預淨化水力自動選擇性取水裝置的製作方法
2023-09-19 02:30:00 3
專利名稱：預淨化水力自動選擇性取水裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於水庫取水技術領域，涉及一種取水裝置，具體是一種可混凝沉澱預淨化的具有自調節取水深度的預淨化水力自動選擇性取水裝置。
背景技術：
深水型湖庫長期處於靜水狀態，受太陽輻射傳熱，形成縱深向溫度差，並引起湖庫在縱深向的密度分層。水體分層分為正向分層和逆向分層。正向分層一般發生於夏秋季， 湖庫表層水受到強烈太陽輻射和大氣傳熱，溫度升高密度降低，下層太陽輻射較弱，熱傳導速率低，水溫低密度較大，形成了上輕下重、上暖下冷的正向水體穩定分層；而在冬季，太陽輻射較弱，下層水溫維持在4°C左右，密度較大，上層水溫受外界氣溫影響降低，密度較小， 形成上冷下暖的逆向分層。水體溫度、密度分層阻礙了上下層水體的循環交換和物質傳遞，至上而下形成了變溫層、躍溫層、同溫層，導致湖庫水質惡化。在深水型湖庫中，躍溫層以下的水體由於缺氧而處於還原態，使底部汙泥中的高價鐵、錳還原為低價態，溶解於水中，底層的鐵、錳含量增加；在外界暴風雨等擾動引起的沉積物懸浮而產生的磷釋放，並隨著溫度的升高而增加，為藻類的生長和繁殖創造了有利的條件；深水型湖庫大多屬於年調節水庫，水力停留時間長， 流速小，外界環境影響大，加上洪水攜帶的濁質、天然腐殖質及合成有機物等外來汙染物的影響，為浮遊植物的生長提供了大量的氮磷營養鹽，嚴重時會產生水華現象。所以，湖庫的縱深向水質分層使得在不同深度上的水質參數亦不相同，縱向的水質差異為選擇性取水提供可能性。特別是在雨季或翻庫時，水體濁度較大，增加了水廠的處理難度。雨季時，外來的洪水攜帶著濁質、天然腐殖質及合成有機物進入湖庫，擾動了庫區原有的穩定的水質分層體系，洪水潛流層的汙染物垂向傳質擴散，形成縱向循環，使中上層水體濁度增大，為水廠的處理帶來不便；翻庫發生於年初或年底的季節交換時，隨著熱輻射的改變，表層水體與中下層水體的密度差逐步減小，直到表層水密度大於下層水而下潛，形成上下水體混合的現象，即翻庫。翻庫導致了水庫周期性汙染，使庫底的沉積物上翻，並釋放出鐵，錳，硫等金屬離子，造成水體汙染，濁度增加。湖庫水質分層決定了縱向選擇性取水。在夏季，表層水中浮遊藻類生長旺盛，取此層水會導致原水中藻含量增加，水廠淨水費用增加，供水水質安全性降低，而底層的水較冷、貧氧且含有高濃度的鐵、錳和硫化氧；在冬季，表層水較冷、藻類含量低，對於低溫低濁的原水，水廠處理困難和成本高。有研究表明，水庫不同深度水的溫度、密度、pH、濁度、鐵錳、氮磷以及C0D、浮遊生物量等水質指標不同，並且隨時間、空間、外界環境和水位的變化而遞變。以往的表層取水不能夠滿足以安全、經濟為目標的給水廠要求，因此需根據季節、 水位的變化，縱向選擇性取水或取不同深度的混合水，這樣可解決固定高度取水口的存在明顯不足，從而得到易於處理的原水，通過常規工藝降低水廠出水的濁質、無機汙染物以及細菌、藻毒素的濃度達到徹底處理的效果。
