CN1035598C - 自力式机械滤池 - Google Patents

Abstract

自力式机械滤池是采用一套自力式机械装置来实现自动控制的净水过滤装置。本发明提供一套自力式机械装置、自动调节活动堰板、反冲阻流器、提拉阀。与目前应用的滤池相比，自动控制的方式是依靠简单的机械装置，利用虹吸原理，滤池的工作周期、膨胀率、反冲时间都可以进行调节，可以借用清水池的水量进行反冲洗。本发明使滤池的管理和运行更加可靠，维护也很简单，大、中、小型水厂都可以使用。

Description

本发明涉及一种自动控制滤池，更具体地说，是由自力式机械装置，提拉阀、反冲阻流器、自动调节活动堰板和滤床、池体构成的净水装置。

过滤是水质净化中的一道重要工艺，目前应用的滤池类型很多，能够自动操作的滤池有虹吸滤池、无阀滤池和移动罩滤池，另外在国外有代表性的是以计算机为自动控制核心的V型滤池。虹吸滤池的特点是：进水和排水虹吸管代替阀门，依靠虹吸原理采用一套水力自动运行装置，实现对进水、停水、排除冲洗水的各项操作的自动控制。主要缺点是：池深大、反冲洗时要浪费一部分水量，变水头等速过滤，水质不如降速过滤，重力式无阀滤池也设有一套依靠虹吸原理的水力自动运行装置，一根进水管和一根排水虹吸管，并设置了冲洗水箱建在全部封闭的滤池上部。主要缺点是：反洗时要浪费部分水量，变水头等速过滤，水质不如降速过滤。移动罩滤池利用可以移动的冲洗机构，在人工或机电装置的控制下移位，循序进行逐格反冲洗，主要缺点是：需设移动洗砂设备，机械加工量大，罩体与隔墙间的密封要求较高。AQUAZUR V型滤池的特点是：采用V型布水槽、单质均匀颗粒的砂滤床，其运行和冲洗由计算机自动控制和连续监测，采用气、水反冲洗***，其进水、排水、气洗、水洗、清水、排气均采用气动或电动阀门控制。主要缺点是：设备多且复杂，对设备的可靠性要求高，对操作人员的素质要求高，由于使用鼓风机，有噪音。关于以上四种滤池可参阅《给水排水设计手册》(3)、《水处理手册》(中国建工版，1983年12月第一版)(经委托湖北省宜昌市科学技术情报研究所检索，没有检索到与“自力式机械滤池相同或相似”的现有专利)。

本发明的主要目的是提供一种能克服现有技术上述不足的自力式机械滤池，其控制装置应该构造简单、性能可靠、池深减少、虚耗水量少，便于实现降速过滤、既能可靠地维持设定的反冲洗水头又能在工艺流程上节省为克服活动堰板设置高度所存在的工艺水头。

本项发明的主要内容是：

(1)在全部封闭的滤池外部设置了自力式机械装置。自力式机械装置由支架、转轴设在支架上的可以在铅直平面内绕转轴转动的杠杆、计时水箱、设在计时水箱中通过绳索与杠杆一端相连、利用浮力或重力推动或牵拉杠杆上下转动的浮筒、在杠杆上根据杠杆倾角变化通过沿纵向活动改变施力位置对杠杆转动中心产生方向、大小不同转动力矩的物体(简称运动体)、固定在杠杆转动中心位置利用杠杆转动提拉或放松绳索从而控制提拉阀启闭的卷绳器、上弯段顶部内底高于期终水位、上弯管口设在计时水箱内反冲终止时可以进气的位置、下管口通到滤池承压顶板内顶具有反冲结束延时进水、进水初期有排气作用(连续运行时如果布置的承压顶板内顶低于或等于清水渠水位时滤池内部则不会进气)的虹吸破坏管、位于虹吸破坏管顶部的强制破坏真空的阀门(简称强制破坏阀)，通过控制计时水箱与滤池相通的管道流速从而调整反冲时间长短的计时阀所构成；

