УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ВОДОЗАБОРОВ ОТ ПОПАДАНИЯ ШУГИ Российский патент 2002 года по МПК E02B5/08 E02B9/04 

Изобретение относится к устройствам для добывания или сбора питьевой или водопроводной воды из наземной (поверхностной) воды, может быть использовано в области гидротехнического строительства и предназначено для технологической (водоподачи) и технической (насосного и прочего оборудования) защиты водозабора от попадания шуги.

Требования к качеству питьевой воды год от года неуклонно растут. Одновременно с этим возрастает необходимость в снижении стоимости добычи воды, в том числе технической, поскольку рост объема промышленного производства во всем мире, увеличение мощностей современных энергетических установок, потребности сельского хозяйства - все это требует все больших затрат на водоснабжение.

Забор воды из поверхностных источников сопряжен с рядом трудностей. Многие из существующих проблем широко рассмотрены в литературе: было издано много монографий, вопросы работы водозаборов вошли в учебники для студентов соответствующих специальностей, справочные пособия, предназначенные для специалистов, нормативные документы для проектирования и так далее. Упоминать здесь обо всех возникающих проблемах излишне, но одна из основных¹ угрожает безаварийной работе водозаборов столь явственно, что значительные усилия научных, проектных организаций, эксплуатационных служб направлены именно на ее решение. Эту угрозу составляет наличие в водном потоке шуги.

Для эксплуатируемых водозаборов проблема движущейся в потоке шуги очень серьезна. Шуга забивает заградительные решетки водозаборов, попадая в насосные станции, приводит к выходу из строя оборудования.

Все это заставляет специалистов из самых разных отраслей производств и организаций объединять свои усилия и технически совершенствовать водозаборы, изменяя конструктивные элементы входных окон оголовков, регулировать течения у водозабора, и так далее.

Затопленный оголовок размещают в воде там, где имеется глубина, обеспечивающая забор воды в любое время года при любых погодных условиях.

Затопленный оголовок водозабора - это бетонное, иногда ряжевое, сооружение, имеющее конфигурацию, позволяющую свести к минимуму потери энергии потока на трение при его взаимодействии с затопленным оголовком водозабора. Корпус затопленного оголовка водозабора снабжен входными окнами с площадью сечения, обеспечивающей заданные расходы отбора воды. Через входные окна затопленного оголовка водозабора вода по трубам подается к насосам насосной станции водозабора. Возле затопленного оголовка водозабора образуется зона захвата - область, из которой происходит непосредственное питание затопленного оголовка водозабора. Размеры области определяются расходом воды через входные окна.

При большом значении осредненных продольных составляющих скорости шуга захватывается потоком и затягивается во входные окна. Чтобы этого не происходило, на входные окна предусматривают монтаж металлических сороудерживающих решеток.

Эффект от применения таких устройств минимален: шуга примерзает к металлическим стержням сороудерживающих решеток, забивает входные окна, прекращает подачу воды к оборудованию насосных станций.

С целью снижения подходных скоростей, при которых возможно обеспечивать всплытие шуги и методами регулирования потока на подходе к затопленному оголовку водозабора отводить ее, предусматривают снижение продольной составляющей скорости, однако при больших скоплениях шуги это не всегда может оказаться эффективным. Для изменения этой ситуации на входные окна устанавливают особую систему фильтров, однако несовершенство их конструкций также не является решением вопроса. Если конструкция механического фильтра предусматривает в качестве фильтрующего материала использование металлических (как правило, стальных) изделий - элементов, имеющих большую по величине теплопроводность - шуга, при условии, что температура металлических изделий перешла через ноль по шкале Цельсия и приняла отрицательные значения, начинает прилипать к металлическим изделиям и смерзаться с металлическим изделием.

Способы недопущения примерзания шуги к металлическим изделиям однообразны - увеличение подходного фронта, обратная импульсная промывка, подогрев металлических элементов, нанесение полимерных (гидрофобных) покрытий, обладающих меньшей, чем металлические элементы теплопроводностью, сброс выше по течению теплой воды (для водозаборов ТЭЦ данный вариант наиболее оптимален).

Все перечисленные способы затратные, и поиск путей удешевления как самих фильтров, так и работ, связанных с их эксплуатацией, до сих пор активно продолжаются, причем далеко не только в виде дискуссий на страницах журналов.

