滨海电厂抑泡消能技术研究及应用

2015-03-21江长平李波

资源节约与环保 2015年9期

江长平李波

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司广东广州 510663）

华南某滨海电厂规划装机容量为（5×600+4×1000 MW）(以下简称A电厂)，循环水水源取自南海，其供水流程为：取水口→引水明渠→进水前池→循环水泵房→循环水压力进水管→冷凝器/水-水热交换器→循环水排水管→虹吸井→排水箱涵→排水口。一期工程5台600MW机组循环水水量110m3/s，二期工程首2台1000MW机组循环水水量64 m3/s。

一期工程机组运行后，在循环水排水口产生大量泡沫，顺流在附近海域扩散，形成大面积泡沫群，造成视觉污染，需采取投加消泡剂等临时补救措施，每年费用超过300万元。二期工程循环水水源、供水流程与一期工程完全相同，有必要采取抑泡的工程措施，避免二期工程投运后循环水排水泡沫对环境影响。

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气泡聚集体，它是在一定的表面张力、粘度和悬浮固体的相互作用下形成的。因此，泡沫的形成与气泡的产生和液体中挟气浓度的具有一定的直接相关关系。

1.1 气泡的产生

气泡的产生，可能有下面4个方面原因：（1）流动水体中的气泡，通常情况下绝大多数是由于高速流动的水体所产生的自掺气，或水流跌落等产生水面翻滚而把空气卷吸带入水中。高速水流掺气的原因，比较公认和符合实际的解释是：紊流边界层的理论——这一理论认为紊流边界层的厚度发展到与水深相等的地方就开始掺气。如图1所示的溢流坝，水流自A点沿粗糙坝面溢流而下而发生紊流边界层，当紊流边界层厚度发展到水面C点时，由于水流的高度紊动，水流表面的液体质点有横向运动，若其动能大于克服表面张力约束所作用的功，则液体质点必越出液面，在回落时，带入了空气。空气入水后形成气泡，气泡随水流紊动挟带而下，形成掺气水流。水流是否掺气可由自掺气长度Lc判断，Lc的计算方法较多，希柯克斯在混凝土溢流坝的原体观测中得到下列简单的经验公式。（2）水流跌落水垫塘（如虹吸井）产生水跃翻滚所卷吸入的空气，波浪回卷带入的空气等，是造成水中产生大量气泡的原因。（3）水流内部含有许多尚未溶解的空气与蒸汽的微小气泡，亦所谓的气核。这些气泡小到人的肉眼看不到它们，当水流中压强降低至蒸汽压强或温升到沸点时，气核便膨胀长大，大到人的肉眼可以看得见的程度，也就是水力学上通常所说的水流中发生气穴现象。通常情况下，由此产生的气泡是极少量的。（4）水中掺入某种物质并与之发生化学或物理作用而成泡。

图1 溢流坝示意图

1.2 气泡的特性

1.2.1 气泡的尺寸

挟气水流中的平均气泡尺寸，主要取决与流体中的剪切应力。小气泡上升过程中，由于各自的尾流间的相互卷吸而聚集成较大气泡，但流场中紊动引起的剪切应力，又可能把大气泡撕裂成小气泡。如此之结果，可以推断其存在一临界尺寸的气泡，它相应于表面张力和流体剪切应力的平衡。

1.2.2 水流挟气浓度

陡槽中高速水流产生的掺气量的经验计算公式较多。而跌落至水垫塘后产生水跃翻滚卷吸入的空气量则较少有人进行过测量和研究，类似的研究只有伊尔范和艾尔沙威曾进行过矩形水股自由跌落水垫塘的掺气情况的研究。水流挟气浓度通常用相对掺气量β 表示，即

式中Qa为气流量，Qw为水流量。可以期望水流沿溢流坝跌落水垫塘产生水跃卷吸入的空气，形成挟气水流，其相对掺气量β 应与单宽流量q、水流跌落差H、水流入射角α、消能形式或消能率P/M及水垫塘水深H等有关，即

1.2.3 挟气水流长度

挟气水流中的气泡一方面随水流沿水流方向运动，其速度可近似等于水流流速V；另一方面则以Vf的垂向速度上逸。由此可见，水垫塘中的水流经过一段距离后，所有气泡都逸出了水面而恢复清水状态，我们定义水流挟气的这段长度为挟气水流长度La，可表示为

式中H为水深，Vf为紊流水中气泡的上升速度，静止水中，对于半径为0.4mm~10mm的气泡，其上升速度Vt≈0.20m/s~0.25m/s。紊流中因紊动作用，气泡的上升速度会有所降低，二者关系为：

式中a为经验变数。研究表明a随无量Q2/gH2纲量的增大而减小。若水中有悬浮的微小颗粒，气泡吸附在其表面后与之一起上逸，则其上升速度会大大降低，La亦会大大加长。

1.2.4 气泡的稳定性

清水中的气泡上逸至水面后，由于表面张力和大气压强的作用，立刻就会溃灭。表面张力愈小，气泡溃灭时间愈长。气泡的稳定性与很多因素有关，通常情况下就有下列几种情况：（1）液体的粘度愈大，气泡愈稳定。日常生活所见到的，水面若有粘度较大的油性物质，则气泡浮至水面后可稳定较长时间。（2）水中若有悬浮物，气泡吸附在其表面上，亦可使气泡的稳定性增强。很典型的例子，由于风浪或船行波的卷吸掺气，河流两岸若有漂浮物存在，常常伴生大量的气泡吸附于其上而形成泡沫；没有漂浮物的岸边，波浪过后气泡则很快就溃灭。（3）水中含有助泡剂，如洗涤用品之类，可增强气泡的稳定性。

