Colonizadores de tubo inclinado en forma de panal para agua de refrigeración de energía hidroeléctrica: 13 temporadas de inundaciones, cero paradas en Bapanxia

Una central hidroeléctrica en un río con mucho sedimento-tiene un problema que la mayoría de los ingenieros de tratamiento de agua nunca ven: el agua de refrigeración para las unidades generadoras-de turbina transporta tanta arena y pasto que obstruye los enfriadores. Las temperaturas de la bobina del estator aumentan. Los rodamientos se sobrecalientan. La unidad se desconecta - no por una falla mecánica, sino porque el agua que se supone debe enfriarla se ha convertido en una lechada abrasiva. En la central hidroeléctrica de Bapanxia, ​​tres unidades de 36.000 kW construidas en Suecia-enfrentaron exactamente esta amenaza cada temporada de inundaciones. En 1975, la estación instaló un sedimentador de tubos inclinados alveolar. Durante el próximo13 temporadas de inundaciones- siete meses al año, de abril a octubre - no se perdió ni una sola unidad debido a una falla en el sistema de enfriamiento.

EL PROBLEMA DEL AGUA DE REFRIGERACIÓN NINGUNA BOMBA PUEDE SOLUCIONAR

Las centrales hidroeléctricas situadas en ríos con grandes cargas de sedimentos se enfrentan a una crisis estacional. Durante las temporadas de inundaciones, el agua de los embalses transporta concentraciones de arena que serían impensables en una planta de tratamiento de agua municipal. Si esta agua se toma directamente del frente de la presa para enfriar la unidad, la arena y los restos de plantas llenan firmemente los tubos del enfriador. El bloqueo es mecánico y la - limpieza total y el dragado de los refrigeradores es extremadamente difícil, requiere mucho tiempo-y a menudo daña el equipo. Algunas estaciones recurren a alternar el funcionamiento hacia adelante y hacia atrás del sistema de enfriamiento para lavar los tubos, pero esto solo ayuda parcialmente: no puede eliminar completamente la obstrucción y las constantes inversiones aceleran el desgaste de los propios tubos del enfriador.

Las hieleras-fabricadas en Suiza en Bapanxia tenían estrictos requisitos de calidad del agua. Se necesitaba una solución de sedimentación - que pudiera manejarConcentración de sedimento afluente de 20 kg/m³durante los picos de inundaciones y aún así suministrar suficiente agua limpia para enfriar tres unidades de 36 MW.

CÓMO LOS TUBOS DE PANAL HACEN LO QUE UN TANQUE ABIERTO NO PUEDE

El sedimentador de tubo inclinado en forma de panal se diseñó basándose en tres principios derivados de la teoría de la sedimentación de capas-superficiales:

Principio 1 - Multiplicación de áreas.La sedimentación es función de la superficie del agua. Agregar tubos inclinados en forma de panal aumenta el área de asentamiento efectiva aldocenas de vecesen comparación con un tanque abierto del mismo tamaño. Más área significa una separación más rápida.

Principio 2 - Estabilización del flujo laminar.El agua que fluye a través de las celdas alveolares tiene un perímetro húmedo excepcionalmente grande, lo que reduce drásticamente el radio hidráulico. Esto reduce el número de Reynolds, estabilizando el flujo en un régimen laminar. Los sedimentos y el agua se separan limpiamente - sin turbulencias para mantener las partículas en suspensión.

Principio 3 -Lodos-sedimentación de capas.Dentro de los tubos inclinados, el sedimento se deposita en forma de capa-lodo. Esto no sólo acorta la distancia y el tiempo de asentamiento, sino que también aumenta la superficie de asentamiento efectiva, aumentando la eficiencia general. Las pruebas del modelo a escala 1:1 mostraron que con una concentración de sedimento afluente de diseño de 20 kg/m³ y una carga superficial de3–5 m³/m²·h, la tasa de eliminación de sedimentos alcanzó92–98%, y solo el 3 % de las partículas del efluente superan los 0,025 mm - el tamaño crítico en el que comienza la obstrucción del enfriador.