Основой промышленного внедрения водозаборных фильтров шугозадержки являются продолжительные экспериментальные исследования, прежде всего, в лабораторных условиях, а затем с переносом на натуру.

Новые типы фильтров водоприемников, если они апробированы, удовлетворяют условиям изобретательского уровня, новизны и промышленной применимости.

Заявителю известны следующие аналоги.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, состоящее из водопроницаемых фильтрующих труб, размещенных в водоприемном ковше перед водоприемником, и подсоединенных к компрессорной установке с возможностью подачи воздуха и создания перед водоприемником водовоздушной завесы (SU 1086063 А, ВНИИ водоснабжения канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии, 15.12.1983, Е 02 В 15/02).

Недостатками данного устройства является то, что оно, во-первых, не обеспечивает отвода шуги из области водоотбора, во-вторых, затраты на эксплуатацию устройства очень высоки.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, состоящее из колпака колонны с расположенной внутри него отводной трубой и трубами с тангенциально потоку расположенными форсунками смыва шуги (RU 2067144 С1, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 27.09.1996, Е 03 В 3/00).

Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает надежного вывода шуги, и работа устройства проходит в аварийном режиме.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, снабженное перекачивающим насосом, главной водозаборной трубой, двумя параллельными водозаборными трубами, расположенными внутри главной трубы, регулирующим затвором, установленным между концом трубы и насосом. (US 5253954, Landsberger Samuel E., 19.10.1993. Е 03 В 3/04).

Недостаток - высокие эксплуатационные затраты.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, выполненное на дне озера или реки в виде водопроницаемой фильтрующей крыши с площадью, значительно превышающей сечение входной трубы, что обеспечивает невысокую скорость всасывания, а это является основным условием для всплытия шуги (FR 2562580, Jenker Wolfgang R. , Christie Alan E. et Elsayed Emad E.M., 10.04.1985, E 03 B 3/04).

Недостатками данного устройства является то, что водопроницаемая фильтрующая крыша изготавливается из металла, и шуга, примерзая к водопроницаемой фильтрующей крыше, перекрывает доступ воды к насосной станции.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, в котором в трубе большего диаметра расположена конусообразная труба с фильтрующими отверстиями (US 3992886, Scott Robert A., 23.11.1976, Е 02 В 13/00).

Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает защиту водозабора от попадания в него шуги при больших расходах забираемой воды.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, состоящее из расположенной на дне водотока сложной системы фильтров, обеспечивающих последовательную фильтрацию воды перед подачей ее в насосную станцию (RU 2124610 С1, ВНИИ водоснабжения канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии, 10.01.1999, E 03 B 3/04).

Недостатками аналога является то, что устройство быстро забивается шугой и наносами.

Определенный интерес из зарубежных патентов представляют не только водозаборы, но и устройства для ограждения верхней части потока и удержания шуги. Таких устройств известно очень много, но все они однотипны, и было бы неправильно перечислять все их типы. Значительная часть патентов была выдана в США, Франции, Германии. Приведем в качестве примера наиболее характерные устройства. Эти устройства, в частности, изобретены в Англии и во Франции.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, содержащее последовательно соединенные боны с контейнерами с твердой двуокисью углерода и внутренними каналами для закачки жидкости с низкой температурой, перегораживающие поток и удерживающие плывущий по поверхности лед (GB 2007747 A, Shuffman D К., May 23, 1979, Е 02 В 3/00).

Недостатками данного устройства является то, что оно не обеспечивает защиту водозабора от попадания шуги, плывущей в глубине потока.

Известно устройство защиты водозаборов от попадания шуги, представляющее собой удерживаемую на поверхности воды при помощи поплавков легкую вертикально расположенную парусообразную конструкцию (US 4398844, Institut Francais du Petrol, Aug. 16, 1983, E 02 B 15/04).

Недостатками данного устройства является то, что оно задерживает только лед, плывущий по поверхности потока, но не обеспечивает защиту водозабора от шуги.

