Colonizzatori di tubi inclinati a nido d'ape per l'acqua di raffreddamento dell'energia idroelettrica: 13 stagioni di piena, zero arresti a Bapanxia

Una centrale idroelettrica su un fiume-colmo di sedimenti presenta un problema che la maggior parte degli ingegneri del trattamento delle acque non vede mai: l'acqua di raffreddamento delle turbine-generatrici trasporta così tanta sabbia ed erba da intasare i refrigeratori. La temperatura della bobina dello statore aumenta. I cuscinetti si surriscaldano. L'unità va fuori servizio - non a causa di un guasto meccanico, ma perché l'acqua che dovrebbe raffreddarla si è trasformata in un liquame abrasivo. Nella centrale idroelettrica di Bapanxia, ​​tre unità da 36.000 kW costruite in Svezia-hanno dovuto affrontare questa stessa minaccia ogni stagione delle inondazioni. Nel 1975, la stazione installò un colonnino a tubo inclinato a nido d'ape. Nel prossimo13 stagioni delle inondazioni- sette mesi all'anno, da aprile a ottobre - nessuna unità è andata persa a causa di un guasto del sistema di raffreddamento.

IL PROBLEMA DELL'ACQUA DI RAFFREDDAMENTO NESSUNA POMPA PUÒ RISOLVERE

Le centrali idroelettriche sui fiumi con pesanti carichi di sedimenti affrontano una crisi stagionale. Durante le stagioni delle inondazioni, l’acqua del bacino trasporta concentrazioni di sabbia che sarebbero impensabili in un impianto di trattamento delle acque municipale. Se l'acqua viene prelevata direttamente davanti alla diga per il raffreddamento dell'unità, sabbia e detriti vegetali riempiranno saldamente i tubi del refrigeratore. Il blocco è meccanico e la - pulizia totale e il dragaggio dei refrigeratori sono estremamente difficili, richiedono tempo- e spesso danneggiano le apparecchiature. Alcune stazioni ricorrono al funzionamento alternato in avanti e all'indietro del sistema di raffreddamento per lavare i tubi, ma questo aiuta solo parzialmente: non può eliminare completamente l'ostruzione e le continue inversioni accelerano l'usura dei tubi stessi del raffreddatore.

I refrigeratori-di fabbricazione svizzera di Bapanxia avevano severi requisiti di qualità dell'acqua. Era necessaria una soluzione di sedimentazione - in grado di gestirlaConcentrazione sedimenti affluenti 20 kg/m³durante i picchi di inondazione e fornire comunque abbastanza acqua pulita per raffreddare tre unità da 36 MW.

COME I TUBI A NIDO D'APE FANNO QUELLO CHE UN SERBATOIO APERTO NON PUÒ

Il sedimentatore a tubo inclinato a nido d'ape è stato progettato su tre principi derivati ​​dalla teoria della sedimentazione in strati- superficiali:

Principio 1 - Moltiplicazione dell'area.La sedimentazione è una funzione della superficie dell'acqua. L'aggiunta di tubi inclinati a nido d'ape aumenta l'area di assestamento effettiva deldecine di volterispetto ad un serbatoio aperto della stessa impronta. Una maggiore area significa una separazione più rapida.

Principio 2 - Stabilizzazione del flusso laminare.L'acqua che scorre attraverso le celle a nido d'ape ha un perimetro bagnato eccezionalmente ampio, che riduce drasticamente il raggio idraulico. Ciò abbassa il numero di Reynolds, stabilizzando il flusso in un regime laminare. I sedimenti e l'acqua si separano in modo pulito - senza turbolenze per mantenere le particelle in sospensione.

Principio della sedimentazione dello strato 3 - dei fanghi-.All'interno dei tubi inclinati, i sedimenti si depositano sotto forma di strati di fango-. Ciò non solo riduce la distanza e il tempo di sedimentazione, ma aumenta anche la superficie di sedimentazione effettiva, aumentando l'efficienza complessiva. Test su modello in scala 1:1 hanno dimostrato che con una concentrazione di sedimenti in affluente di progetto pari a 20 kg/m³ e un carico superficiale di3–5 m³/m²·h, è stata raggiunta la velocità di rimozione dei sedimenti92–98%, con solo il 3% delle particelle di effluente che superano 0,025 mm - la dimensione critica alla quale inizia l'intasamento del refrigeratore.

