一种重力流长距离输水管道模拟装置及模拟方法与流程

本发明涉及水处理
技术领域：
，具体涉及一种重力流长距离输水管道模拟装置及模拟方法。
背景技术：
：随着我国经济发展及人民生活水平的提高，工业和生活用水量均不断增大，各种各样的取水工程也日益增多，其中不乏长度在十公里以上的重力流长距离输水管道。无论是淡水还是海水，由于其中生长着种类丰富、数量众多的水生物，特别是生长着繁殖能力很强的污损生物，使得输水管道不得不面对严重的生物繁殖和堵塞问题，对重力流长距离输水管道更是如此。此外，在长距离输水管道中，水源水中的溶解氧及某些营养性物质会由于水生物的消耗而减少，从而引起水质的明显变化。因此，明确水源水在重力流长距离输水管道中的水质变化情况以及水生物在管道中的生长、繁殖、迁移和耐药性等特性，无疑对控制输水水质和制定污损生物防除方案具有重要的工程参考价值。通常，为了工程设计和运行管理的需要，在重力流长距离输水管道建设之前就需要对水质变化特征以及水生物的生长和繁殖特性进行明确，因此借助长距离输水管渠的模拟设备进行相关实验研究存在技术上和经济上的必要性。然而，在已有的专利文献中，虽然已公开了有关长距离输水的模拟装置，但是对于重力流长距离输水管道，尤其是可能出现海洋污损生物繁殖的重力流长距离输水管道，其模拟的功能性存在显著不足。例如，发明专利申请(申请公布号：CN102392430A)就公开了一种长距离输水水质模拟装置，该装置主要模拟明渠中的水流在降雨、光照和温度等自然天气变化下的水质。显然，水质在开口明渠和封闭管道内的变化差异(例如水的复氧差异)决定了该装置应用于模拟长距离输水管道是不合适的。发明专利申请(申请公布号：CN105092808A)也公开了一种长距离输水管道模拟装置，该装置主要通过水泵向装置内充水，然后通过推流器推动水流在圆柱形球墨铸铁管道内流动，达到模拟水流长距离长时间流动的目的。但是，当该装置用于研究水生物生长和繁殖特性时，水泵叶轮和推流器对水生物，尤其是对污损生物的连续多次打击将不可避免，而这一点对重力流输水是不存在的，因此该专利申请所述的长距离输水管道模拟装置同样不能用于模拟重力流长距离输水管道。在实际重力流长距离输水管道中，水源水在封闭、黑暗的管道内流行时间越长，水中的各种成分将变化越大，水生物的生命活动也将明显变化。利用全新原理重新设计更加贴近实际工程环境的重力流长距离输水管道模拟装置，通过实验来研究输水管道中的水生物生长和繁殖情况就显得十分必要。技术实现要素：本发明解决的技术问题是：提供一种与实际工程环境贴近的重力流长距离输水管道模拟装置，实现在实验室中研究实际长距离输水管道中的水质变化情况以及水生物的生长和繁殖情况。具体来说，针对现有技术的不足，本发明提供了如下技术方案：一方面，本发明提供了一种重力流长距离输水管道模拟装置，所述模拟装置包括管道构件、支撑构件、驱动管道构件旋转的动力构件和测量构件，其中，管道构件包括环形模拟管道1、与环形模拟管道1相连通的注水管2和取样放空管5；支撑构件包括圆形托板6；动力构件包括变频驱动电机9以及与其相连的中心转筒8；测量构件包括超声波流量计4；其中，所述环形模拟管道1固定于圆形托板6的上表面；中心转筒8的一端延伸至圆形托板6中心的上方；环形模拟管道1上设有超声波流量计4。优选的，该装置还包括与管道构件相连的加压构件，所述加压构件包括相互连通的加压管3、空压机11和输气管12，以及位于环形模拟管道1上的压力表13。优选的，所述注水管2和取样放空管5均位于环形模拟管道1上；所述加压管3也位于环形模拟管道1上且与其相通；所述输气管12连接加压管3和空压机11。优选的，所述支撑构件还包括两端分别固定于中心转筒8和圆形托板6的托板支撑架7，以及框架10；所述变频驱动电机9固定在框架10的底面；所述中心转筒8与变频驱动电机9通过联轴器同心相连或者通过齿轮连接。