Colonizadores de tubos inclinados em favo de mel para água de resfriamento de energia hidrelétrica: 13 temporadas de inundação, zero paradas em Bapanxia

Uma estação hidrelétrica em um rio cheio de sedimentos tem um problema que a maioria dos engenheiros de tratamento de água nunca vê: a água de resfriamento das unidades geradoras de turbina carrega tanta areia e grama que obstrui os refrigeradores. As temperaturas da bobina do estator aumentam. Os rolamentos superaquecem. A unidade desliga-se - não por causa de uma falha mecânica, mas porque a água que deveria resfriá-la se transformou em uma pasta abrasiva. Na Central Hidroeléctrica de Bapanxia, ​​três unidades de 36.000 kW construídas na Suécia enfrentaram exactamente esta ameaça em cada época de cheias. Em 1975, a estação instalou um decantador tubular inclinado em forma de favo de mel. No próximo13 temporadas de inundação- sete meses por ano, de abril a outubro - nem uma única unidade foi perdida devido a falhas no sistema de refrigeração.

O PROBLEMA DA ÁGUA DE RESFRIAMENTO NENHUMA BOMBA PODE RESOLVER

As centrais hidroeléctricas em rios com grandes cargas de sedimentos enfrentam uma crise sazonal. Durante as épocas de cheias, a água do reservatório transporta concentrações de areia que seriam impensáveis ​​numa estação de tratamento de água municipal. Se esta água for retirada diretamente da frente da barragem para resfriamento da unidade, areia e restos de plantas compactarão firmemente os tubos do resfriador. O bloqueio é mecânico e total – limpar e dragar os resfriadores é extremamente difícil, demorado e muitas vezes danifica os equipamentos. Algumas estações recorrem à operação alternada para frente e para trás do sistema de resfriamento para lavar os tubos, mas isso ajuda apenas parcialmente: não é possível eliminar totalmente o bloqueio e as inversões constantes aceleram o desgaste dos próprios tubos do resfriador.

Os refrigeradores fabricados na Suíça em Bapanxia tinham requisitos rígidos de qualidade da água. Era necessária uma solução de sedimentação - uma que pudesse lidar comConcentração de sedimentos influentes de 20 kg/m³durante os picos de cheia e ainda fornecer água limpa suficiente para arrefecer três unidades de 36 MW.

COMO OS TUBOS DE FAVO DE MEL FAZEM O QUE UM TANQUE ABERTO NÃO PODE

O decantador tubular inclinado em favo de mel foi projetado com base em três princípios derivados da teoria de sedimentação em camadas rasas:

Princípio 1 - Multiplicação de áreas.A sedimentação é uma função da área de superfície da água. A adição de tubos inclinados em forma de favo de mel aumenta a área de assentamento efetiva emdezenas de vezesem comparação com um tanque aberto com a mesma área. Mais área significa separação mais rápida.

Princípio 2 - Estabilização do fluxo laminar.A água que flui através das células do favo de mel tem um perímetro molhado excepcionalmente grande, o que reduz drasticamente o raio hidráulico. Isto reduz o número de Reynolds, estabilizando o fluxo em um regime laminar. Os sedimentos e a água separam-se de forma limpa - sem turbulência para manter as partículas em suspensão.

Princípio 3 - Assentamento da camada de lama.Dentro dos tubos inclinados, os sedimentos se depositam em forma de camada de lodo. Isto não só encurta a distância e o tempo de assentamento, mas também aumenta a superfície de assentamento efetiva, aumentando a eficiência geral. Testes de modelo em escala 1:1 mostraram que com uma concentração de sedimentos influentes projetada de 20 kg/m³ e uma carga superficial de3–5 m³/m²·h, a taxa de remoção de sedimentos atingiu92–98%, com apenas 3% de partículas de efluentes excedendo 0,025 mm – o tamanho crítico no qual começa o entupimento do refrigerador.

