Honeycomb Inlined Tube Settlers for Hydropower Cooling Water: 13 Seasons Flood, Zero Shutdows at Bapanxia

Ένας υδροηλεκτρικός σταθμός σε ένα ποτάμι{0}βαρύ ιζήματος έχει ένα πρόβλημα που οι περισσότεροι μηχανικοί επεξεργασίας νερού δεν βλέπουν ποτέ: το νερό ψύξης για τις μονάδες γεννήτριας-του στροβίλου μεταφέρει τόση άμμο και γρασίδι που φράζει τα στερεά του ψυγείου. Οι θερμοκρασίες του πηνίου του στάτη αυξάνονται. Τα ρουλεμάν υπερθερμαίνονται. Η μονάδα απενεργοποιείται εκτός σύνδεσης - όχι λόγω μηχανικής βλάβης, αλλά επειδή το νερό που υποτίθεται ότι την κρυώνει έχει μετατραπεί σε λειαντικό πολτό. Στον υδροηλεκτρικό σταθμό Bapanxia, ​​τρεις μονάδες σουηδικής κατασκευής 36.000 kW αντιμετώπιζαν αυτήν ακριβώς την απειλή κάθε εποχή πλημμύρας. Το 1975, ο σταθμός εγκατέστησε έναν κυψελωτό αγωγό σωλήνων με κλίση. Στο επόμενο13 εποχές πλημμυρών- επτά μήνες το χρόνο, Απρίλιος έως Οκτώβριος - ούτε μία μονάδα δεν χάθηκε λόγω βλάβης του συστήματος ψύξης.

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΜΕ ΤΟ ΝΕΡΟ ΨΥΞΗΣ ΔΕΝ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΛΥΣΕΙ ΚΑΜΙΑ ΑΝΤΛΙΑ

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί σε ποτάμια με βαριά φορτία ιζημάτων αντιμετωπίζουν εποχιακή κρίση. Κατά τις περιόδους πλημμύρας, το νερό της δεξαμενής μεταφέρει συγκεντρώσεις άμμου που θα ήταν αδιανόητες σε μια δημοτική μονάδα επεξεργασίας νερού. Εάν αυτό το νερό λαμβάνεται απευθείας από το μπροστινό μέρος του φράγματος για ψύξη της μονάδας, η άμμος και τα φυτικά υπολείμματα γεμίζουν σφιχτά τους σωλήνες του ψυγείου. Η απόφραξη είναι μηχανική και ο ολικός - καθαρισμός και η εκβάθυνση των ψυγείων είναι εξαιρετικά δύσκολος, χρονοβόρος-και συχνά βλάπτει τον εξοπλισμό. Ορισμένοι σταθμοί καταφεύγουν σε εναλλασσόμενη λειτουργία προς τα εμπρός και προς τα πίσω του συστήματος ψύξης για να ξεπλύνουν τους σωλήνες, αλλά αυτό βοηθά μόνο εν μέρει: δεν μπορεί να καθαρίσει πλήρως το μπλοκάρισμα και οι συνεχείς αναστροφές επιταχύνουν τη φθορά στους ίδιους τους σωλήνες του ψυγείου.

Οι ψύκτες{0}}της Ελβετίας στο Bapanxia είχαν αυστηρές απαιτήσεις ποιότητας νερού. Χρειαζόταν ένα διάλυμα καθίζησης - που θα μπορούσε να χειριστείΣυγκέντρωση εισερχόμενου ιζήματος 20 kg/m³κατά τη διάρκεια κορυφών πλημμύρας και εξακολουθεί να παρέχει αρκετό καθαρό νερό για την ψύξη τριών μονάδων 36 MW.