針對深水型湖庫水質分層特徵，已有的取水設施存在如下不足I)取水位固定，調節取水高度受限。已有的取水設施的取水口是固定在指定高程或水深的，針對深水型湖庫隨季節、水位和外界環境等因素影響的季節性分層現象，單個表層取水口或多個固定取水口與其特性變化不相適應，難以取得分層水庫中易於處理的優質水，不能有效降低水廠處理水成本。例如，浮力板型裝置和機控圓筒式分層取水裝置只能取表層水。2)無預淨化功能。針對原水濁度偏高，水廠難處理的問題，現有的取水設施取得的原水已不能滿足水廠的進水要求，給水廠增加了處理負荷。對混濁原水進行預淨化，降低水處理成本，是現有取水設施所缺乏的功能。3)建設費用昂貴、結構複雜、易出故障。傳統的塔(井)式分層取水構築物主體結構全部由鋼筋混凝土構成，且建在水庫最深、距離大壩一定距離處，由過水塔井、數道隔水門、工作閘門及岸邊至取水塔高空工作橋組成，體積龐大，建設複雜且周期長，費用昂貴。4)建設期受限。常規水庫分層取水裝置需要與水庫大壩同期施工修建。當水庫工程建成蓄水後，將深孔取水設施改建為分層取水構築物，挖豎井施工法、半放空水庫水等方法使用範圍有限、不安全，造成水資源的巨大浪費，且施工工期較長、工程投資大，受水庫水位、地質地形、氣候、施工、水庫功能需要等限制，因而困難重重。5)取水機械控制複雜，耗電不節能。塔(井)式、斜臥式、圓筒式分層取水裝置的機械控制啟閉閘門結構複雜，閘門的開閉由卷揚機拉動，卷揚機裝機容量大，啟動電流大， 瞬間能耗大，非啟閉期間變壓器容量及設備閒置，維護工作量大，成本高。6)難以實現三維空間內多點式取水。已有研究表明，在暴雨、風、湖庫入流及大壩折射等作用下，湖庫平面上各點的水質分布不同，並且由於溫度變化導致湖庫的縱向水質分層，如在夏秋季，湖庫表面上的藻類隨風飄移，經常出現取水塔周邊表層富集藻類的現象；在冬季湖庫表層水溫低、濁質少、中下層水溫較高、濁質較多。對於上述的平面水質分布不均或縱向水質分層的現象，已有的取水設施不能滿足三維空間內多點式取水。
發明內容
針對雨季原水濁度較大，水廠處理難以及現有的取水設施結構複雜、耗能較高、施工受限，已建的分層取水塔存在平面及縱深向取水水質調節不靈活等缺陷，本發明的目的在於，提供一種預淨化水力自動選擇性取水裝置，該裝置可自調節取水深度，且結構簡單、 節能、取水頭部縱向上調節靈活，能夠在已建成水庫施工安裝。為了實現上述任務，本發明採取如下的技術解決方案一種預淨化水力自動選擇性取水裝置，其特徵在於，主要包括取水頭部、支撐架、 混凝土錨固墩、輸水管、加藥管、工作檯和操作間；所述的取水頭部為圓柱形整體，自上而下分別為平衡浮箱、調節水箱、設備間和混凝池；其中，平衡浮箱為密閉不鏽鋼製空箱，與調節水箱用不鏽鋼板隔開；調節水箱內置兩套裝有防水電動閥的進水管和連接潛水泵的出水管，防水電動閥與潛水泵由防水電源線連至操作間進行控制；設備間中裝有加藥管；混凝池一側有取水口，另一側連接放水管，在混凝池的中間設有擋板，取水口的上方裝有混凝劑噴口，混凝劑噴口與加藥管相連；
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取水頭部的外邊緣有三根縱向的支撐架，該支撐架採用H型鋼製成，在H型鋼的凹面上固定有滑道，支撐架的上端為工作檯，下端由混凝土錨固墩固定於湖庫底部；三根支撐架的縱向上每隔一定距離用圓形箍筋加固；取水頭部外邊緣有三個凸面，該凸面和H型鋼的凹面相配合，凸面有滑片，滑片位於滑道內，使得取水頭部可在支撐架上下滑動；取水頭部上的放水管通過法蘭依次與金屬波紋管、PE輸水管和堤岸上的固定式輸水管相連接，金屬波紋管的後半部分和PE輸水管每相隔一定距離用管卡分別與浮塊和混凝土墜塊相連接，固定式輸水管進入操作間，並連接真空泵接口和真空破壞器，在操作間內還設有電源控制開關和混凝劑注入端。本發明的預淨化水力自動選擇性取水裝置，可自由調節取水頭部高程、對原水預淨化、結構簡單、節能，且安裝方便。