O SISTEMA: DA ADMISSÃO DA BARRAGEM AO COLETOR DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO

Uma tomada de água dedicada foi construída em frente à barragem, com portas superiores e inferiores servindo como apoios mútuos. Cada porta possui um rack de lixo fixo; uma grade de lixo móvel comum na frente de entrada intercepta ervas daninhas e detritos aquáticos maiores. A água é retirada através de um tubo coletor no lado a montante da casa de bombas e dividida em quatro linhas, alimentadas por quatroBombas centrífugas 12Sh-19(todos os quatro apoiando-se). Um filtro automático antes de cada bomba fornece um filtro final para detritos finos antes que a água entre no tanque de sedimentação.

Dentro do tanque -18 m de diâmetro, 18 m de altura, borda livre de 0,3 m- a água sobe através de uma calha de distribuição a uma velocidade de saída de 50 mm/s. A velocidade ascendente na superfície da água é suave0,2–0,8mm/s. Depois de passar pelos tubos alveolares, a água clarificada sobe e é coletada através de aberturas laterais em oito calhas coletoras curtas radiais (ver Figura 1), que alimentam uma calha coletora anular ao redor do perímetro do tanque. A partir daí, um tubo de saída de φ500 mm fornece a água tratada para o coletor de água de resfriamento que atende todas as unidades. A água de resfriamento utilizada descarrega inteiramente no canal de fuga.

O sedimento sedimentado cai em umFunil cônico de 60 grausno fundo do tanque e é descarregado no canal de fuga através de uma tubulação de lodo. A estrutura do tanque é mostrada na Figura 2.

A ESPECIFICAÇÃO DO FAVO DE MEL - E A ATUALIZAÇÃO DO MATERIAL

As células do favo de mel são hexágonos regulares comDiâmetro do círculo inscrito de 50 mm. Cada módulo de tubo é1 m de comprimento, inclinado a 60 graus, dando uma altura vertical de 0,866 m. Os tubos são montados em unidades retangulares de favo de mel de 1 × 0,5 × 0,5 m.

A instalação original de 1975 usavafavo de mel de papel- 80 g de papel kraft Jiamusi mergulhado em resina fenólica e curado termicamente. O custo do favo de mel de papel40,000 yuan. Funcionou, mas o material tinha limitações claras: pouca resistência e tenacidade, e envelheceu. Após quatro anos de operação, em1979, o favo de mel de papel foi substituído porfavo de mel de alumínioa um custo de120,000 yuan- três vezes o preço, mas muito mais durável. Após nove anos de operação subsequente, o alumínio apresentou apenas uma pequena corrosão superficial e permaneceu estruturalmente intacto.

O próprio tanque de concreto exigia1.400 m³ de concreto, 50 toneladas de armadura de açoe custo160,000 yuan. Ao todo - tanque, favo de mel de papel e posterior atualização de alumínio - o investimento total foi de 320.000 yuans. Para um sistema que protegeria três turbinas-geradores de 36 MW durante mais de uma década, isto era modesto.

DESEMPENHO EM CAMPO: 83 AMOSTRAS EM 4 ANOS

Entre 1977 e 1980, a usina e a estação de monitoramento da área do reservatório coletaram83 amostras de água emparelhadasna entrada e saída do tanque, analisando tanto a concentração de sedimentos quanto a distribuição granulométrica. Os resultados contam uma história consistente:

1.Sedimentos grossos (d > 0,025 mm) assentaram bem. O efluente continha apenas10–15%das partículas grossas presentes no afluente - uma alta taxa de remoção para a fração que realmente causa o entupimento.

2.O tamanho médio das partículas no efluente foi consistentemente menor do que no afluente. O tanque estava fazendo exatamente o que foi projetado para fazer: remover seletivamente as partículas maiores e do tamanho de entupimentos.

3.A porcentagem de sedimentos com d < 0,025 mm aumentou no efluente, enquanto a porcentagem com d > 0,025 mm diminuiu - confirmando a remoção seletiva da fração grossa problemática.