EL SISTEMA: DESDE LA TOMA DE LA PRESA HASTA EL CABEZAL DE AGUA DE ENFRIAMIENTO

Se construyó una toma de agua exclusiva frente a la presa, con los puertos superior e inferior sirviendo como respaldo mutuo. Cada puerto tiene un estante para basura fijo; un estante de basura móvil común en el frente de entrada intercepta las malezas y los desechos acuáticos más grandes. El agua se extrae a través de una tubería colectora en el lado aguas arriba de la casa de bombas y se divide en cuatro líneas, alimentadas por cuatroBombas centrífugas 12Sh-19(los cuatro se apoyan mutuamente). Un filtro automático antes de cada bomba proporciona un filtro final para los desechos finos antes de que el agua ingrese al tanque de sedimentación.

Dentro del tanque -18 m de diámetro, 18 m de altura, 0,3 m de francobordo- el agua asciende a través de un canal de distribución a una velocidad de salida de 50 mm/s. La velocidad ascendente en la superficie del agua es una suave0,2–0,8 mm/s. Después de pasar a través de los tubos alveolares, el agua clarificada sube y se recoge a través de aberturas laterales en ocho canales de recolección radiales cortos (ver Figura 1), que alimentan un canal de recolección anular alrededor del perímetro del tanque. Desde allí, una tubería de salida de φ500 mm entrega el agua tratada al cabezal de agua de refrigeración que sirve a todas las unidades. El agua de refrigeración usada se descarga íntegramente en el canal de salida.

El sedimento sedimentado cae en unTolva cónica de 60 grados.en el fondo del tanque y se descarga al canal de descarga a través de una tubería de lodos. La estructura del tanque se muestra en la Figura 2.

LA ESPECIFICACIÓN DEL PANAL - Y LA ACTUALIZACIÓN DEL MATERIAL

Las celdas alveolares son hexágonos regulares con una50 mm de diámetro del círculo inscrito. Cada módulo de tubo es1 m de largo, inclinado a 60 grados, dando una altura vertical de 0,866 m. Los tubos se ensamblan en unidades de panal rectangulares de 1 × 0,5 × 0,5 m.

La instalación original de 1975 utilizópanal de papel- 80 g de papel kraft Jiamusi sumergido en resina fenólica y curado con calor-. El costo del panal de papel.40.000 yuanes. Funcionó, pero el material tenía limitaciones claras: poca resistencia y dureza, y envejecía. Después de cuatro años de funcionamiento, en1979, el panal de papel fue reemplazado porpanal de aluminioa un costo de120.000 yuanes- tres veces más caro, pero mucho más duradero. Después de nueve años de funcionamiento posterior, el aluminio sólo mostró una corrosión superficial menor y permaneció estructuralmente intacto.

El propio tanque de hormigón requería1.400 m³ de hormigón, 50 toneladas de refuerzo de aceroy costo160.000 yuanes. En total - tanque, panal de papel y posteriormente actualización de aluminio - la inversión total fue de 320.000 yuanes. Para un sistema que protegería tres generadores de turbina-de 36 MW durante más de una década, esto era modesto.

DESEMPEÑO EN CAMPO: 83 MUESTRAS EN 4 AÑOS

Entre 1977 y 1980, la planta y la estación de monitoreo del área del embalse recogieron83 muestras de agua pareadasen la entrada y salida del tanque, analizando tanto la concentración de sedimentos como la distribución granulométrica. Los resultados cuentan una historia consistente:

1.El sedimento grueso (d > 0,025 mm) se sedimentó bien. El efluente contenía sólo10–15%de las partículas gruesas presentes en el afluente - una alta tasa de eliminación de la fracción que realmente causa la obstrucción.

2.El tamaño medio de las partículas en el efluente fue consistentemente menor que en el afluente. El tanque estaba haciendo exactamente lo que fue diseñado para hacer: eliminar selectivamente las partículas más grandes que obstruyen el tamaño-.

3.El porcentaje de sedimento con d < 0,025 mm aumentó en el efluente, mientras que el porcentaje con d > 0,025 mm disminuyó - confirmando la eliminación selectiva de la fracción gruesa problemática.

4.La eficiencia de eliminación de sedimentos mejoró con la concentración del afluente. En el afluente de diseño de 20 kg/m³, la eliminación total excedió65%.