具體為I)可取得湖庫優質水層的原水。利用可攜式水質現場分析儀器或分層取樣實驗室分析水質，確定湖庫優質水層深度，通過改變調節水箱中儲水量，使取水頭部上下浮動， 調節取水口高度至優質水層。如在夏秋季，湖庫表層藻類較高，而下層汙染物和濁質濃度較高，下沉取水頭部，可取湖庫中間層的優質原水；在洪水期，洪水潛流入湖庫，導致湖庫一定範圍內中間層汙染物及濁質濃度很高，可上浮取水頭部取表層原水。2)可對原水預淨化。由於暴雨、翻庫等外界環境影響，使水庫的原水濁度增大，造成水廠處理成本增加。針對這一問題，本發明在取水頭部設置了混凝沉澱的預淨化裝置，原水進入取水頭部與混凝劑完全混合，在U形混凝池中混凝沉澱，對高濁水在進廠前提前淨化，緩解輸水管的運輸負荷，減小水廠的處理成本。3)建設成本低，操作使用方便。預淨化水力自動選擇性取水裝置無需工作橋等水面附加設施，減少了大量的鋼筋混凝土材料，與現有水庫的機控取水塔相比，不用在水面上實時操作，在大壩上的操作間即可實現裝置操作，減小了不安全因素，且操作間中設備操控簡單、方便，不需實時操作。4)裝置裝機少，容量小，節能。其核心為一整體式取水頭部，其中兩套防水電動閥和潛水泵為裝置僅有的機控，無需使用卷揚機、變壓器等大容量的機控設備，有效的減小了裝置裝機容量，且小流量的潛水泵和防水電動閥用電量很小，降低了後續運行費用。因此預淨化水力自動選擇性取水裝置與傳統機控取水塔相比，能有效降低維護、動力費用，減小裝置容積。5)可取湖庫三維空間內的優質原水。由於湖庫入流、大壩折射、風作用下藻類漂浮等外界因素引起的湖庫平面上水質不均，或溫度變化導致冬季湖庫表層水溫低、濁質少、中下層水溫較高、濁質較多等縱向水質分層，本發明可針對上述的湖庫在水平面和縱向面的水質分布特徵，將多個預淨化水力自動選擇性取水裝置安裝於湖庫常年優質原水區域內， 通過開啟或關閉部分預淨化水力自動選擇性取水裝置或調節多個取水裝置的取水頭部，來實現取湖庫三維空間內優質原水的目的，有效的降低了水廠處理難度，提高處理效率。6)安裝方便，不受施工工藝條件限制。大多數早期選擇性取水設施與水庫大壩同期建成，在水庫蓄水之前需建設完畢，施工複雜。如果在建成水庫或湖泊中建設或改造水下混凝土取水設施，施工過程複雜且受施工工藝條件、水位等限制，且施工工期較長。而預淨化水力自動選擇性取水裝置，結構簡單，可實現裝置分段加工，現場組裝，在湖庫不同高度水位條件下，均可在湖庫表面從裝置底部依次向上組裝，並逐漸下沉輸水管，施工過程簡單快捷，不需要圍堰或排水，不受施工時間、季節、施工工藝條件等影響。
圖I是本發明的預淨化水力自動選擇性取水裝置的結構示意圖。圖2是本發明中取水主體的正面結構示意圖。圖3是本發明水箱充水時(裝置下沉時)的工況示意圖。圖4是圖2中水箱和支撐架的1-1剖面圖。圖5是取水頭部的結構示意圖。圖6是各法蘭連接詳圖。圖7是採用多個預淨化水力自動選擇性取水裝置取水示意圖。圖中的標號分別表示1、平衡浮箱，2、調節水箱，3、進水管，4、出水管，5、潛水泵， 6、混凝池，7、取水口，8、擋板，9、混凝劑噴口，10、支撐架，11、設備間，12、混凝土錨固墩，13、 放水管，14、放水管與金屬波紋輸水管的連接法蘭，15、金屬波紋管，16、金屬波紋輸水管與 PE塑料輸水管的連接法蘭，17、PE塑料輸水管，18、PE塑料管與固定式輸水管的法蘭，19固定式輸水管，20、管卡，21、浮塊，22、滑道，23、聚四氟乙烯滑片，24、防水電源線，25、電源控制開關，26、混凝劑注入端，27、真空泵接口，28、真空破壞器，29、防水電動閥，30、工作檯， 31、操作間，32、加藥管，33、箍筋，34、固定架。下面結合說明書附圖和實施例對本發明的結構、功能和工作原理作進一步詳細說明。