优选的，所述注水管2、加压管3和取样放空管5上均设有塑料截止阀或球阀。优选的，所述注水管2、加压管3和取样放空管5与环形模拟管道1为可拆卸式连接。优选的，所述注水管2、加压管3和取样放空管5与环形模拟管道1为不可拆的固定连接。优选的，所述环形模拟管道1的材质、内壁粗糙度以及管内环境均模拟实际重力流长距离输水管道；其中，所述环形模拟管道1的材质选自钢管、塑料管、复合管或内涂水泥砂浆的钢管中的一种。优选的，所述圆形托板6和中心转筒8的材质包括不锈钢或涂刷防腐漆的碳钢钢材。另一方面，本发明提供了利用所述的输水管道模拟装置模拟测定实际重力流长距离输水管道内沿程水质变化及水生物生长和繁殖情况的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a.确定模拟对象：选定所要模拟的实际长距离输水管道；b.根据步骤a确定的模拟对象，选择环形模拟管道1的材质，确定环形模拟管道1内的水流相对速度以及不同流速下的流行时间；c.保持加压管3和取样放空管5上的阀门处于关闭状态，通过注水管2向环形模拟管道1内加满水源水和药剂，环形模拟管道1被注满后，关闭注水管2；d.往环形模拟管道1内加压；e.开动变频驱动电机9，使圆形托板6、中心转筒8和环形模拟管道1开始转动；f.当超声波流量计4的示数达到步骤b设计的水流相对速度时，固定变频驱动电机9的转速；g.到达取样时间节点时，关闭变频驱动电机9，通过取样放空管5取出水样并进行分析；h.重新开动变频驱动电机9，重复步骤e-g的操作；i.在所有时间节点取样结束后，打开取样放空管5将环形模拟管道1内的水放空。优选的，步骤d所述的加压方法为打开加压管3上的阀门，开启空压机11并调节空压机11以使压力表13的示数达到试验设定压力。优选的，所述试验设定压力值为0-0.2MPa。优选的，所述环形模拟管道1内的水流速度为0-1.5m/s。优选的，对所有取出的水样分析包括水质参数分析、药剂残留量分析和水生物活性分析。与现有技术相比，本发明的效果和益处在于：在实验室中利用弯成环形的管道模拟长距离输水管道，极大地降低了模拟装置造价。本装置利用环形管道转动时水流会与管道形成相对运动的原理，能够很好的模拟实际重力流输水状态，避免了利用水泵驱动水流时水泵叶轮对水生生物造成的冲击伤害。通过调节模拟管道的转动时间及管道内的压力，可以模拟水源水在重力流长距离输水管道内的流行时间以及管内水流的承压情况。因此，本装置具有较为贴近实际的模拟能力，能够模拟研究实际重力流输水管道内水源水沿程的水质变化和水生物的生长与繁殖情况。此外，本发明所述的模拟方法操作简单，与模拟装置结合具有较强的实用性。下面结合附图和各个具体实施方式，对本发明及其有益技术效果作进一步说明。附图说明图1为本发明所述模拟装置的横向直径剖面图；图2为本发明所述模拟装置的俯视图。图中的附图标记说明如下：1—环形模拟管道，2—注水管，3—加压管，4—超声波流量计，5—取样放空管，6—圆形托板，7—托板支撑架，8—中心转筒，9—变频驱动电机，10—框架，11—空压机，12—输气管，13—压力表。具体实施方式如上所述，本发明的目的在于提供一种重力流长距离输水管道模拟装置，更好的模拟实际工程环境，避免利用水泵驱动水流，实现重力流输水的模拟；通过实验室模拟实验研究实际重力流长距离输水管道中的水质变化及水生物的生长和繁殖情况。本发明提供了一种重力流长距离输水管道模拟装置，包括管道构件、支撑构件、驱动管道构件旋转的动力构件和测量构件。