Tabla 1: Eficiencia de eliminación por tamaño de partícula (d > límite de 0,025 mm)

La tabla confirma que la eficiencia de eliminación de la fracción gruesa (d > 0,025 mm) es fuerte, mientras que la fracción fina (d < 0,025 mm) pasa más fácilmente -, lo cual es aceptable, ya que son las partículas gruesas las que causan la obstrucción más fría.

Tabla 2: Tasa de transporte de sedimentos y eficiencia de eliminación (datos medidos en 1980)

Los tres períodos de medición muestran tasas de eliminación superiores al 50 %, siendo la tasa más alta -70%- coincidiendo con la mayor concentración de afluente (9,52 kg/m³ promedio). Esto confirma la tendencia:Cuanto más sucia es el agua entrante, más eficientemente el sedimentador elimina los sedimentos.- exactamente el comportamiento necesario durante los picos de la-temporada de inundaciones.

POR QUÉ LOS DATOS DE CAMPO NO ALCANZARON EL MODELO - Y POR QUÉ NO IMPORTÓ

Las pruebas del modelo habían predicho una eliminación del 92% al 98% con la carga de diseño. Los datos de campo mostraron entre 58% y 70%. Tres factores explican la brecha:

1. Operación con un solo-tanque frente a un diseño de dos-tanques.La estación necesitaba 1.280 m³/h de agua de refrigeración. El cálculo del diseño - basado en el área de sedimentación requerida de 427 m² - requeríados tanques(cada 254,5 m²). Debido a limitaciones del sitio, solo se construyó uno. El tanque único funcionó continuamente por encima de su carga superficial de diseño. El tiempo de retención dentro de los tubos alveolares fue más corto de lo que suponía el modelo y, en consecuencia, la eficiencia de sedimentación se vio afectada.

2. Concentraciones de afluentes inferiores-a-las de diseño.Durante 13 años de funcionamiento, sólo se produjo una concentración media diaria de sedimentos de 20 kg/m³dos o tres días al año- y en algunos años, nada. El tanque pasó la mayor parte de su vida funcionando muy por debajo de la carga de afluente de diseño. Tampoco se descargaron lodos al volumen de diseño, lo que afectó aún más la eficiencia.

3. Limitaciones de muestreo.La metodología de prueba -, incluido el número de muestras, los lugares de muestreo y la representatividad de los datos -, se reconoció como insuficiente para una evaluación definitiva del desempeño. Es probable que el 58-70% medido sea una estimación conservadora.

Y, sin embargo, a pesar de utilizar un solo tanque cuando se especificaban dos, el sistema entregó lo que importaba:cero paradas forzadas debido a fallas en el sistema de enfriamiento en 13 temporadas de inundaciones. 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 >Fracción de 0,025 mm para mantener despejados los refrigeradores. Lo hizo.

LO QUE ESTO SIGNIFICA PARA OTRAS CENTRACIONES HIDROELÉCTRICAS

1.Los sedimentadores de tubos inclinados funcionan para agua de refrigeración industrial - no sólo para el tratamiento de agua potable. El objetivo de rendimiento es diferente (eliminar partículas gruesas, no lograr una claridad sub-NTU), pero los principios hidráulicos son idénticos.

2.La elección del material depende de la aplicación. El panal de papel funcionó durante cuatro años por 40.000 yuanes. El aluminio duró nueve años (y contando) por 120.000 yuanes. Para las instalaciones actuales, el PVC y el PP ofrecen un punto medio de costo-durabilidad que ni el papel ni el aluminio podían igualar en 1975.

3.Un solo tanque de tamaño insuficiente aún puede ofrecer confiabilidad operativa si el objetivo del diseño se define correctamente. El tanque Bapanxia tenía la mitad del área requerida - pero como el objetivo era una protección más fría, no una claridad perfecta, lo logró.

4.Para las centrales hidroeléctricas en ríos-cargados de sedimentos, los sedimentadores de tubos inclinados en forma de panal ofrecen ventajas de baja complejidad técnica, bajo costo, sedimentación rápida y una huella pequeña - que son especialmente valiosas cuando el sitio de la estación tiene limitaciones espaciales.