ΠΩΣ ΔΕΝ ΜΠΟΡΕΙ ΜΙΑ ΑΝΟΙΧΤΗ ΔΕΞΑΜΕΝΗ ΟΙ ΣΩΛΗΝΕΣ ΚΗΡΗΤΗΣ

Ο επικλινής καθιζητής σωλήνων με κυψέλη σχεδιάστηκε με βάση τρεις αρχές που προέρχονται από τη θεωρία καθίζησης ρηχών-στρωμάτων:

Αρχή 1 - Πολλαπλασιασμός εμβαδού.Η καθίζηση είναι συνάρτηση της επιφάνειας του νερού. Η προσθήκη κεκλιμένων σωλήνων με κηρήθρα αυξάνει την αποτελεσματική περιοχή καθίζησης κατάδεκάδες φορέςσε σύγκριση με μια ανοιχτή δεξαμενή του ίδιου αποτυπώματος. Περισσότερη περιοχή σημαίνει ταχύτερος διαχωρισμός.

Αρχή 2 - Σταθεροποίηση στρωτής ροής.Το νερό που ρέει μέσα από τις κυψελίδες έχει μια εξαιρετικά μεγάλη βρεγμένη περίμετρο, η οποία μειώνει δραματικά την υδραυλική ακτίνα. Αυτό μειώνει τον αριθμό Reynolds, σταθεροποιώντας τη ροή σε ένα στρωτό καθεστώς. Το ίζημα και το νερό διαχωρίζονται καθαρά - χωρίς αναταράξεις για να διατηρούνται τα σωματίδια σε αιώρηση.

Αρχή 3 - Καθίζηση στρώσης λάσπης-.Μέσα στους κεκλιμένους σωλήνες, το ίζημα κατακάθεται σε κατάσταση στρώσης λάσπης-. Αυτό όχι μόνο μειώνει την απόσταση και τον χρόνο καθίζησης αλλά αυξάνει επίσης την αποτελεσματική επιφάνεια καθίζησης, ενισχύοντας τη συνολική απόδοση. Δοκιμές μοντέλων σε κλίμακα 1:1 έδειξαν ότι σε συγκέντρωση εισροής ιζήματος σχεδιασμού 20 kg/m³ και επιφανειακή φόρτιση3–5 m³/m²·h, επιτεύχθηκε ο ρυθμός απομάκρυνσης των ιζημάτων92–98%, με μόνο το 3% των σωματιδίων εκροής να υπερβαίνει τα 0,025 mm - το κρίσιμο μέγεθος στο οποίο αρχίζει η απόφραξη των ψυχρών.

ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ: ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΕΩΣ ΤΗΝ ΚΕΦΑΛΗ ΨΥΞΗΣ ΝΕΡΟΥ

Μια αποκλειστική υδροληψία κατασκευάστηκε μπροστά από το φράγμα, με τα πάνω και τα κάτω λιμάνια να λειτουργούν ως αμοιβαία εφεδρικά. Κάθε θύρα έχει μια σταθερή σχάρα απορριμμάτων. μια κοινή κινητή σχάρα απορριμμάτων στο μπροστινό μέρος της εισαγωγής παρεμποδίζει μεγαλύτερα υδρόβια ζιζάνια και συντρίμμια. Το νερό αντλείται μέσω ενός σωλήνα κεφαλής στην ανάντη πλευρά του αντλιοστασίου και χωρίζεται σε τέσσερις γραμμές, που τροφοδοτούνται από τέσσεριςΦυγοκεντρικές αντλίες 12Sh-19(και τα τέσσερα υποστηρίζουν το ένα το άλλο). Ένα αυτόματο φίλτρο πριν από κάθε αντλία παρέχει ένα τελικό φίλτρο για λεπτά υπολείμματα πριν το νερό εισέλθει στη δεξαμενή καθίζησης.