(2)在滤池排水管出口处，设置随反冲时间的延长减少阻流作用的反冲阻流器，由杠杆、固定在杠杆一端其上部开有进水孔、下部设有漏水孔、反冲开始时通过减少排水管出口的出水断面阻碍部分水流通过、反冲开始后由于内部进水沉下不再阻流的容器(简称阻流头部)，固定于杠杆另一端、当阻流头部内部水量漏至一定量时能使阻流头部复位的配重、位于杠杆转动中心处的转轴所构成；

(3)在滤池排水管下游水道上设置的自动调节活动堰板由活动堰板、固定在堰板转动中心处的转轴、位于清水渠中通过绳索与活动堰板下部内侧相连当清水渠内水位下降时通过牵拉活动堰板降低壅水位以维持设定反冲洗水头的浮筒、位于活动堰板下部使堰板自动复位的配重所构成；

(4)设置在滤池排水管上控制滤池排水管水流的提拉阀由阀体、固定在阀体内底的阀座、关闭时压合于阀座工作而上阻止水流通过的关闭件、一端与关闭件相连另一端与提拉器械连接的传力件、采用不透水、富有弹性、强度可靠的柔性材料制成的、在提拉方向阻止水流泄漏的、位于阀体内部、关闭件上方、中间穿有传力件上部被夹在检修法兰盖板(采用压盖时，阻漏件设在阀体上部与压盖之间)与阀体之间的阻漏件所构成。

杠杆的设计与运动体相关。当运动体是可以滚动或滑动的耐用的物体时，在运动体的终止位置设置弹簧或橡胶体来缓冲撞击力。运动体的运动临界状态，其数值决定于运动体的形状、运动体与杠杆的质料和表面情况。当运动体采用无毒无害便于流动的液体时，为避免液体挥发，液体运动段的杠杆必须是一段液体能够流动的两端封闭的管道，并且设有可以灌装和排放液体的阀门，液体的流动与流动条件有关。

自力式机械装置通过牵拉或触动至少带动一个装置，完成控制任务。

阻流时间的调节主要是通过改变工作时转轴两边力矩对比的时间来实现，方便的做法有两种：是在配重侧设置一个可以沿杠杆滑移、固定的向起调节作用的微调配重，或者是在容器进水孔或漏水孔上设置可调节孔洞大小的活门来实现。

如果为了使阻流器的阻流作用随反冲时间的变化逐渐减少，在上述提到的阻流器中，通过设置一头悬挂在排水管上另一头固定在阻流头部附近的杠杆上的弹簧来实现。

另一种型式的阻流器是由一端均匀固定在排水管周围、另一端悬挂阻流头部数量不少于两个的弹簧和阻流头部所构成，阻流头部上部开有进水孔下部开有漏水孔。这种设计可以在反冲时逐渐沉下阻流头部而逐渐减少阻流作用，反冲结束时，容器内的水不断流出，阻流器逐渐上升最后复位。

阻流时间的调节可以通过增、减弹簧或紧固压缩、放松弹簧来实现。

另一种型式的自动调节活动堰板主要由活动堰板、固定在活动堰板上部外侧的容器、固定在活动堰板下部的配重所构成，通过固定在活动堰板转动中心的转轴安装在过流水道上。这种型式的堰板的特点是开启与溢流时间有关，当滤池分格数较少时，可以考虑这种型式，容器的上部和下部分别开有进水孔和漏水孔，反冲开始时，反冲洗水从堰顶上溢流跌落时，部分水通过进水孔进入容器内，当容器一端的倾倒力矩大于配重产生的力矩时，活动堰板动作，堰上水头降低，反冲结束，容器内的水由漏水孔漏出，当容器一端的倾倒力矩小于配重产生的复位力矩时，堰板复位。

