污水排海扩散器选型及校验

陈 毅，寇 坤

(1 中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2 安康学院，陕西 安康 725000)

近年来，随着国内沿海城市的发展，沿海港区污水排放量不断增加，沿海城市陆域水体的污染加剧，选取一个合适污水处置方案成为热点问题。随着人们对海洋环境研究不断深入，进而发现海洋具有独特的洋流运动特点、自净能力和环境承载能力。因此，污水排海成为目前解决沿海城市水污染问题的有效途径之一[1]。污水排海工程通常是将处理后的达标尾水通过泵站加压后引至调压井，再经海上放流管，海底扩散器排放到离岸一定距离、一定深度的强对流区域，利用潮汐对尾水进行稀释、扩散、降解和自净，达到对尾水的最终处置目的，减少尾水对港区内环境的影响。

在污水排海工程中，排海管道扩散器是其重要组成部分，其选型是否合理对排海管道系统的排污能力和对海洋环境的影响起着决定性的作用。

1 扩散器的形式

污水排海工程中污水的稀释效果与扩散器的结构类型和布置方式有直接关系。在工程项目中，排海管道系统中的扩散器所处海域水动条件及其位置直接影响扩散器的布置方式。

根据混合方式的不同，扩散器可分为以下三种类型：单向排放扩散器(图1)、沿程扩散器(图2)以及交错扩散器(图3)。

图1 单向排放扩散器Fig.1 One-way diffuser

图2 沿程扩散器Fig.2 On-way diffuser

图3 交错扩散器Fig.3 Intersected diffuser

单向扩散器一般适用于单向流的海岸[1]。水平的扩散器喷嘴一般适用于水深较浅的海域。但在浅水域采用水平排放时，较下游更容易出现收缩卷吸断面，进而影响了污水云的宽度，使得扩散器的稀释度降低。因此，在采用水平的扩撒器喷嘴时，通常将扩散器的喷嘴设计为扇形，以便减少收缩断面的产生。

沿程扩散器适用于地形复杂且水流方向变化剧烈的海岸[1]。

交错扩散器适用于水流往复交替的潮汐水域[1]，扩散器喷嘴一般采用交错且方向相反的布置的方式，其喷嘴与扩散器轴线角夹角一般为±90°，交错型扩散器水平方向的排放总动量之和为零。

由于实际工程中海域环境变化多变，因此工程设计中可选取以上三种基本形式的组合形式。

扩散器的布置一般应与水流方向垂直，以便污水得到最大稀释度。通常，实际工程项目中采用T型、I型、Y型和曲线形的扩散器布置型式较为常见。

2 扩散器选型的基本条件

为使污水通过扩散器排放后，能有一个良好的稀释效果，扩散器的选型遵循的原则如下：

(1)扩散器的各喷口出流应均匀稳定；

(2)为防止泥沙淤积堵塞管道，管道中污水的设计流速需大于自净流速，应至少保证在高峰流量时，流速不小于0.9 m/s；

(3)尽量减小管道的水头损失，以便减少污水排海工程运行期间能耗和运行费用；

(4)设计时，计算扩散器的水头损失时，应考虑扩散器喷口富裕水头，防止运行期间海水倒灌；

(5)结合实际项目运行经验，通常扩散器喷口流速需控制在2.0～3.0 m/s之间；

(6)扩散器喷口直径通常控制在55～230 mm之间；

(7)为避免海水倒灌现象的发生，扩散器各喷口出流密度弗劳德数一般应大于l[2]；各喷口截面积之和与扩散管的截面积比一般不超过1/3～2/3；

(8)扩散器一般沿着水流方向沿程流量不断减小，为保证自净流速，使得扩散器的母管管径不断减小，致使扩散器必须采用变径连接。但其母管的变径不是越多越好，是由于在实际工程中，需要考虑施工安装难度及运行成本等因素，故变径的次数需要根据污水的处理程度、施工安装难度及出流均匀程度来综合考虑确定；