IL SISTEMA: DALLA PRESA DELLA DIGA AL COLLETTORE DELL'ACQUA DI RAFFREDDAMENTO

Davanti alla diga è stata costruita una presa d'acqua dedicata, con porte superiori e inferiori che fungono da sostegni reciproci. Ogni porta è dotata di un portarifiuti fisso; una comune rastrelliera mobile per i rifiuti nella parte anteriore della presa intercetta le erbacce e i detriti acquatici più grandi. L'acqua viene aspirata attraverso un tubo collettore sul lato a monte della sala pompe e divisa in quattro linee, alimentate da quattroPompe centrifughe 12Sh-19(tutti e quattro si sostengono a vicenda). Un filtro automatico prima di ciascuna pompa fornisce un filtro finale per i detriti fini prima che l'acqua entri nel serbatoio di sedimentazione.

All'interno del serbatoio -Diametro 18 m, altezza 18 m, bordo libero 0,3 m- l'acqua sale attraverso una vasca di distribuzione con una velocità di uscita di 50 mm/s. La velocità verso l'alto sulla superficie dell'acqua è delicata0,2–0,8 mm/s. Dopo aver attraversato i tubi a nido d'ape, l'acqua chiarificata sale e viene raccolta attraverso le aperture laterali di otto brevi vasche di raccolta radiali (vedi Figura 1), che alimentano una vasca di raccolta anulare attorno al perimetro della vasca. Da lì, un tubo di uscita da φ500 mm fornisce l'acqua trattata al collettore dell'acqua di raffreddamento che serve tutte le unità. L'acqua di raffreddamento usata viene scaricata interamente nel canale di scarico.

Il sedimento depositato cade in aTramoggia conica da 60 gradisul fondo della vasca e viene scaricato allo scarico attraverso un tubo fanghi. La struttura del serbatoio è mostrata nella Figura 2.

LE SPECIFICHE HONEYCOMB - E L'AGGIORNAMENTO DEI MATERIALI

Le celle del favo sono esagoni regolari con aDiametro del cerchio inscritto 50 mm. Ogni modulo tubo è1 m di lunghezza, inclinato a 60 gradi, dando un'altezza verticale di 0,866 m. I tubi sono assemblati in unità a nido d'ape rettangolari da 1 × 0,5 × 0,5 m.

Utilizzata l'installazione originale del 1975nido d'ape di carta- 80 g di carta kraft Jiamusi immersa in resina fenolica e polimerizzata a caldo-. Il costo del favo di carta40.000 yuan. Ha funzionato, ma il materiale presentava chiari limiti: scarsa resistenza e tenacità ed è invecchiato. Dopo quattro anni di attività, a1979, il nido d'ape di carta è stato sostituito connido d'ape in alluminioal costo di120.000 yuan- tre volte il prezzo, ma molto più durevole. Dopo nove anni di funzionamento successivo, l'alluminio mostrava solo una minima corrosione superficiale ed era rimasto strutturalmente intatto.

È richiesto il serbatoio di cemento stesso1.400 m³ di calcestruzzo, 50 tonnellate di armature in acciaioe costo160.000 yuan. Complessivamente - serbatoio, nido d'ape in carta e successivo aggiornamento in alluminio - l'investimento totale è stato di 320.000 yuan. Per un sistema in grado di proteggere tre generatori a turbina-da 36 MW per oltre un decennio, si trattava di una cifra modesta.

PRESTAZIONI SUL CAMPO: 83 CAMPIONI IN 4 ANNI

Tra il 1977 e il 1980 sono stati raccolti l'impianto e la stazione di monitoraggio dell'area dell'invaso83 campioni di acqua accoppiatiall'ingresso e all'uscita del serbatoio, analizzando sia la concentrazione dei sedimenti che la distribuzione granulometrica. I risultati raccontano una storia coerente:

1.Il sedimento grossolano (d > 0,025 mm) si è depositato bene. L'effluente conteneva solo10–15%delle particelle grossolane presenti nell'affluente - un tasso di rimozione elevato per la frazione che effettivamente causa l'intasamento.

2.La dimensione media delle particelle nell'effluente era costantemente inferiore a quella dell'affluente. Il serbatoio stava facendo esattamente ciò per cui era stato progettato: rimuovere selettivamente le particelle più grandi e di dimensioni-intasanti.

3.Nell'effluente è aumentata la percentuale di sedimento con d < 0,025 mm, mentre è diminuita la percentuale con d > 0,025 mm - confermando la rimozione selettiva della frazione grossolana problematica.

4.L'efficienza di rimozione dei sedimenti è migliorata con la concentrazione degli affluenti. Con un afflusso di progetto di 20 kg/m³, la rimozione complessiva è stata superata65%.