具體實施例方式參見圖1，圖I給出了一種預淨化水力自動選擇性取水裝置，適用於對濁度較大的原水進行混凝沉澱預淨化，同時通過改變水箱重力調節取水頭部高度。預淨化水力自動選擇性取水裝置主要包括取水主體、傳輸管線和操作間三部分。 取水主體包括水面工作檯30、取水頭部、支撐架10、箍筋33、固定架34和混凝土錨固墩12， 是本發明的核心部分，可實現縱深向靈活調節取水；傳輸管線是輸水管(金屬波紋管15、PE 塑料輸水管17、固定式輸水管19)、加藥管32和防水電源線24的總稱；操作間31內布置有電源控制開關25、混凝劑注入端26、真空泵接口 27、真空破壞器28，主要為取水主體提供電能、混凝劑，以及控制其取水深度。工作檯30設置在支撐架10的頂端，高於湖庫的最高水位。為預淨化水力自動選擇性取水裝置的檢修提供工作平臺，同時防止取水頭部在水位過高時脫離支撐架10，並強化支撐架10的穩定性。取水頭部是由不鏽鋼焊制而成的圓柱形整體，自上而下的功能區為平衡浮箱I、調節水箱2、設備間11、混凝池6。如圖1、2所示。其中平衡浮箱I為密閉的圓柱形空箱，和浮塊21共同產生的浮力應大於取水頭部和金屬波紋管15充水時、以及調節水箱2排空時取水頭部和金屬波紋管15的總重力，使取水頭部浮於水體表層，固定取表層水。調節水箱2是具有一定真空度的圓柱形水箱，其中設置兩組進水管3和出水管4，以便快速充排水，如圖3、4所示，進水管3在水箱的上端，其上安有防水電動閥29，出水管4 在下端，由潛水泵5控制出水。如果需要降低取水口 7高程時，打開兩個防水電動閥29，對調節水箱2快速充水，充水一定量時取水頭部、金屬波紋管15和浮塊21的浮力和重力達到平衡，繼續充水，打破現有的平衡，使取水頭部在多餘充水的重力作用下向下移動，直至達到優質水層，關閉兩個防水電動閥29，同時打開兩個潛水泵5迅速排水至取水頭部、金屬波紋管15和浮塊21的浮力和重力重新達到平衡；反之，升高取水口 7高程時，先排水至取水頭部到達特定水層，再充水建立新的平衡。設備間11中僅裝有加藥管32，加藥管32的終端為通向混凝池6的混凝劑噴口 9 ； 混凝池6的中間加一擋板8，使原水與混凝劑的接觸時間增長，原水從取水口 7進入混凝池 6並與上端注入的混凝劑完全混合，原水向下流動，繞過擋板8後向上折返，由放水管13進入輸水管道。取水頭部的外邊緣有三根縱向的支撐架10，支撐架10是具有一定抗彎強度的H型鋼架。如圖4所示，取水頭部外邊緣有三個凸面，該凸面和H型鋼的凹面相配合，凸面有滑片23，滑片23位於滑道22內，取水頭部滑動於三根H型支撐架10之間，在H型鋼的凹面上固定有滑道22，使得取水頭部在三根H型支撐架10縱向上自由滑動。三根H型支撐架10 在縱向上相隔一定距離用箍筋33加固，在支撐架10的底部(劣質水域)用固定架34加固底座，使支撐架10整體的抗彎強度增加。混凝土錨固墩12是取水主體在湖庫中平穩垂直固定的基礎。其大小、重力應根據風、水流荷載和取水主體最大重量(取水、調節水箱2充水時)計算。金屬波紋管15、PE塑料輸水管17和固定式輸水管19組成裝置的輸水系統。