潮位下，基本不發(fā)生循環(huán)水摻氣，抑泡效果良好，徹底解決了循環(huán)水排水水體摻氣以及泡沫所造成的污染。

本期工程通過物理方法控制了循環(huán)水排水的泡沫污染，凈化了電廠附近海域環(huán)境，提高了運(yùn)行企業(yè)社會(huì)美譽(yù)度，有助于建設(shè)和諧社會(huì)及企業(yè)可持續(xù)、科學(xué)發(fā)展。社會(huì)效益同樣顯著。

[1]杜涓.擴(kuò)建工程循環(huán)水排水抑泡模型試驗(yàn)研究.廣東省水利水電科學(xué)研究院,2008,11.