为防止堰板工作时转动过度，上述活动堰板在转动方向设计最大开度处的活动堰板外边侧的水道侧壁上设置限位销或在容器下部设置在动作时支撑在水道底板上的限位杆。

当自动调节活动堰板用于不动作时***漏的场合时，可以在活动堰板与水道之间关闭的工作面上使用弹性密封件。

提拉阀的关闭件由弹性密封材料和不易变形的刚体件组合而成。密封力主要是靠液体介质静压力和关闭件自重来提供的，当密封比压不够时，可以通过设置弹簧、改进密封表面结构和密封材料来满足设计要求。提拉阀具有下述特点：

一、阀的启闭是依靠提拉绳索或放松绳索进行动作的，启闭快速，便于自力式机械装置的自动控制。二、结构简单，其进水通道可以根据排水布置需要而定，既可铸造，也可焊接拼装加工而成，提拉件与关闭件的联结采用便于拆装的结构型式，其中包括将提拉件、关闭件、阻漏件作为整体使用或更换，因此加工修配、拆卸都很容易。三、便于改装，开启力可以由电动装置(电磁铁)来提供。

本发明与现有技术相比具有下述优点：

一、完全利用水位特征进行动作实现主程序自动控制的自力式机械装置与计算机作为技术核心的自动控制技术相比，不需要高技术装备、不需设置水泵、鼓风机等冲洗设备、不需设置电动或气动阀门，因此，设备简单、可靠性高、投资省、维修工程量小、不需要外界提供能源、与以损失水量为代价形成虹吸的自动控制技术相比，动作快、技术可靠、节省水量、增加了更多功能。

二、采用完全封闭的池体与安装有提拉阀装置的排水管结合，实际上在反冲洗阶段可以将池体内部看作是虹吸管道的中间一段，所提供的反冲水头是清水渠水位与自动调节活动堰板处壅水位之差(或水面之差)，可以维持设定的反冲洗水头，给采用中阻力***、借用清水池水量提供了条件，而不必考虑过滤水头那部分池高(当清水渠水位等于或高于滤池承压顶板内顶时，这部分由承压顶板和滤池进水管承担)，这种布置节省虚耗水量和这部分池深、因而节省了排除这部分虚耗水量所需要的反冲时间，并且可以减少滤池分格，也可采用双套或多套自力式机械装置共用浮筒和计时水箱同步动作，因此在大中小水厂均可应用。

三、在工艺布置上反冲洗水头不在清水渠内调节，资用水头少，进出口可不作跌落布置、进水管用活门控制水头损失进一步减少，便于采用降速过滤方式。

四、便于调节。自力式机械装置中的计时部分设在滤池外部，对滤池管理是非常方便的。通过调节提拉阀开度或反冲阻流器与排水管口之间的开度都可以对膨胀率进行调节，通过在计时水箱内的浮筒上加上配重延长工作周期，通过在杠杆与浮筒之间增设一定高度的较轻物体(如木头)缩短其工作周期，工作周期的调整还能够通过改变运动体运动临界值来实现。

五、延时进水、承压顶板的设置，使反冲后的进水流动对吸附在滤料颗粒上的悬浮物的冲击基本被消除，使过滤开始后的出水水质得到改善，由于设置了反冲阻流器，在反冲洗开始时缓慢启动，避免承托层被冲动对延长滤床寿命保证过滤水质是有利的，通过设置自动调节活动堰板能够稳定维持设定的反冲洗水头；对保证反冲洗质量，保证过滤质量是有帮助的，由于便于采用降速过滤方法，在采用降速过滤方式后，滤池出水质量将优于等速过滤水质。

六、与无阀滤池相比，由于检修人孔设在计时水箱底部，检修人孔可以设计得较大，方便施工与维修，计时水箱设在外部通过管道与滤池相通，便于进气排气和观察水头损失增长情况。