Μέσα στη δεξαμενή -18 m διάμετρος, 18 m ύψος, 0,3 m ύψος εξάλων- το νερό ανεβαίνει μέσω μιας κοιλότητας διανομής με ταχύτητα εξόδου 50 mm/s. Η ανοδική ταχύτητα στην επιφάνεια του νερού είναι ήπια0,2–0,8 mm/s. Αφού περάσει μέσα από τους κυψελοειδείς σωλήνες, το διαυγές νερό ανεβαίνει και συλλέγεται μέσω πλευρικών ανοιγμάτων σε οκτώ ακτινικές κοντές γούρνες συλλογής (βλ. Εικόνα 1), οι οποίες τροφοδοτούνται σε μια δακτυλιοειδή λεκάνη συλλογής γύρω από την περίμετρο της δεξαμενής. Από εκεί, ένας σωλήνας εξόδου φ500 mm παραδίδει το επεξεργασμένο νερό στην κεφαλή του νερού ψύξης που εξυπηρετεί όλες τις μονάδες. Το χρησιμοποιημένο ψυκτικό νερό απορρίπτεται εξ ολοκλήρου στην οπή.

Το καθιζημένο ίζημα πέφτει σε αΚωνική χοάνη 60 μοιρώνστον πυθμένα της δεξαμενής και εκκενώνεται στην οπή μέσω σωλήνα λάσπης. Η δομή της δεξαμενής φαίνεται στο σχήμα 2.

Η ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΗ ΚΗΡΗΤΗΣ - ΚΑΙ Η ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΥΛΙΚΟΥ

Τα κυψελοειδή κύτταρα είναι κανονικά εξάγωνα με αΔιάμετρος εγγεγραμμένου κύκλου 50 mm. Κάθε μονάδα σωλήνα είναιΜήκος 1 m, με κλίση 60 μοιρών, δίνοντας κατακόρυφο ύψος 0,866μ. Οι σωλήνες συναρμολογούνται σε ορθογώνιες κυψελωτές μονάδες 1 × 0,5 × 0,5 m.

Χρησιμοποιήθηκε η αρχική εγκατάσταση του 1975χάρτινη κηρήθρα- 80 g χαρτί κραφτ Jiamusi βουτηγμένο σε φαινολική ρητίνη και ωριμασμένο με θερμότητα-. Το κόστος της χάρτινης κηρήθρας40.000 γιουάν. Δούλεψε, αλλά το υλικό είχε σαφείς περιορισμούς: κακή αντοχή και σκληρότητα, και γερνούσε. Μετά από τέσσερα χρόνια λειτουργίας, στο1979, η χάρτινη κηρήθρα αντικαταστάθηκε μεκηρήθρα αλουμινίουμε κόστος120.000 γιουάν- τριπλάσια τιμή, αλλά πολύ πιο ανθεκτικό. Μετά από εννέα χρόνια επακόλουθης λειτουργίας, το αλουμίνιο παρουσίασε ελάχιστη επιφανειακή διάβρωση και παρέμεινε δομικά άθικτο.

Απαιτείται η ίδια η δεξαμενή από σκυρόδεμα1.400 m³ σκυροδέματος, 50 τόνοι οπλισμού χάλυβα, και το κόστος160.000 γιουάν. Συνολικά - δεξαμενή, χάρτινη κηρήθρα και αργότερα αναβάθμιση αλουμινίου - η συνολική επένδυση ήταν 320.000 γιουάν. Για ένα σύστημα που θα προστάτευε τρεις γεννήτριες τουρμπίνας-36 MW για πάνω από μια δεκαετία, αυτό ήταν μέτριο.

ΕΠΙΔΟΣΕΙΣ ΠΕΔΙΟΥ: 83 ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΣΕ 4 ΧΡΟΝΙΑ

Μεταξύ 1977 και 1980, το εργοστάσιο και ο σταθμός παρακολούθησης της περιοχής ταμιευτήρα συνέλεξαν83 ζευγαρωμένα δείγματα νερούστην είσοδο και έξοδο της δεξαμενής, αναλύοντας τόσο τη συγκέντρωση ιζήματος όσο και την κατανομή μεγέθους σωματιδίων. Τα αποτελέσματα λένε μια συνεπή ιστορία:

1.Χονδρό ίζημα (d > 0,025 mm) καθιζάνει καλά. Τα λύματα περιείχαν μόνο10–15%από τα χονδροειδή σωματίδια που υπάρχουν στο εισερχόμενο - υψηλό ποσοστό απομάκρυνσης για το κλάσμα που στην πραγματικότητα προκαλεί απόφραξη.

