基于曝氣原理的風能水質改善裝置＊

李宗雨，潘菲，李璐

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基于曝氣原理的風能水質改善裝置＊

李宗雨，潘菲，李璐

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著社會經濟的發展，水質問題日益受到人們的關注，部分城市內河、景觀湖等流動性較差的水體存在嚴重的污染問題。對此，設計了一種基于曝氣原理的風能水質改善裝置，利用風力提水技術結合跌水曝氣、人工水力循環技術實現低能耗改善水質。無極調速裝置和偏心調速裝置保證裝置適用于不同的風速風向，保證裝置運行效率；新型進出水口改善跌水曝氣與水力循環方式，提高水質改善效果。

低流動水體；風力提水；曝氣；改善水質

1 作品背景及意義

近年來，地表水體尤其是靜止或流動性差的水體比如城市內河、城市景觀湖等，由于匯入污染物總量遠遠超過水環境容量，許多中小河流水體污染嚴重，如圖1所示，湖泊水體富營養化加劇。發臭、渾濁、水質不達標是國內很多景觀湖和城市河道的現狀。同時，國內污水處理廠、水產養殖池塘均存在水體富營養化嚴重等問題。

圖1 河流水體污染情況

為改善上述場所的水質，國內大部分地區采用曝氣方法對水體進行處理。現有的曝氣裝置存在建設成本高、動力消耗大、維護成本高等缺點。因此減少動力消耗、提高充氧效率、降低建設成本不僅是人工曝氣系統廣泛推廣應用的前提，也是我國曝氣系統急需做出改善的方面。對此，本作品設計了一種基于曝氣原理的風能水質改善裝置。

2 作品方案設計

本作品利用風力提水技術實現跌水曝氣與水力循環，達到改善水質的目的。無極調速裝置通過電動推桿改變不同風速下活塞泵的行程，適應不同大小的風速；偏心調速裝置保證裝置適用于不同的風向，避免裝置因側風過強導致裝置損壞，保證裝置正常運行；新型進水口可以同時吸進深度不同的水體，促進不同水體的流動，改善水體的流動性；出水口的設計提高了水體與空氣的接觸面積，增加了水體的溶氧量；控制系統利用風速傳感器等實現裝置的自動化，可控制性強。

3 作品結構設計

3.1 風力提水機的設計

目前市場上的風力提水裝置大部分利用風能發電，進而帶動水泵進行抽水工作。為減少能量相互轉化時的損耗、簡化裝置復雜程度，本項目計劃設計機械結構利用自然的風資源直接帶動水泵來完成提水作業，裝置主要由扇葉、無級調速機構、固定架及水泵組成。其中，扇葉連接曲軸帶動上連桿上下移動。上連桿帶動無級調速機構繞定點擺動，進而帶動連接在活塞上的下連桿進行抽水作業。其中活塞泵上設有進出水連接口，連接本項目所設計的新型進出水口。

3.1.1 無級調速機構的設計

傳統多葉輪活塞泵風力提水機，風輪與活塞泵的扭矩特性差異較大，風輪軸輸出扭矩與轉速的二次方成正比，但活塞泵扭矩與轉速無關，因此風輪與水泵不能在一個風速區間內高效匹配，而只能選擇一個工作點實現良好匹配，造成傳統的定行程風力提水機設計的風速難以確定。設計風速高，機組啟動困難；設計風速低，系統運行效率低，能量輸出少。同時其只有在設計好的風速段下才有較高的工作效率，無法做到對風能的充分利用。因此本項目計劃采用無級調速的機構設計，通過改變水泵活塞的行程改善裝置的工作效率。無級調速機構如圖2所示。

葉片2在風力作用下帶動曲軸1旋轉，進而帶動上連桿3進行上下移動。上連桿3上下移動時將帶動一端固定在固定架7上的搖臂進行上下擺動，進而利用泵桿6帶動抽水活塞進行風力提水。當滑塊5在搖臂4的滑槽中位置不同時，抽水活塞的行程將發生改變。低風速時，滑塊5位于搖臂4的滑槽左側，抽水活塞的行程減小；高風速時，滑塊5位于滑槽右側，抽水活塞行程增大。