七、由于采用自力式机械装置进行主程序自动控制，不必使用人工进行日常操作，对操作人员素质要求不高，调整容易，在自力式机械装置上附设部件可以增添附加功能，例如在杠杆上安装一个能触动继电器按纽的触头，值班人员在值班室里即可知道哪座滤池何时开始反冲，何时反冲结束对促进水厂自动化和科学管理是很有帮助的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1为自力式机械滤池工作原理示意图。

图2～图8为自动调节活动堰板。

图9～图16为提拉阀。

图17、图18为阻流器。

实例1：图1所示为滤池开始过滤时的情况。自力式机械装置设在全部封闭的滤池外部，计时水箱2通过设在计时水箱2下部的管道和计时阀9与滤池相通，计时水箱2内有一浮筒3通过绳索6与转轴设在支架11上的可以在铅直面转动的杠杆7的一端相连，有沿杠杆7纵向活动的物体(简称运动体)8，在杠杆转动中心有一卷绳器10，在杠杆7进水管一侧的端部有一触足(可以设计成受力后有一定伸缩量的装置)14已脱离了与常开装置15的接触，进水活门16已经打开，沉淀水经过进水管进入滤池过滤，滤池内部积聚的空气由下管口与滤池相通的虹吸破坏管4的上管口排出，随着过滤时间的延长，水头损失持续增加，计时水箱2的水位不断上升，浮筒3随之推动搁在上面的杠杆7顺时针转动，当计时水箱2水位到达期终水位，杠杆7上的运动体8由于杠杆7倾角超过静止角，而向右端移动，杠杆7上的触足14触动常开装置15进水活门16关闭，卷绳器10随同杠杆7转动提拉滤池排水管上的提拉阀19，反冲洗水由清水渠18经配水***23进行反冲洗，冲洗废水经排水槽、提拉阀19从排水管20末端排出时，一部水进入上部设有进水孔21-1-1、下部设有漏水孔21-1-2的容器21-1(简称阻流头部)内，当水量达到一定值时，容器自重、水重及水流冲击作用力通过杠杆21-5对转轴21-2产生的力矩大于另一端配重21-3对转轴21-2产生的力矩时，阻流头部21-1沉下(当阻流器采用由至少两个一端均匀固定在排水管周围，一端均匀悬挂阻流头部21-1的弹簧21-4和上部设有进水孔21-1-1，下部设有漏水孔21-1-2的容器21-1构成的阻流器21时，阻流头部21-1是逐渐下沉的)，反冲水最由小变大达到要求值。反冲过程中，如果清水渠18内水位下降，为维持设定的反冲洗水头，设于清水渠18内的浮筒22-8通过定滑轮组件17牵动活动堰板22-1绕转轴22-3转动，使排水管20管口处的水位跌落值能够补偿清水渠内水位下降值(为防止堰板转动过度，可在清水渠内设搁台防止浮筒过度下降或设止位们22-4或限位杆22-6)。随着反冲时间的继续，计时水箱2内的水位持续下降，浮筒3通过绳索6牵动杠杆7逆时针方向转动，反冲时间用完时(时间长短由控制计时水箱水位下降速度的计时阀9的开度决定)，由于水封破坏虹吸破坏管4上管口进气，滤池反冲虹吸被破坏，滤池结束反冲洗。当杠杆7转动倾角超过运动体8的静止角时，运动体8向左端运动，提拉阀19在自重(或加有弹簧提供复位力)作用下复位并关闭，进水活门16打开，滤池恢复过滤。阻流器21头部内的水漏出一定量时，阻流器21复位。清水渠18水位回复正常时，浮筒22-8复位停止了对活动堰板22-1的牵拉，括动堰板22-1在配重22-2的作用下复位。