1.3 滨海电厂循环水排水泡沫成因

1.3.1 电厂循环水排水主要特性

1.3.1.1 水量大：为降低汽机背压，提高机组发电效率，A电厂百万机组单机循环水量约32m3/s，2台机组每日循环水水量达550×104m3，与千万级人口特大城市市政用水量相当。

1.3.1.2 虹吸井内跌水：为降低循环水泵扬程、保持凝汽器内真空度，直流供水系统需设置虹吸井，因循环水排出口外海潮位变化，虹吸井内不可避免会产生跌水，跌水高度随外海潮位变化在一定范围内波动，A电厂二期工程虹吸井原设计方案堰后跌水高度介于1.0m~3.6m之间。

1.3.1.3 排水水质有利于增强泡沫稳定：A电厂循环水取水海域流缓浪弱，海生物丰富，为防止海生物在冷却水管道中滋生，冷却水中进行了加氯处理和加入杀生剂等，气泡吸附于被杀死的海生物残体等悬浮物表面，浮至水面后气泡溃灭时间大大增长，加之水中的杀生剂等表面活性剂的作用，使泡膜更加稳定，大量的气泡聚集而成泡沫。

1.3.2 循环水排水泡沫成因

从前述分析可知，泡沫的原生体即气泡。因此，水中气泡的存在是泡沫生成的充分条件，而气泡的稳定性增强则是泡沫形成的必要条件，两者缺一都不可能产生泡沫。

A电厂循环水排水产生泡沫的直接原因是水流从堰顶沿溢流坝跌落，在虹吸井产生卷吸掺气，生成大量气泡，形成挟气水流。而促使气泡溃灭时间变长，稳定性增强，聚集成泡沫的原因则是电厂海域流缓浪弱，海生物丰富，为防止海生物在冷却水管道中滋生，冷却水中进行了加氯处理和加入杀生剂等，气泡吸附于被杀死的海生物残体等悬浮物表面，浮至水面后气泡溃灭时间大大增长，加之水中的杀生剂等表面活性剂的作用，使泡膜更加稳定，大量的气泡聚集而成泡沫。

2 循环水排水抑泡消能措施

2.1 抑泡措施的总体要求

二期工程抑泡研究应遵循以下原则：（1）抑泡措施不应影响循环水系统的功能要求，即抑泡措施不应影响循环水对凝汽器的冷却功能，不应增加循环水泵的扬程；（2）抑泡措施应通过物理的方法来达到减泡、防泡的目的；而不研究化学的消泡方法，因为化学方法必然要产生二次污染；（3）抑泡措施应适应循环水系统在不同运行工况时流量变化的要求；（4）抑泡措施应适应循环水系统在不同潮位条件下的要求；（5）二期工程抑泡措施应兼顾一期工程循环水系统抑泡改造的需求；（6）抑泡措施应尽量减小工程造价，技术经济最优化。

2.2 抑泡措施的工程设计原则

根据上述泡沫成因分析，剔除无法改变的水质、虹吸井堰前水头等因素，最有效的抑泡措施是通过有效工程措施，减少甚至杜绝循环水排水系统产生跌水而掺气，从而达到抑泡的目的。

2.3 设计方案

在断面模型试验的基础上，根据结构设计的要求，具体设计阶段在虹吸井内设置3堵隔墙将虹吸井分为4格，隔墙升至虹吸井顶盖板，并在溢流堰堰面设置一挑流鼻坎以改善水流跌落翻滚的流态，从而将主要掺气区上移。堰后加设三个隔墙及2号堰，隔墙底部为带孔底板，第1个隔墙底部设置三排排水孔，布置同底板排水孔。2号堰底部设底座，底座内设8个排水方孔。方案具体布置尺寸见图2。

图2 方案布置尺寸

2.4 工作原理

设计方案通过三个隔墙及2号堰实现分级跌水并结合底孔出流，使循环水排水通过1号堰既可保持在一个相对稳定的水位区间，又可使1号堰后的水流能尽量的减少因较大的跌落高差造成大量卷吸掺气形成的泡沫。

下游水位较低时，受第1个隔墙阻挡及底部孔板过流能力的限制，1号堰与该隔板间的水位较高，水流顺1号堰下泄并碰到设置在堰上淹没在水中的挑坎，在流速减小的同时流向也发生了改变，形成向上和向下的两个水平轴向环流，较大程度地减少掺气量，向上的水平轴向环流将产生的气泡挑向上方，加速气泡上逸、溃灭，向下的水平轴向环流将水流和气泡带向水平底板，由于气泡较少，受底板阻挡，带到底板下的气泡也较少。

随着外海潮位上升，虹吸井堰后水位升高，1号堰与第1个隔板间的水位也相应升高，溢流堰下泄水流一小部分从第1个隔墙顶部溢流，其余大部分水仍从该隔墙下部的侧孔和底板上的底孔出流，这时的带孔底板起到限流作用的同时也起到了消能、防泡的作用；如此类推下游水位不断升高，水流再从第2个隔墙溢流，受第3个隔墙及隔墙之间的底板的控制，水流在第2个隔墙溢流的水头差较小，水流掺气较少，绝大部分的气泡均从隔墙之间的空间上逸、溃灭；第3个隔墙顶高程较高，保证任何工况下水流都不会从其顶部溢流，下游水位再升高时，水流在2号堰堰顶溢流，此时，堰后虹吸井内水位已较高，2号堰顶水位与堰后水位差较小，掺气亦较少。