(9)一般需将扩散器的喷口射流控制在一个合适的角度，以便污水向各方向扩散，使其得到尽可能高的稀释度。扩散器的喷口射流角度一般取+10°或-10°为宜。

3 扩散器选型及校验

3.1 扩散器的选型

扩散器母管的长度是影响污水初始稀释扩散效果的一项重要因素。当污水排放规模的相同时，扩散器母管越长，扩散效果越好。在污水排海工程设计中，通常依照海域类别情况确定的初始稀释度，利用污水初始稀释度计算公式，计算出扩散器母管的长度[5]。然后借用软件模拟或物理模型试验，对拟定的扩散器进行验证，最终确定合理的扩散器选型。

下面以某污水排海项目为例，对扩散器长度的确定及校验进行说明。该工程基础输入参数：污水排海设计流量为10万m3/d(秒流量为1.157 m3/s)，设计最高水位标高为2.56 m，污水最大浮升高度为14.34 m，海水密度取1025 kg/m3，污水密度取990 kg/m3，初设稀释度取45。

目前，扩散器的长度设计计算方法尚不完善，虽然有一些经验公式，但计算成果相差较大。一般来说，当流体为均匀、静止流时，扩散管的长度可以根据工程所要求的初始稀释度[2]来确定，其表达式为：

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——扩散器单位长度的排放量，m3/(s·m)

根据海域对初始稀释度的要求，将扩散器单位长度排放量q=Q/Lb带入上式(1)中，得：

Lb=4.27QSc3/2h-3/2g’-1/2

(2)

式中：Lb——扩散器长度，m

Q——海水排放量，m3/s

带入相关参数，得：

Lb=4.27×1.157×453/2×14.34-3/2×0.246-1/2=55 m，结合选型基本条件要求取255 m。

喷口数的计算公式如下：

m=3LD/h=3×(255-5)/14.34=52

(3)

式中：LD——扩散器的有效长度，m

h——海水排放深度，m

m——喷口数量，个

喷口设计流速：V=2.5 m/s；

喷口平均流量：q1=0.02225 m3/s；

上升管设计流量：q2=0.0445 m3/s；

佛雷德数：

截面积比：

f=ΣAi/A0=52×0.00785/1.13=0.361(在1/3～2/3范围内)

通过以上理论分析计算并结合第三章相关约束条件，选取污水排海扩散器的类型为交错型(主要包括放流管，上升管和喷口三部分)，扩散器母管采用变径连接。本工程扩散器主管共分为五段，首段长62.5 m，管径为 DN1200，第二段长110 m，管径为 DN900，第三段长50 m，管径为 DN600，第四段长20 m，管径为 DN400，末段长12.5 m，管径为 DN300，扩散管总长度为255 m。主管上共设置26根上升管，管径统一为DN200，每根上升管采用双喷口设计，每个喷口设置1个DN100的鸭嘴阀[3]，其开口面积随流量的改变而变化，可有效防止海水的入侵[6]。

另外，为保证污水得到充分稀释，扩散器各喷口方向垂直于扩散器母管方向。每个上升管所设的喷口采用对称布置的方式，喷口射流角度向上，角度在10°左右[4]。

3.2 水力模型校验

利用PIPENET软件搭建水力模型，扩散器模型图见图4。并将前述扩散器相关基础参数及边界条件输入到模型中进行模拟计算。

图4 扩散器模型图Fig.4 Diffuser model diagram

通过PIPENET模拟计算，稳定后各喷口的流量、流速和相应的弗劳德数Fr如表1所示。

表1 扩散器模拟计算结果Table 1 Diffuser simulation calculation results

根据以上分析结果，所选扩散器的各喷口流量的不均匀度均小于3%，其表明该扩散器的喷口出流较均匀。同时，各喷口的佛汝德数Fr>1，满足要求。从而说明该扩散器选型是合理的。

4 结 论

本文通过理论计算分析确定了扩散器的基本选型，并采用PIPENET软件对污水排海扩散器的选型进行了模拟校验。模拟结果显示，各喷口流量和流速的出流均匀性良好。在实际的工程设计中，可考虑初步理论分析确定扩散器基本选型，再通过软件模拟分析校验的方法进行扩散器选型，以便提高设计工作的效率。