Tabella 1: Efficienza di rimozione in base alla dimensione delle particelle (d > 0,025 mm limite)

La tabella conferma che l'efficienza di rimozione per la frazione grossolana (d > 0,025 mm) è elevata, mentre la frazione fine (d < 0,025 mm) passa più facilmente -, il che è accettabile, poiché sono le particelle grossolane a causare l'intasamento del refrigeratore.

Tabella 2: Velocità di trasporto dei sedimenti ed efficienza di rimozione (dati misurati nel 1980)

Tutti e tre i periodi di misurazione mostrano tassi di rimozione superiori al 50%, con il tasso più alto -70%- in coincidenza con la concentrazione più alta di affluenti (9,52 kg/m³ in media). Ciò conferma la tendenza:quanto più sporca è l'acqua in entrata, tanto più efficientemente il sedimentatore rimuove i sedimenti- esattamente il comportamento necessario durante i picchi-della stagione delle inondazioni.

PERCHÉ I DATI SUL CAMPO NON RISPETTANO IL MODELLO - E PERCHÉ NON ERA IMPORTANTE

I test sul modello avevano previsto una rimozione del 92-98% al carico di progetto. I dati sul campo hanno mostrato il 58-70%. Tre fattori spiegano il divario:

1. Operazione con un-serbatoio singolo rispetto a una progettazione con due-serbatoi.La stazione necessitava di 1.280 m³/h di acqua di raffreddamento. Il calcolo progettuale - basato sulla superficie di sedimentazione richiesta di 427 m² - prevedevadue serbatoi(ciascuno 254,5 m²). A causa dei vincoli del sito, ne è stato costruito solo uno. Il serbatoio singolo funzionava continuamente al di sopra del carico superficiale di progettazione. Il tempo di ritenzione all'interno dei tubi a nido d'ape era più breve di quanto ipotizzato dal modello e l'efficienza della sedimentazione ne ha risentito di conseguenza.

2. Concentrazioni di influenzanti inferiori-rispetto-a progetto.In 13 anni di funzionamento si è verificata solo una concentrazione media giornaliera di sedimenti di 20 kg/m³due o tre giorni all'anno- e in alcuni anni, per niente. Il serbatoio ha trascorso gran parte della sua vita operando ben al di sotto del carico influente di progetto. Anche i fanghi non sono stati scaricati al volume previsto, il che ha ulteriormente influito sull'efficienza.

3. Limitazioni del campionamento.La metodologia di test - incluso il numero di campioni, le posizioni di campionamento e la rappresentatività dei dati - è stata riconosciuta come insufficiente per una valutazione definitiva delle prestazioni. Il 58-70% misurato è probabilmente una stima conservativa.

Eppure, nonostante utilizzasse un unico serbatoio laddove ne erano specificati due, il sistema ha fornito ciò che contava:zero arresti forzati dovuti a guasti al sistema di raffreddamento in 13 stagioni di inondazioni. When combined with alternating forward-reverse cooling system operation, no severe wear or clogging was found in cooler end covers or pipes during inspections. The honeycomb settler did not need to achieve 98% removal to succeed - it only needed to remove enough of the >Frazione di 0,025 mm per mantenere puliti i refrigeratori. Lo ha fatto.

COSA SIGNIFICA PER LE ALTRE STAZIONI IDROELETTRICA

1.I sedimentatori a tubi inclinati funzionano per l'acqua di raffreddamento industriale - non solo per il trattamento dell'acqua potabile. L'obiettivo prestazionale è diverso (rimuovere le particelle grossolane, non ottenere una trasparenza inferiore a-NTU), ma i principi idraulici sono identici.

2.La scelta del materiale dipende dall'applicazione. Il nido d'ape di carta ha funzionato per quattro anni a 40.000 yuan. L'alluminio è durato nove anni (e oltre) a 120.000 yuan. Per le installazioni odierne, PVC e PP offrono una via di mezzo in termini di costi-durabilità che né la carta né l'alluminio potevano eguagliare nel 1975.

3.Un singolo serbatoio sottodimensionato può comunque garantire affidabilità operativa se l'obiettivo di progettazione è definito correttamente. Il serbatoio Bapanxia occupava la metà dell'area richiesta - ma poiché l'obiettivo era una protezione più fresca, non una chiarezza perfetta, ci è riuscito.

4.Per le centrali idroelettriche su fiumi carichi di sedimenti-, i colonizzatori a tubi inclinati a nido d'ape offrono bassa complessità tecnica, basso costo, sedimentazione rapida e vantaggi di ingombro ridotto - particolarmente preziosi quando il sito della stazione è spazialmente limitato.