В настоящее время запатентовано несколько десятков способов и устройств защиты водозаборов от попадания шуги.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является устройство защиты водозаборов от попадания шуги, содержащее объемную фильтрующую кассету, состоящую из закрепленной в металлической прямоугольной контурной раме с пазами на внутренней стороне армированной керамзитобетонной плиты. Объемная фильтрующая кассета установлена в направляющую пазовую конструкцию входного окна затопленного водоприемного оголовка водозабора и обеспечивает фильтрацию воды от шуги при ее подаче в насосную станцию (Образовский А. С. , Ереснов Н.В., Ереснов В.Н., Казанский М.А. Водозаборные сооружения для водоснабжения из поверхностных источников, Стройиздат, 1976. С 368), (210 с.).

Недостатками прототипа является то, что устройство, во-первых, легко забивается шугой, во-вторых, малонадежно в эксплуатации (при использовании метода обратной импульсной промывки легко разрушается в наиболее слабых местах с образованием отверстий), в-третьих, крайне сложно в изготовлении, в-четвертых, имеет большой вес в снаряженном состоянии.

Описанные существенные признаки заявленного изобретения отличают его от наиболее близкого аналога, так как в изобретении использованы средства, обеспечивающие получение нового технического результата.

Технический результат заключается в том, что возрастает качество защиты водозабора от попадания шуги за счет применения в объемной фильтрующей кассете в качестве фильтрующего материала пластических масс, имеющих более высокую теплоемкость и более низкую теплопроводность, чем керамзитобетон, что и создает условия меньшего примерзания шуги к объемной фильтрующей кассете.

Теплоемкость - отношение подведенного количества тепла к повышению температуры - пластических веществ и полимеров зависит от температуры. При температуре 20. . . 30^oС теплоемкость данных технических материалов весьма различна, но, как правило, выше металлических изделий, и лежит в пределах от 1, чаще ~ 1,5 до 2 кДж/(кг•К). Сталь и чугун, например, в зависимости от марки имеют теплоемкость (при нормальной температуре) 0,42...0,54 кДж/(кг•К). Керамзитобетон - 0,84 кДж/(кг•К). Таким образом, теплоемкость пластических масс выше изделий из дерева и значительно выше изделий из металла.

Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты (теплоперенос) в сплошной среде, обусловленная наличием градиента температур, - столь различна, что для ее комментария здесь совершенно нет места. Теплопроводность стали изменяется от 10 до 110 Вт/(м•К) и выше. То есть даже у сталей "малой" теплопроводности она все-таки значительно (там, где важен учет сотых долей градуса - при образовании кристаллов воды) выше, чем, например, керамзитобетона, теплопроводность которого при температуре 25^oС 1,3...1,6 Вт/(м•К), в зависимости от армированности. При этом пластические массы имеют теплопроводность 0,04. ..0,1, редко - 0,2 Вт/(м•К). Таким образом, теплопроводность пластических масс значительно ниже теплопроводности керамзитобетона и во много раз ниже теплопроводности металлов.

Поэтому использование пластических масс в качестве фильтрующего материала в объемных фильтрующих кассетах с эксплуатационной точки зрения более рационально, чем использование керамзитобетона; тем более недопустимо использование различного рода металлов.

Поддержание высоких фильтрационных скоростей, обеспечивающих заданные расходы забираемой воды из поверхностных источников, невозможно без того, чтобы поры объемной фильтрующей кассеты не были свободны от забившей их смерзшейся шуги. Технический результат также заключается в том, что повышается эксплуатационная надежность за счет применения более прочного материала объемных фильтрующих кассет, облегчается технология изготовления, а также снижается вес объемных фильтрующих кассет.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Объемная фильтрующая кассета 1 представляет собой металлическую прямоугольную контурную раму 2 с пазами на внутренней стороне 3. В металлической прямоугольной контурной раме 2 в пазах на внутренней стороне 3 плотно установлены водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4. Материалом, из которого изготавливают водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4, являются пластические массы, достаточно прочные, чтобы не разрушаться в процессе монтажа и эксплуатации объемной фильтрующей кассеты. Водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4 изготавливают в производственных условиях методом литья, перфорации или другими известными способами с последующей обработкой. Металлическую прямоугольную контурную раму 2, в пазы на внутренней стороне 3 которой плотно устанавливают водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4, изготавливают из прочного металла. Водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4 могут размещаться в объемной фильтрующей кассете 1 вертикально или горизонтально, в один ряд или несколько рядов. Объемную фильтрующую кассету 1 снаряжают на суше, и затем с плавтехсредства, например с баржи, опускают под воду и устанавливают в направляющую пазовую конструкцию 5 входных окон 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7. Направляющую пазовую конструкцию 5 входных окон 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7 изготавливают из металла и монтируют на место входных окон 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7 при строительстве затопленного водоприемного оголовка водозабора 7.