其中，管道构件包括环形模拟管道1以及与其相连通的注水管2和取样放空管5；支撑构件包括圆形托板6、托板支撑架7和框架10；动力构件包括中心转筒8和变频驱动电机9；测量构件均设于环形模拟管道1上，包括超声波流量计4和压力表13。此外，相互连通的加压管3、空压机11和输气管12组成模拟装置的加压构件。框架10为装置的基础框架，变频驱动电机9的一端固定于框架10内，另一端与中心转筒8通过齿轮连接或联轴器同心相连，而中心转筒8的另一侧延伸至圆形托板6中心的正上方，中心转筒8通过轴承固定在框架10上，托板支撑架7的两端分别固定在圆形托板6和中心转筒8上，环形模拟管道1固定于圆形托板6表面上，输气管12连接空压机11和加压管3。本发明所述重力流长距离输水管道模拟装置的工作原理为：模拟装置运行时，变频驱动电机9带动中心转筒8旋转，圆形托板6随中心转筒8以相同的角速度转动，环形模拟管道1随圆形托板6以相同的角速度转动，同时环形模拟管道1内的水源水也以一定的速度转动，但转动角速度和线速度均小于环形模拟管道1，产生了水流滞后于管壁的相对运动，而且环形模拟管道1的转速越大，水源水相对于管壁的相对运动就会大，即线速度差值就会大，而从可以模拟实际长距离输水管道中水源水的流动。实验时，可通过调整变频驱动电机9的转速使水源水与环形模拟管道1的相对运动速度等于实际长距离输水管道中水源水的流动速度。本发明利用弯成环形的管道模拟长距离输水管道，极大地缩短了模拟管道的长度，使模拟实验能够在实验室中进行，而且极大地降低了模拟装置造价。此外，本装置利用环形管道转动时水流会与管道形成相对运动的原理，避免了利用水泵驱动水流，从而较好地模拟了水生物在实际重力流输水管道中不会遭受水泵叶轮多次打击的实际情况，使模拟实验所反映出的水生物生长和繁殖情况能更好地与实际情况相符合。通过调节模拟管道的转动时间来模拟实验水源水在长距离输水管道中的流行时间，通过改变转动时间(即流行时间)，既可以考察不同长度的输水管道内水源水的水质从进口到出口的变化情况、水中药剂的残留情况和水生物生长与繁殖情况，还可以考察定长输水管道在某一处的水源水水质和水生物生长与繁殖情况。在一优选实施方式中，注水管2、加压管3和取样放空管5分别与环形模拟管道1形成三通管，且均以环形模拟管道1为主管，各支管的材质与主管相同，且支管上设有塑料截止阀或球阀。注水管2是环形模拟管道1的注水入口，水源水或加入水处理药剂的水通过注水管2加入到环形模拟管道1中。通过关闭阀门封闭管道，加压管3和空压机11相连，向环形模拟管道1内提供模拟水压。超声波流量计4用以测量环形模拟管道1内水源水的相对转速，取样放空管5用于采集水样进行水质监测，需要时可放空环形模拟管道1内的水源水形成放空管。压力表13监测环形模拟管道1内的水压。本装置通过调节环形模拟管道1的转动时间可在实验室实现模拟长距离输水管道，且提供与实际长距离输水管道相似的管道材料、内壁粗糙度以及无光封闭的管内环境。当实际管道采用钢管或塑料管材时，环形模拟管道1的材质与实际管道相同，且防腐材料也相同；当实际管道采用钢筋混凝土时，环形模拟管道1可用内涂水泥砂浆的钢管代替。在另一优选实施方式中，本发明提供了利用所述模拟装置模拟测定实际重力流长距离输水管道内沿程水质变化及水生物生长和繁殖情况的方法，该方法包括以下步骤:a.确定模拟对象：选定所要模拟的实际重力流长距离输水管道；b.根据步骤a确定的模拟对象，选择环形模拟管道1的材质，确定环形模拟管道1内的水流相对速度以及不同流速下的流行时间；c.关闭加压管3和取样放空管5上的阀门，通过注水管2往环形模拟管道1内加满水源水和药剂，然后关闭注水管2上的阀门；d.打开空压机11，通过输气管12和加压管3往环形模拟管道1内加压，压力表13的设定压力范围为0-0.2MPa；e.开动变频驱动电机9，圆形托板6、中心转筒8和环形模拟管道1开始转动；f.