如圖6所示，混凝池6上的放水管13下端通過法蘭依次連接金屬波紋管15和PE塑料輸水管 17，連接金屬波紋管15和PE塑料輸水管17間隔一定距離用管卡20分別與浮塊21和混凝土墜塊固定連接，PE塑料輸水管17與壩上固定式輸水管19連接，壩上固定式輸水管19上連接真空泵接口 27和真空破壞器28。金屬波紋管15和PE塑料輸水管17是可縱向移動的取水頭部與壩上固定式輸水管19連接紐帶。金屬波紋管15為取水頭部可上下調節提供了有力保障，並防止湖庫水流波動時造成輸水管變形、破壞；PE塑料輸水管17具有高撓曲性，其作用為了避免庫底及大壩水下部分的輸水路在安裝、沉降過程以及水流衝刷產生的管道損壞。金屬波紋管15上的浮塊21有三個作用。其一，防止金屬波紋管15隨著取水頭部的下滑沉降於湖庫底部，進而破壞平衡浮箱I和浮塊21產生的浮力與取水頭部和金屬波紋管15的重力平衡；其二，避免金屬波紋管15受水流衝擊產生的上下波動，防止被湖庫底部的廢物纏繞；其三，浮塊21所產生的浮力可減小平衡浮箱I的容積，使取水頭部總體積縮小。浮塊21的大小和數量應根據金屬波紋管15進水時的總重量確定，若浮塊21過大且數量較多，會使取水頭部下滑困難，增加調節水箱2容積。所以，在現實工程中需要詳細計算整體、局部的浮力和重力來確定浮塊21的總浮力，再由金屬波紋管15的長度確定浮塊21 的大小和數量，使取水頭部的總容積最小。由於金屬波紋管15的重心在其後半段，所以多數浮塊21應分布在金屬波紋管15的後段。如圖I所示，操作間31安裝有真空泵接口 27、真空破壞器28組成的取水啟動設備，電源控制開關25作為調節取水頭部高程的控制裝置，以及連接加藥管32終端的混凝劑注入端26預淨化加藥裝置。防水電源線24和加藥管32沿著放水管13、金屬波紋管15、PE 塑料輸水管21和固定式輸水管19布置，並在各輸水管上的管卡20固定。本發明的預淨化水力自動選擇性取水裝置有五個運行工況第一工況取表層水。當水位上升或下降時，取水頭部隨水位上下移動，平衡浮箱 I和浮塊21產生的浮力大於取水頭部和金屬波紋管15的重力，保證了取水頭部能取得水面以下固定深度的水；第二工況取水頭部向下移動取優質水層水。水平衡浮箱I進行快速充水一定量時，取水頭部、金屬波紋管15和浮塊21的浮力和重力相等達到平衡，如圖3所示，繼續充水，使上述受力體的重力大於浮力，取水頭部在多餘重力的作用下向下移動，直至優質水質時，迅速排水達到新的平衡，取水頭部停止向下移動；第三工況取水頭部向上移動取優質水層水。水平衡浮箱I快速排水，取水頭部在浮力的作用下向上移動，直到優質水質時，迅速充水達到新的平衡，取水頭部停止移動；第四種工況取縱向面混合水。如圖7所示，需要取縱向面混合原水時，在湖庫平面設置多個預淨化水力自動選擇性取水裝置，各取水裝置在湖庫的不同高度上運行取水， 輸水管匯集到同一個集水池中，達到取湖庫多個不同深度水層混合優質原水的目的。第五種工況取水平面混合水。如圖7所示，需要取湖庫平面範圍內的優質水，關閉或調節處於非優取水區的預淨化水力自動選擇性取水裝置，最終匯入集水池，達到規避汙染和實現平面區取優質水的目的。該預淨化水力自動選擇性取水裝置可在建成的湖庫安裝，不需要圍堰或排水，不受水位、施工時間、季節等影響，關鍵的安裝步驟如下在湖庫水面上組裝本發明的預淨化水力自動選擇性取水裝置的水面安裝平臺，在岸邊現澆混凝土錨固墩12，並將一節支撐架10固定其中，用固定架34加固；把已成一體的凝土錨固墩12和一節支撐架10與其餘支撐架10逐節焊接豎直沉於湖庫底部，沉降的同時每隔一定距離用箍筋33加固；金屬波紋輸水管15 —端與放水管13連接，另一端與PE塑料輸水管17連接，在PE塑料輸水管17下相隔一定距離裝混凝土墜塊，並均勻的沉降到庫底； 同時，在安裝平臺上將取水頭部置於支撐架10之間，在金屬波紋輸水管15指定位置上裝浮塊21,均勻的沉入湖庫中,最後固定工作檯30。