当滤池需要强制反冲洗时，视计时水箱2的水位决定是否需要关闭或调节计时阀9。然后扯动绳索13使杠杆7转动到反冲洗位置即可。

当需要检修提拉阀19时，打开强制破坏阀5，转动杠杆7或者控制常开装置15使进水活门16关闭，然后进行检修。

是否取用清水池的水进行反冲洗应由设计布置决定。

膨胀率的调节是通过调节提拉阀19的开度实现的。

当需要检修滤池内部时，可以利用杠杆7吊起浮筒，横向转动杠杆7(支架11可以安装转动轴、轴承、使杠杆能横向转动)然后将浮筒放下，再吊起入孔闷板1，为了便于入孔闷板1的拆装，入孔闷板1不必用紧固件封闭，利用入孔闷板1的自重作为密封力使密封圈变形来达到。

进水活门可以采用常闭装置，也可以由运动体8牵拉或触动来控制。滤池进水也可以采用其他方式。

定滑轮组件17由定滑轮、杠杆、轴承件、转动轴组成。定滑轮与提拉绳配合。杠杆一头系浮筒22-8，一头系活动堰板22-1，杠杆是否需要设置由浮筒22-8的所在位置决定，离堰板较远则完全由绳索传动。

当需要调整工作周期时，可以通过在浮筒3上加上配重延长工作周期，通过在杠杆7与浮筒3之间增设一定高度的较轻物体(例如木头)缩短其工作周期、工作周期的调整还可以通过改变运动体8的静止角来实现。

实例2：在大型园形滤池中应用自力式机械装置。

提拉阀19由阀体19-3、固定在阀体19-3内底的阀座19-1，关闭时压合于阀座19-1工作面上的关闭们19-2、一端与关闭件19-2相连另一端与提拉器械连接的传力件19-4、位于阀体19-3内部、关闭件19-2上方、中间穿有传力件19-4、上部夹在检修法兰盖板19-5与阀体19-3之间的阻漏件19-6所构成，依靠重力或弹性力密封，依靠提拉或放松的方式控制水流的通闭，如果大型滤池中只使用一个提拉阀，阀座、关闭件等的尺寸将做得很大，将使提拉阀的密封精度要求提高很多，自力式机械装置将变得很笨重，排水布置也变得不利，如果使用多个自力式机械和提拉阀，同步启动，上述问题就解决了。例如在园形滤池顶部设置一个计时水箱2和浮筒3，多组自力式机械装置的杠杆7一端均匀布置(这样对同步动作有利)在浮筒3上，当浮筒3动作时，自力式机械装置同步动作，大型滤池应用自力式机械装置同样便利。

本发明扩大应用范围的实例：

例1：在自力式机械滤池中，自力式机械装置实际上是一部利用水位能提供动力的机器。对于一些山区，如果流水不断，可以将自力式机械装置作为驱动机械装置使用，进水装置可以由小池和活门组成，放水装置采用钟罩式虹吸排水管。当水位上升到一定的位置时，水便迅速被泄出，通过进水泄水，浮筒上下反复驱动杠杆工作。这种设计非常简单，管理制作都很容易。

例2：用自动调节活动堰板防洪

因暴雨水库、鱼塘水位陡涨而冲毁库堤、鱼群逃逸的事时有发生，如果在溢流道上设置堰顶溢流后随时间延长自动降低壅水位的自动调节活动堰板(见图6、图7、图8)将避免这些损失。对于不经常放水的鱼塘或水库，自动调节活动堰板在闭合部位设密封圈22-7或将溢流道底板高程布置在常水位以上。当水量不大时，水从自动调节活动堰板顶上溢出，当水量较大时，水流溢出距离较远而跌进进水槽22-5-2，当容器22-5内进水达到一定量时，活动堰板22-1绕转轴22-3转动，开始泄水，序号22-6是限位杆，当容器22-5水从漏水孔22-5-1漏至一定量时，活动堰板22-1在配重22-2的作用下复位，山洪持续时间较长时，活动堰板22-1将反复运作。(图8中序号24为防鱼逃逸的拦栅)

Claims (12)