超声波流量计4的示数达到步骤b设计的水流相对速度对应的流量时，固定变频驱动电机9的转速；预设的水流相对速度范围为0-1.5m/s；g.到达取样时间节点时，关闭变频驱动电机9，通过取样放空管5取出水样，进行水质参数分析、药剂残留量分析和水生物活性分析；h.重新开动变频驱动电机9，重复步骤e-g的操作；i.在所有时间节点取样结束后，打开取样放空管5将环形模拟管道1内的水放空。利用本发明所述模拟装置进行模拟实验的操作简单，得出的结果贴近实际。因此，本发明提供的重力流长距离输水管道模拟装置能够很好的模拟实际工程中的重力流长距离输水管道，即能够模拟长距离输水管道的流行时间、水质变化、壁面粗糙度、静水压力和相对流行速度，可用于实验室模拟测定实际工程中长距离输水管道中沿程的水质变化和水生物生长与繁殖情况。实施例中所述重力流长距离输水管道模拟装置中所涉及的材料、仪器的型号、厂家如表1所示：表1实施例中材料、仪器的型号和厂家材料/仪器型号厂家环形模拟管道DN100，环形直径1.5m天津市钟狮塑料加工制作中心球阀DN25天津正源塑料制品有限公司塑料截止阀DN25天津正源塑料制品有限公司超声波流量计SITRANSFUP1010西门子股份公司圆形托板304不锈钢天津市钟狮塑料加工制作中心变频驱动电机YS8022型3.0kW天津市英龙机电设备制造有限空压机550W-8L出气压力台州市奥突斯工贸有限公司压力表全不锈钢耐震压力表天津赛伦自控仪表有限公司中心转筒直径0.5m，304不锈钢天津市钟狮塑料加工制作中心实施例1本实施例所述的重力流长距离输水管道模拟装置如图1和图2所示，该装置的组成包括环形模拟管道1、注水管2、加压管3、超声波流量计4、取样放空管5，圆形托板6、托板支撑架7、中心转筒8、变频驱动电机9、框架10、空压机11、输气管12以及压力表13。其中，环形模拟管道1以及与其相连通的注水管2和取样放空管5组成管道构件；圆形托板6、托板支撑架7和框架10组成支撑构件；变频驱动电机9和中心转筒8组成动力构件；加压管3、空压机11和输气管12组成加压构件；超声波流量计4和压力表13组成测量构件。框架10为立方体，是本装置的基础支撑构件，变频驱动电机9固定在框架10的底面上，其转子与中心转筒8同心相连，连接方式为联轴器连接，由此通过变频驱动电机9带动中心转筒8旋转。中心转筒8的顶端延伸至圆形托板6中心的正上方，框架10设有用于固定中心转筒8的轴承，中心转筒8上设有空压机11，空压机11随中心转筒8一起转动。托板支撑架7共4个，其两端分别固定在圆形托板6和中心转筒8上，因此圆形托板6会随中心转筒8一起转动。环形模拟管道1固定于圆形托板6表面上，随圆形托板6一起转动。由此可见，环形模拟管道1、圆形托板6、空压机11以及中心转筒8具有相同的转动角速度。环形模拟管道1上设有注水管2、加压管3、超声波流量计4、取样放空管5和压力表13。注水管2、加压管3和取样放空管5分别与环形模拟管道1形成三通管，且均以环形模拟管道1为主管，各支管的材质与主管相同，均为DN100碳钢管道。注水管2和超声波流量计4位于环形模拟管道1的横向直径的左右两端，取样放空管5位于环形模拟管道1的最右端。注水管2是环形模拟管道1的注水入口，水源水或加入水处理药剂的水通过注水管2加入到环形模拟管道1中，注水管2上设有球阀，环形模拟管道1封闭时需将该阀门关闭。超声波流量计4的测定范围为0m3/h-42.39m3/h，配套的环形模拟管道1的管径为100mm。因此，水源水相对环形模拟管道1的相对运动速度的调整范围为0m/s-1.5m/s。取样放空管5用于采集水样进行水质监测，需要时可作为放空管放空环形模拟管道1内的实验用水。取样放空管5上设置有塑料截止阀，封闭环形模拟管道1时需将该阀门关闭。