Описание изобретения содержит четыре фигуры чертежей. На фиг.1 представлен общий вид объемной фильтрующей кассеты 1 в снаряженном состоянии; на фиг.2 показан затопленный водоприемный оголовок водозабора 7 с вставленной в направляющую пазовую конструкцию 5 входного окна 6 объемной фильтрующей кассеты 1; на фиг. 3, 4 - порядок возможной расстановки водопроницаемых фильтрующих пластмассовых труб 4 в объемной фильтрующей кассете 1.

Устройство содержит объемную фильтрующую кассету 1, состоящую из металлической прямоугольной контурной рамы 2 с пазами на внутренней стороне 3, в которую плотно установлены водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы 4. Объемная фильтрующая кассета 1 размещена в направляющей пазовой конструкции 5 входного окна 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7.

Устройство реализовано в нескольких экземплярах - промышленных образцах.

Оно имеет следующие вес и размеры.

Вес объемной фильтрующей кассеты в снаряженном состоянии от 100 до 500 кг.

Габариты: высота устройства - до 2000 мм; длина устройства - до 2000 мм; ширина устройства - до 500 мм.

Устройство работает следующим образом.

После установки объемной фильтрующей кассеты 1 в направляющую пазовую конструкцию 5 входного окна 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7 устройство готово к работе. Вода поступает в насосную станцию водозаборного сооружения через входное окно 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7 и при этом, проходя через объемную фильтрующую кассету 1, фильтруется. При фильтрации воды происходит ее очистка от шуги.

Защита водозабора от попадания в него шуги происходит следующим образом.

Зашугованный поток движется к водоприемным входным окнам 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7 и, подходя к объемной фильтрующей кассете 1, начинает проходить через нее. Фильтрационные особенности объемной фильтрующей кассеты 1 таковы, что шуга, задерживаясь, не проникает внутрь затопленного водоприемного оголовка водозабора 7. Шуга скапливается перед объемной фильтрующей кассетой 1, но не примерзает к водопроницаемым фильтрующим пластмассовым трубам 4, поскольку, как показывают многочисленные опыты, примерзание шуги происходит при высокой теплопроводности материала, которой пластические массы не обладают. Скопившуюся перед объемной фильтрующей кассетой шугу методами обратной импульсной промывки, или используя другие методы, отгоняют в область транзитного потока, обеспечивая свободный доступ воды к входному окну 6 затопленного водоприемного оголовка водозабора 7.

Таким образом, изобретение позволяет забирать воду из поверхностных источников и при этом, в отличие от многих существующих устройств и способов, защищать водозабор от попадания шуги.

Изобретение относится к устройствам для добывания или сбора воды из поверхностных источников с обеспечением защиты водозаборов от попадания шуги. Устройство для защиты водозабора от попадания шуги содержит объемную фильтрующую кассету, представляющую собой металлическую прямоугольную контурную раму с пазами на внутренней стороне, в которые плотно установлены водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы. Рама установлена в направляющую пазовую конструкцию входных окон затопленного водоприемного оголовка водозабора. Водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы могут размещаться в объемной фильтрующей кассете вертикально. Повышается качество защиты водозаборов от попадания шуги. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для защиты водозабора от попадания шуги, содержащее объемную фильтрующую кассету, установленную в направляющую пазовую конструкцию входного окна затопленного водоприемного оголовка водозабора, состоящую из металлической прямоугольной контурной рамы с пазами на внутренней стороне, отличающееся тем, что в металлической прямоугольной контурной раме в пазы на внутренней стороне плотно установлены водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в металлической прямоугольной контурной раме в пазы на внутренней стороне водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы установлены вертикально. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в металлической прямоугольной контурной раме в пазы на внутренней стороне водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы установлены горизонтально. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в металлической прямоугольной контурной раме в пазы на внутренней стороне плотно установлены водопроницаемые фильтрующие пластмассовые трубы в несколько рядов.