1、自力式机械滤池，包括全部封闭的池体、滤床、清水渠、进水管、排水管、出水管，其特征是：

1)在全部封闭的滤池外部，设有由支架(11)、通过转轴安装在支架(11)上的杠杆(7)、计时水箱(2)、设在计时水箱(2)中通过绳索(6)与杠杆(7)一端相连的浮筒(3)、在杠杆(7)上沿纵向活动的运动体(8)、固定于杠杆(7)转动中心位置处的卷绳器(10)、顶部内底高于期终水位上弯管口设在计时水箱(2)内反冲终止时进气的位置、下管口在滤池内顶部并与滤池相通的虹吸破坏管(4)、位于虹吸破坏管(4)顶部的强制破坏阀(5)、位于与计时水箱(2)和滤池相通的管道上的计时阀(9)所构成的自力式机械装置；

2)设在滤池排水管出口处的反冲阻流器(21)，由上部开有进水孔(21-1-1)下部设有漏水孔(21-1-2)的阻流头部(21-1)和相连的复位构件所构成；

3)在滤池排水管下游水道上设置的自动调节活动堰板(22)，由位于活动堰板(21-1)转动中心的转轴(22-3)、通过转轴(22-3)固定在水道上的活动堰板(22-1)、位于活动堰板(22-1)下部的配重(22-2)、与活动堰板(22-1)相连的自动调节构件所构成；

4)安装在滤池排水管上的提拉阀(19)，由阀体(19-3)、固定在阀体(19-3)内底的阀座(19-1)、关闭时压合于阀座(19-1)工作面上的关闭件(19-2)、一端与关闭件(19-2)相连另一端与提拉器械连接的传力件(19-4)、位于阀体(19-3)内部、关闭件(19-2)上方、中间穿有传力件(19-4)上部被夹在检修法兰盖板(19-5)与阀体(19-3)之间的阻漏件(19-6)所构成。

2、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：运动体〔8〕是沿杠杆〔7〕纵向滚动或滑动的物体，在杠杆〔7〕上的运动体〔8〕终止位置设置弹簧〔12〕或橡胶体。

3、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：运动体〔8〕是无毒无害便于流动的液体，杠杆〔7〕的液体运行段是液体能够流动的封闭的管道，并且设有灌装和排放液体的阀门。

4、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：位于计时水箱〔2〕中的浮筒〔3〕通过绳索〔6〕同浮筒〔3〕上的两套或两套以于的杠杆〔7〕一端相连。

5、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：在自力式机械装置的杠杆〔7〕上与被控装置相对的位置或运动体〔8〕上设置能触动被控装置的触足〔14〕。

6、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：在自力式机械装置的杠杆〔7〕上或运动体〔8〕上系绳与被控装置相连。

7、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：所述反冲阻流器〔21〕的复位构件由配重〔21-3〕、一端连接阻流头部〔21-1〕另一端与配重〔21-3〕相连的杠杆〔21-5〕、位于杠杆〔21-5〕转动中心处的转轴〔21-2〕所构成。

8、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：所述反冲阻流器〔21〕的复位构件由一端在排水管〔20〕上固定另一端悬挂阻流头部〔21-1〕的数量不少于两个的弹簧〔21-4〕所构成。

9、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：自动调节构件由改变绳索缠绕方向的定滑轮组件〔17〕、位于清水渠〔18〕中的浮筒〔22-8〕所构成，通过绳索与活动堰板〔22-1〕下部内侧相连。

10、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：自动调节构件是上部开有进水孔〔22-5-2〕下部开有漏水孔〔22-5-1〕的容器〔22-5〕，固定在活动堰板〔22-1〕上部外侧。

11、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：在最大开度处的括动堰板〔22-1〕外侧的水道侧壁上设置阻止活动堰板〔22-1〕转动的限位销〔22-4〕。

12、如权利要求1所述的自力式机械滤池，其特征是：在容器〔22-5〕下部设置限位杆〔22-6〕。

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