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權利要求
1.一種預淨化水力自動選擇性取水裝置，其特徵在於，主要包括取水頭部、支撐架(10)、混凝土錨固墩(12)、輸水管(17)、加藥管(32)、工作檯(30)和操作間(31)；所述的取水頭部為圓柱形整體，自上而下分別為平衡浮箱(I)、調節水箱(2)、設備間(11)和混凝池(6);其中，平衡浮箱⑴為密閉不鏽鋼製空箱，與調節水箱⑵用不鏽鋼板隔開；調節水箱(2)內置兩套裝有防水電動閥(29)的進水管(3)和連接潛水泵(5)的出水管(4)，防水電動閥(29)與潛水泵(5)由防水電源線(24)連至操作間(31)進行控制；設備間(11)中裝有加藥管(32);混凝池(6) —側有取水口(7)，另一側連接放水管(13)，在混凝池(6)的中間設有擋板(8)，取水口(7)的上方裝有混凝劑噴口(9)，混凝劑噴口(9)與加藥管(32)相連；取水頭部的外邊緣有三根縱向的支撐架(10)，該支撐架(10)採用H型鋼製成，在H型鋼的凹面上固定有滑道(22)，支撐架(10)的上端為工作檯(30)，下端由混凝土錨固墩(12) 固定於湖庫底部；三根支撐架(10)的縱向上每隔一定距離用圓形箍筋(33)加固；取水頭部外邊緣有三個凸面，該凸面和H型鋼的凹面相配合，凸面有滑片(23)，滑片 (23)位於滑道(22)內，使得取水頭部可在支撐架(10)上下滑動；取水頭部上的放水管(13)通過法蘭依次與金屬波紋管(15)、輸水管(17)和堤岸上的固定式輸水管(19)相連接，金屬波紋管(15)的後半部分和輸水管(17)每相隔一定距離用管卡(20)分別與浮塊(21)和混凝土墜塊相連接，固定式輸水管(19)進入操作間(31)，並連接真空泵接口(27)和真空破壞器(28)，在操作間(31)內還設有電源控制開關(25)和混凝劑注入端(26)。
2.如權利要求I所述的預淨化水力自動選擇性取水裝置，其特徵在於，所述的滑片 (23)採用聚四氟乙烯製成。
3.如權利要求I所述的預淨化水力自動選擇性取水裝置，其特徵在於，所述的輸水管 (17)採用PE塑料管。
4.如權利要求I所述的預淨化水力自動選擇性取水裝置，其特徵在於，所述的工作檯 (30)的聞度聞於湖庫的最聞水位。
全文摘要
本發明公開了一種預淨化水力自動選擇性取水裝置，包括取水頭部、支撐架、混凝土錨固墩、輸水管、加藥管、工作檯和操作間；其中取水頭部為圓柱形整體，自上而下分別為平衡浮箱、調節水箱、設備間和混凝池；調節水箱內置兩套裝有防水電動閥的進水管和連接潛水泵的出水管，設備間中裝有加藥管；混凝池有取水口和放水管，在混凝池的中間設有擋板，取水口的上方裝有混凝劑噴口；支撐架的上端為工作檯，下端由混凝土錨固墩固定於湖庫底部，取水頭部可在支撐架上下滑動，自由調節取水高程；取水頭部上的放水管通過法蘭依次與金屬波紋管、PE輸水管和堤岸上的固定式輸水管相連接，裝置結構簡單，且安裝方便。
文檔編號E03B3/04GK102587450SQ201210056778
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者盧金鎖, 張博 申請人:西安建築科技大學