2.Το διάμεσο μέγεθος σωματιδίων στην εκροή ήταν σταθερά μικρότερο από ό,τι στην εκροή. Η δεξαμενή έκανε ακριβώς αυτό που είχε σχεδιαστεί για να κάνει: αφαίρεση επιλεκτικά των μεγαλύτερων σωματιδίων-του μεγέθους.

3.Το ποσοστό του ιζήματος με d < 0,025 mm αυξήθηκε στην εκροή, ενώ το ποσοστό με d > 0,025 mm μειώθηκε - επιβεβαιώνοντας την επιλεκτική αφαίρεση του προβληματικού χονδροειδούς κλάσματος.

4.Η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης ιζημάτων βελτιώθηκε με τη συγκέντρωση εισροής. Στη σχεδιαστική εισροή 20 kg/m³, η συνολική αφαίρεση υπερέβη65%.

Πίνακας 1: Αποδοτικότητα αφαίρεσης κατά μέγεθος σωματιδίων (d > όριο 0,025 mm)

Ο πίνακας επιβεβαιώνει ότι η αποτελεσματικότητα αφαίρεσης για το χονδρό κλάσμα (d > 0,025 mm) είναι ισχυρή, ενώ το λεπτό κλάσμα (d < 0,025 mm) διέρχεται πιο εύκολα από -, κάτι που είναι αποδεκτό, καθώς τα χονδροειδή σωματίδια είναι αυτά που προκαλούν πιο ψυχρή απόφραξη.

Πίνακας 2: Ρυθμός μεταφοράς ιζήματος και απόδοση απομάκρυνσης (μετρημένα δεδομένα 1980)

Και οι τρεις περίοδοι μέτρησης εμφανίζουν ποσοστά αφαίρεσης άνω του 50%, με το υψηλότερο ποσοστό -70%- που συμπίπτει με την υψηλότερη συγκέντρωση εισροής (9,52 kg/m³ μέσος όρος). Αυτό επιβεβαιώνει την τάση:Όσο πιο βρώμικο είναι το εισερχόμενο νερό, τόσο πιο αποτελεσματικά ο ιζηματοποιητής απομακρύνει τα ιζήματα- ακριβώς τη συμπεριφορά που απαιτείται κατά την περίοδο αιχμής πλημμυρών-.

ΓΙΑΤΙ ΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΠΕΔΙΟΥ ΚΑΤΑΠΛΗΚΤΟΥΝ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ - ΚΑΙ ΓΙΑΤΙ ΔΕΝ ΕΧΟΥΝ ΣΗΜΑΣΙΑ

Οι δοκιμές μοντέλων είχαν προβλέψει 92–98% αφαίρεση κατά τη φόρτωση του σχεδιασμού. Τα δεδομένα πεδίου έδειξαν 58–70%. Τρεις παράγοντες εξηγούν το χάσμα:

1. Λειτουργία μονής-δεξαμενής έναντι σχεδίασης δύο-δεξαμενών.Ο σταθμός χρειαζόταν 1.280 m³/h νερού ψύξης. Ο υπολογισμός σχεδιασμού - με βάση την απαιτούμενη επιφάνεια καθίζησης των 427 m² - απαιτήθηκεδύο δεξαμενές(κάθε 254,5 m²). Λόγω περιορισμών της τοποθεσίας, κατασκευάστηκε μόνο ένα. Η ενιαία δεξαμενή έτρεχε συνεχώς πάνω από την επιφανειακή της φόρτιση. Ο χρόνος συγκράτησης μέσα στους κυψελοειδείς σωλήνες ήταν μικρότερος από ό,τι υποτίθεται το μοντέλο και η αποτελεσματικότητα της καθίζησης υπέστη αναλόγως.