压力表13和加压管3分别位于环形模拟管道1的纵向直径的前后两端，压力表13的耐腐蚀性强，不仅适用于淡水运输，也可用于海水运输管道中的压力指示。输气管12连接加压管3和空压机11，位于环形模拟管道1的同一条直径上，避免了转动时输气管缠绕。空压机11通过压缩空气获得的压力经由输气管12传到加压管3，进而提供环形模拟管道1内的水压，且空压机11的出口压力可以调节。加压管3上设有球阀，为环形模拟管道1内部提供水压时，将加压管3上的球阀打开。压力表13用于监测环形模拟管道1内实验用水的压力值。在所述装置中，圆形托板6、托板支撑架7、中心转筒8和装置框架10的材质为不锈钢。本实施例所述的输水管道模拟装置利用在环形管道转动时，水流与管道形成相对运动的原理，通过调节变频驱动电机9的频率改变转速，调整环形模拟管道1内水流与环形模拟管道1的相对运动速度，结合空压机11和加压管3向环形模拟管道1内提供水压，本装置能有效模拟实际工程中重力流输水管道中的水流，用以研究实际重力流输水管道内的沿程水质变化及水生物生长和繁殖情况。实施例2利用重力流长距离输水管道模拟装置研究一定剂量的次氯酸钠杀生剂随海水在重力流长距离管道中的浓度衰减情况。装置模拟河北沿海某地约25km重力流钢筋混凝土输水管道，管道内水流设计流速为0m/s～1.50m/s，最大流速时的流行时间为277.8min。实验水源水取自河北沿海某地工程海域，水源水的水质参数如表2所示。表2水源水的水质环形模拟管道1采用DN100碳钢管道，其加工过程是通过分段弯曲加工焊接而成，管内壁手涂水泥砂浆以模拟钢筋混凝土管道内壁。试验时，保持取样放空管5和加压管3上的阀门为关闭状态，将实验海水通过漏斗由注水管2注入环形模拟管道1内，同时按照5.20mg/L的有效氯浓度加入次氯酸钠。待环形模拟管道1注满后，关闭注水管2上的阀门。打开加压管3上的阀门，开启空压机11，并不断调整空压机11上的出气阀使压力表13示数达到0.12MPa。开动变频驱动电机9使圆形托板6、托板支撑架7、中心转筒8和环形模拟管道1开始转动，待超声波流量计4示数达到试验设计流量11.87m3/h(相对流速0.42m/s)时，固定变频驱动电机9转速，然后开始计时。达到取样时间节点时，关停变频驱动电机9，并迅速打开取样放空管5取出适量水样，然后关闭取样放空管5并重新开启变频驱动电机9，调节变频驱动电机的转速使管内的相对流速达到设定值0.42m/s，继续进行试验，直到全部取样节点取样完毕。对所取水样进行余氯分析，得到次氯酸钠杀生剂在环形模拟管道1内水流相对速度为0.42m/s下流行不同时间后的残留量(余氯值)如表3所示。表3海水在流行不同时间后的余氯值由表3的数据可知，随着海水在管道内流行时间的加长，其中的氯含量不断下降，这与实际工程中重力流长距离输水管道中应用含氯消毒剂后管道内水中的余氯变化相似，因此，利用本发明所述的重力流长距离输水管道模拟装置在实验室内模拟研究实际工程中的输水管道内水质变化是可靠的。通过调节变频驱动电机9的转速，控制环形模拟管道1内水流的相对流速，可以模拟重力流管道内不同流速下的水质变化及水生物生长和繁殖情况。本装置提供了贴近实际的模拟环境，具有较强的模拟能力。以上通过实施例描述了本发明的具体实施方式，本领域技术人员应理解的是，上文实施例仅出于举例的目的，不应认为以此限定本发明之保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明精神的前提下可以对其进行修改、变化或替换，但是，依照本发明所作的各种等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。当前第1页1 2 3