4.A eficiência de remoção de sedimentos melhorou com a concentração do afluente. No afluente de projeto de 20 kg/m³, a remoção global excedeu65%.

Tabela 1: Eficiência de remoção por tamanho de partícula (d > limite de 0,025 mm)

A tabela confirma que a eficiência de remoção da fração grossa (d > 0,025 mm) é forte, enquanto a fração fina (d < 0,025 mm) passa mais facilmente - o que é aceitável, uma vez que são as partículas grossas que causam entupimento mais frio.

Tabela 2: Taxa de transporte de sedimentos e eficiência de remoção (dados medidos em 1980)

Todos os três períodos de medição mostram taxas de remoção acima de 50%, com a taxa mais alta -70%- coincidindo com a maior concentração afluente (média de 9,52 kg/m³). Isso confirma a tendência:quanto mais suja a água que entra, mais eficientemente o colonizador remove os sedimentos- exactamente o comportamento necessário durante os picos da época de cheias.

POR QUE OS DADOS DE CAMPO FICARAM Aquém DO MODELO - E POR QUE ISSO NÃO IMPORTA

Os testes do modelo previram uma remoção de 92–98% no carregamento de projeto. Os dados de campo mostraram 58–70%. Três fatores explicam a lacuna:

1. Operação de tanque único em comparação com um projeto de dois tanques.A estação necessitava de 1.280 m³/h de água de resfriamento. O cálculo do projeto - baseado na área de sedimentação necessária de 427 m² - previadois tanques(cada 254,5 m²). Devido a restrições do local, apenas um foi construído. O único tanque funcionou continuamente acima de sua carga superficial projetada. O tempo de retenção dentro dos tubos alveolares foi menor do que o modelo assumido, e a eficiência de sedimentação sofreu correspondentemente.

2. Concentrações de afluentes inferiores às projetadas.Ao longo de 13 anos de operação, uma concentração média diária de sedimentos de 20 kg/m³ ocorreu apenasdois a três dias por ano- e em alguns anos, nem um pouco. O tanque passou a maior parte de sua vida operando bem abaixo da carga influente projetada. O lodo também não foi descarregado no volume projetado, o que afetou ainda mais a eficiência.

3. Limitações amostrais.A metodologia de teste – incluindo o número de amostras, locais de amostragem e representatividade dos dados – foi reconhecida como insuficiente para uma avaliação de desempenho definitiva. Os 58–70% medidos são provavelmente uma estimativa conservadora.

E ainda assim, apesar de operar um único tanque onde dois foram especificados, o sistema entregou o que importava:zero desligamentos forçados devido a falha no sistema de resfriamento em 13 temporadas de enchentes. 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 >Fração de 0,025 mm para manter os refrigeradores limpos. Isso aconteceu.

O QUE ISSO SIGNIFICA PARA OUTRAS ESTAÇÕES HIDRELÉTRICAS

1.Os decantadores de tubos inclinados funcionam para água de resfriamento industrial - não apenas para tratamento de água potável. A meta de desempenho é diferente (remover partículas grossas, não atingir clareza sub-NTU), mas os princípios hidráulicos são idênticos.

2.A escolha do material depende da aplicação. O favo de mel de papel funcionou por quatro anos a 40.000 yuans. O alumínio durou nove anos (e contando) a 120.000 yuans. Para as instalações atuais, o PVC e o PP oferecem um meio-termo em termos de custo-durabilidade que nem o papel nem o alumínio conseguiam igualar em 1975.

3.Um único tanque subdimensionado ainda pode oferecer confiabilidade operacional se o objetivo do projeto for definido corretamente. O tanque Bapanxia ocupava metade da área necessária - mas como o objetivo era uma proteção mais fria e não uma clareza perfeita, ele foi bem-sucedido.

4.Para estações hidrelétricas em rios carregados de sedimentos, os decantadores tubulares inclinados em favo de mel oferecem baixa complexidade técnica, baixo custo, sedimentação rápida e uma pequena área ocupada - vantagens que são especialmente valiosas quando o local da estação é espacialmente restrito.