濱海電廠抑泡消能技術研究及應用

江長平 李波

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 廣東廣州 510663）

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

一期工程機組運行后，在循環水排水口產生大量泡沫，順流在附近海域擴散，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補救措施，每年費用超過300萬元。二期工程循環水水源、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，避免二期工程投運后循環水排水泡沫對環境影響。

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生和液體中挾氣濃度的具有一定的直接相關關系。

1.1 氣泡的產生

氣泡的產生，可能有下面4個方面原因：（1）流動水體中的氣泡，通常情況下絕大多數是由于高速流動的水體所產生的自摻氣，或水流跌落等產生水面翻滾而把空氣卷吸帶入水中。高速水流摻氣的原因，比較公認和符合實際的解釋是：紊流邊界層的理論——這一理論認為紊流邊界層的厚度發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點沿粗糙壩面溢流而下而發生紊流邊界層，當紊流邊界層厚度發展到水面C點時，由于水流的高度紊動，水流表面的液體質點有橫向運動，若其動能大于克服表面張力約束所作用的功，則液體質點必越出液面，在回落時，帶入了空氣。空氣入水后形成氣泡，氣泡隨水流紊動挾帶而下，形成摻氣水流。水流是否摻氣可由自摻氣長度Lc判斷，Lc的計算方法較多，希柯克斯在混凝土溢流壩的原體觀測中得到下列簡單的經驗公式。（2）水流跌落水墊塘（如虹吸井）產生水躍翻滾所卷吸入的空氣，波浪回卷帶入的空氣等，是造成水中產生大量氣泡的原因。（3）水流內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，當水流中壓強降低至蒸汽壓強或溫升到沸點時，氣核便膨脹長大，大到人的肉眼可以看得見的程度，也就是水力學上通常所說的水流中發生氣穴現象。通常情況下，由此產生的氣泡是極少量的。（4）水中摻入某種物質并與之發生化學或物理作用而成泡。

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，但流場中紊動引起的剪切應力，又可能把大氣泡撕裂成小氣泡。如此之結果，可以推斷其存在一臨界尺寸的氣泡，它相應于表面張力和流體剪切應力的平衡。

1.2.2 水流挾氣濃度

陡槽中高速水流產生的摻氣量的經驗計算公式較多。而跌落至水墊塘后產生水躍翻滾卷吸入的空氣量則較少有人進行過測量和研究，類似的研究只有伊爾范和艾爾沙威曾進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生水躍卷吸入的空氣，形成挾氣水流，其相對摻氣量β 應與單寬流量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，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動，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，水墊塘中的水流經過一段距離后，所有氣泡都逸出了水面而恢復清水狀態，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。紊流中因紊動作用，氣泡的上升速度會有所降低，二者關系為：

式中a為經驗變數。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，則其上升速度會大大降低，La亦會大大加長。

1.2.4 氣泡的穩定性

清水中的氣泡上逸至水面后，由于表面張力和大氣壓強的作用，立刻就會潰滅。表面張力愈小，氣泡潰滅時間愈長。氣泡的穩定性與很多因素有關，通常情況下就有下列幾種情況：（1）液體的粘度愈大，氣泡愈穩定。日常生活所見到的，水面若有粘度較大的油性物質，則氣泡浮至水面后可穩定較長時間。（2）水中若有懸浮物，氣泡吸附在其表面上，亦可使氣泡的穩定性增強。很典型的例子，由于風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，可增強氣泡的穩定性。

1.3 濱海電廠循環水排水泡沫成因

1.3.1 電廠循環水排水主要特性

1.3.1.1 水量大：為降低汽機背壓，提高機組發電效率，A電廠百萬機組單機循環水量約32m3/s，2臺機組每日循環水水量達550×104m3，與千萬級人口特大城市市政用水量相當。

1.3.1.2 虹吸井內跌水：為降低循環水泵揚程、保持凝汽器內真空度，直流供水系統需設置虹吸井，因循環水排出口外海潮位變化，虹吸井內不可避免會產生跌水，跌水高度隨外海潮位變化在一定范圍內波動，A電廠二期工程虹吸井原設計方案堰后跌水高度介于1.0m~3.6m之間。