2. Χαμηλότερες-από-συγκεντρώσεις εισροής σχεδιασμού.Για 13 χρόνια λειτουργίας, σημειώθηκε μόνο ημερήσια μέση συγκέντρωση ιζήματος 20 kg/m³δύο έως τρεις ημέρες το χρόνο- και σε μερικά χρόνια, καθόλου. Η δεξαμενή πέρασε το μεγαλύτερο μέρος της ζωής της λειτουργώντας πολύ κάτω από το σχεδιαστικό φορτίο εισροής. Η λάσπη επίσης δεν εκκενώθηκε στον όγκο σχεδιασμού, γεγονός που επηρέασε περαιτέρω την απόδοση.

3. Περιορισμοί δειγματοληψίας.Η μεθοδολογία δοκιμής -, συμπεριλαμβανομένου του αριθμού των δειγμάτων, των τοποθεσιών δειγματοληψίας και της αντιπροσωπευτικότητας των δεδομένων - αναγνωρίστηκε ως ανεπαρκής για μια οριστική αξιολόγηση απόδοσης. Το μετρούμενο 58-70% είναι πιθανώς μια συντηρητική εκτίμηση.

Και όμως, παρά το γεγονός ότι έτρεχε μια ενιαία δεξαμενή όπου είχαν καθοριστεί δύο, το σύστημα παρέδωσε αυτό που είχε σημασία:μηδενικές αναγκαστικές διακοπές λειτουργίας λόγω βλάβης του συστήματος ψύξης σε 13 περιόδους πλημμυρών. 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 >Κλάσμα 0,025 mm για να διατηρούνται καθαροί οι ψύκτες. Το έκανε.

ΤΙ ΣΗΜΑΙΝΕΙ ΑΥΤΟ ΓΙΑ ΑΛΛΟΥΣ ΥΔΡΟΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ

1.Οι επικλινείς αγωγοί σωλήνων εργάζονται για βιομηχανικό νερό ψύξης - όχι μόνο για επεξεργασία πόσιμου νερού. Ο στόχος απόδοσης είναι διαφορετικός (αφαιρέστε τα χονδροειδή σωματίδια, μην επιτύχετε υπο-διαύγεια NTU), αλλά οι υδραυλικές αρχές είναι πανομοιότυπες.

2.Η επιλογή υλικού εξαρτάται από την εφαρμογή. Η χάρτινη κηρήθρα λειτούργησε για τέσσερα χρόνια στα 40.000 γιουάν. Το αλουμίνιο διήρκεσε εννέα χρόνια (και μετρώντας) στα 120.000 γιουάν. Για τις σημερινές εγκαταστάσεις, το PVC και το PP προσφέρουν ένα μέσο κόστος-αντοχής που ούτε το χαρτί ούτε το αλουμίνιο θα μπορούσαν να ταιριάξουν το 1975.

3.Μια ενιαία δεξαμενή μικρού μεγέθους μπορεί να προσφέρει λειτουργική αξιοπιστία εάν ο στόχος σχεδιασμού έχει καθοριστεί σωστά. Η δεξαμενή Bapanxia ήταν η μισή από την απαιτούμενη περιοχή - αλλά επειδή ο στόχος ήταν η πιο δροσερή προστασία και όχι η τέλεια διαύγεια, πέτυχε.

4.Για υδροηλεκτρικούς σταθμούς σε ποταμούς-με ιζήματα, οι κατακάθιστοι σωλήνων με κλίση κηρήθρας προσφέρουν χαμηλή τεχνική πολυπλοκότητα, χαμηλό κόστος, ταχεία καθίζηση και μικρό αποτύπωμα - πλεονεκτήματα που είναι ιδιαίτερα πολύτιμα όταν η τοποθεσία του σταθμού είναι χωρικά περιορισμένη.