1—曲軸；2—葉片；3—上連桿；4—搖臂；5—滑塊；6—泵桿；7—固定架。

無級調速機構中滑塊5的位置依靠電動推桿進行控制。控制系統對風速大小進行檢測，在不同風速時控制液壓鎖定改變滑塊5位置。

3.1.2 偏心式調速機構

當風速突然增大較多時，風輪有可能在短時間內超速，對裝置造成一定的危害。采用調速系統可有效減少葉片上的作用力，其可有效保護風力機的結構、延長裝置使用壽命，同時，其還可以用來限制功率，拓寬風力提水機對風速的利用范圍。

本項目采用偏心式調速機構，即風輪機的主軸與風輪機機艙座下部垂直轉軸不相交。當風輪機在額定風速下運轉時，風輪由于風的作用所受到的正面壓力對機艙座下垂直軸有一個力矩的作用，但由于風輪尾舵的定向與平衡作用，風輪旋轉平面仍處于迎風位置。當風向不變，風速增大時，由于風壓面產生的對風輪的壓力增強，其對垂直軸的力矩也隨著增大，風輪產生偏側。當風輪偏側后，由于風輪葉片旋轉面處于非迎風位置，風輪機的功率及轉速均減小。當風速非常高時，風輪機葉片的旋轉面將旋轉90°，處于與風向平行的位置，即處于停的狀態。

3.2 裝置進出水口的設計

3.2.1 進出水口設計目的

進水口的設計促進水體進行人工水力循環，出水口改善跌水曝氣的效果。將人工水力循環技術與跌水曝氣技術有機結合，一方面，強制循環造成的流動促使水體表面更新，增加了紊動，從而改進了氧的傳遞和擴散，促進了水面復氧，提高了跌水曝氣充氧效率；另一方面，經過跌水復氧后的水體，在水力循環作用下不斷地交換、稀釋，使水體自凈能力得以提高。因此兩者的有機結合可以相互促進彼此的效果，提升裝置對水體的除污凈化效果。

3.2.2 進水口的設計

進水口為具有一定高度差的小進水口螺旋排列而成。不同深度的水從不同的小進水口流進后匯聚進總進水口，總進水口連接于水泵。通過該進水口可有效促進不同深度水體進行流動，最大限度地促進了人工水力循環效果。

3.2.3 出水口的設計

該裝置主要曝氣方式為跌水曝氣。經風力提水作用后將水提升至一定的高度后經過出水口以一定的動能跌落進湖水內。為了增大跌水曝氣時的溶氧效果，需要增大水體與空氣的接觸面積。在正常的水幕跌水條件下，跌水曝氣的總傳質系數·值（溶氧能力）隨跌水寬度變寬而增大，說明跌水曝氣的·值隨著跌水寬度的變大增加的絕對值越來越小，因此，盡可能增大跌水寬度有利于增強跌水曝氣的效果。本裝置所設計的出水口為成環狀排列的鴨嘴形出水口，通過控制出水口的寬度進而控制跌水寬度。

3.3 控制系統的設計

控制器主要由風速檢測單元、繼電器模塊、液壓鎖模塊和主控單元MCU組成。其中風速檢測單元采用RS-FS-NO1三杯型風速傳感器，其能夠在滿足誤差要求下，保證足夠靈敏度，并將測得風速數據傳送至主控單元；繼電器模塊包括電磁閥和電磁開關，用于保證有無風時不同工作模式的切換；電動推桿用以改變柱塞泵的行程，保證無級調速機構的使用。

4 作品創新之處

作品創新之處主要為：①將風力提水技術與跌水曝氣、人工水力循環技術有機結合，降低曝氣能耗的同時提高水體處理的效率；②采用無級調速的風力提水裝置，最大可能地利用了風能；③進出水口的優化設計提高了人工水力循環及跌水曝氣的作用效果。

5 作品應用前景

隨著社會的發展，我國更加注重改善生態環境。風能曝氣水體改善裝置不僅可以廣泛應用于改善城市內河及城市景觀湖等流動緩慢的水體，也可以用于我國污水處理廠進行污水處理。其中我國相關部門規定污水處理廠對污水進行處理時必須利用曝氣裝置對水體進行處理。此外，我國有大量的水產養殖池塘，均需要利用曝氣裝置進行水質處理。

2095－6835（2019）05－0084－02

TK89

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.084

國家大學生創新創業訓練計劃（編號：201810497049）

〔編輯：嚴麗琴〕