1.3.1.3 排水水質有利于增強泡沫穩定：A電廠循環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體等懸浮物表面，浮至水面后氣泡潰滅時間大大增長，加之水中的殺生劑等表面活性劑的作用，使泡膜更加穩定，大量的氣泡聚集而成泡沫。

1.3.2 循環水排水泡沫成因

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，而氣泡的穩定性增強則是泡沫形成的必要條件，兩者缺一都不可能產生泡沫。

A電廠循環水排水產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。而促使氣泡潰滅時間變長，穩定性增強，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體等懸浮物表面，浮至水面后氣泡潰滅時間大大增長，加之水中的殺生劑等表面活性劑的作用，使泡膜更加穩定，大量的氣泡聚集而成泡沫。

2 循環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遵循以下原則：（1）抑泡措施不應影響循環水系統的功能要求，即抑泡措施不應影響循環水對凝汽器的冷卻功能，不應增加循環水泵的揚程；（2）抑泡措施應通過物理的方法來達到減泡、防泡的目的；而不研究化學的消泡方法，因為化學方法必然要產生二次污染；（3）抑泡措施應適應循環水系統在不同運行工況時流量變化的要求；（4）抑泡措施應適應循環水系統在不同潮位條件下的要求；（5）二期工程抑泡措施應兼顧一期工程循環水系統抑泡改造的需求；（6）抑泡措施應盡量減小工程造價，技術經濟最優化。

2.2 抑泡措施的工程設計原則

根據上述泡沫成因分析，剔除無法改變的水質、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，減少甚至杜絕循環水排水系統產生跌水而摻氣，從而達到抑泡的目的。

2.3 設計方案

在斷面模型試驗的基礎上，根據結構設計的要求，具體設計階段在虹吸井內設置3堵隔墻將虹吸井分為4格，隔墻升至虹吸井頂蓋板，并在溢流堰堰面設置一挑流鼻坎以改善水流跌落翻滾的流態，從而將主要摻氣區上移。堰后加設三個隔墻及2號堰，隔墻底部為帶孔底板，第1個隔墻底部設置三排排水孔，布置同底板排水孔。2號堰底部設底座，底座內設8個排水方孔。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

設計方案通過三個隔墻及2號堰實現分級跌水并結合底孔出流，使循環水排水通過1號堰既可保持在一個相對穩定的水位區間，又可使1號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，受第1個隔墻阻擋及底部孔板過流能力的限制，1號堰與該隔板間的水位較高，水流順1號堰下泄并碰到設置在堰上淹沒在水中的挑坎，在流速減小的同時流向也發生了改變，形成向上和向下的兩個水平軸向環流，較大程度地減少摻氣量，向上的水平軸向環流將產生的氣泡挑向上方，加速氣泡上逸、潰滅，向下的水平軸向環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號堰與第1個隔板間的水位也相應升高，溢流堰下泄水流一小部分從第1個隔墻頂部溢流，其余大部分水仍從該隔墻下部的側孔和底板上的底孔出流，這時的帶孔底板起到限流作用的同時也起到了消能、防泡的作用；如此類推下游水位不斷升高，水流再從第2個隔墻溢流，受第3個隔墻及隔墻之間的底板的控制，水流在第2個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個隔墻頂高程較高，保證任何工況下水流都不會從其頂部溢流，下游水位再升高時，水流在2號堰堰頂溢流，此時，堰后虹吸井內水位已較高，2號堰頂水位與堰后水位差較小，摻氣亦較少。

3 消泡方案技術經濟分析

循環水排水設置抑泡系統投資較常規系統，虹吸井規模稍大，占地面積也相應有所增加，但不需投加消泡劑，年節省消泡劑藥劑費300萬元，避免產生新的污染。技術經濟比較見表1。

表1 2×1000MW 機組循環水排水抑泡技術經濟對比

4 抑泡消能效果

工程于2010年10月整體按期投入使用，實踐證明運行良好，消能充分，水流過渡平穩，水面波動較小，在各種運行工況及外海潮位下，基本不發生循環水摻氣，抑泡效果良好，徹底解決了循環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水排水的泡沫污染，凈化了電廠附近海域環境，提高了運行企業社會美譽度，有助于建設和諧社會及企業可持續、科學發展。社會效益同樣顯著。

[1]杜涓.擴建工程循環水排水抑泡模型試驗研究.廣東省水利水電科學研究院,2008,11.