PL228599B1

PL228599B1 - Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych

Info

Publication number: PL228599B1
Application number: PL412852A
Authority: PL
Inventors: Paweł ZAWADZKI; Paweł Zawadzki; Ryszard Błażejewski
Original assignee: Univ Przyrodniczy W Poznaniu
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2018-04-30
Also published as: PL412852A1

Description

(21) Numer zgłoszenia: 412852 (51) Int.CI.

E02B 3/02 (2006.01) E02F 5/28 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 24.06.2015

Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	UNIWERSYTET PRZYRODNICZY W POZNANIU, Poznań, PL
02.01.2017 BUP 01/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	PAWEŁ ZAWADZKI, Poznań, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:	RYSZARD BŁAŻEJEWSKI, Przeźmierowo, PL
30.04.2018 WUP 04/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Bartłomiej Fijałkowski

σ>

m oo

CM

Q_

PL 228 599 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest instalacja do hydromechanicznego usuwania i rozdzielenia osadów dennych ze zbiorników zaporowych, pozwalająca na oczyszczenie dna zbiorników zaporowych z osadów oraz ich transport do dolnego stanowiska budowli piętrzącej i niwelację a nawet całkowitą likwidację erozji bezpośrednio przy dolnym stanowisku budowli piętrzącej.

Piętrzenie wody w rzekach w celu utworzenia zbiornika retencyjnego powoduje istotna zmiana warunków przepływu. Przy znacznych wysokościach piętrzenia wody, rumowisko transportowane przez nurt rzeki osadza się w górnej części zbiornika, powodując zmniejszanie pojemności użytecznej zbiornika. Przy niższych piętrzeniach, budowanych na potrzeby poboru wody z rzeki na przykład dla przepompowni lub elektrowni wodnej, konieczne jest zabezpieczenie ujęcia wody przed rumowiskiem, by ustrzec przed uszkodzeniem lub zniszczeniem turbiny generatorów. Uniesienie punktów poboru wody poprzez zwiększenie głębokości wody w rzece, skutkuje zmniejszeniem średnich prędkości przepływu w pionie, co w konsekwencji związane jest z przerwaniem ciągłości przepływu transportowanego przez wodę rumowiska. Przyczynia się to do powstania dwóch zjawisk:

- zatrzymywania niesionego przez wodę materiału w zbiorniku lub osadniku;

- rozmycia dna i brzegów koryta rzeki poniżej piętrzenia.

Znane są techniczne metody usuwania osadów i przywracania pojemności zbiornika, do których można zaliczyć różne sposoby płukania rumowiska ze zbiornika lub bagrowania osadów. W przypadku klasycznego bagrowania osadów wykorzystuje się m.in. pogłębiarki ssące, których praca polega na zasysaniu wody i gruntu do rurociągu ssawnego podłączonego do pompy wydobywczej. Wydobyte rumowisko transportowane jest do dolnego poziomu budowli hydrotechnicznej i tam zrzucane do nurtu w miejsce uniesionego przez wodę złoża.

Znane są sposoby bagrowania, w których zasysanie osadu i transport mieszaniny odbywa się wyłącznie przy wykorzystaniu różnicy poziomów wody między górnym i dolnym stanowiskiem budowli piętrzącej. Podczas bagrowania przewody, którymi transportowany jest osad z czaszy zbiornika do dolnego stanowiska, mogą być ułożone na dnie i przechodzić pod piętrzeniem (syfon) lub przewodami unoszącymi się na powierzchni i przeprowadzone ponad piętrzeniem (lewar). W pierwszym przypadku wlot do przewodu położony jest w górnej części do zbiornika i pozwala na ciągły pobór osadów. W drugim - przy bagrowaniu używa się barki, która umożliwia przemieszczanie po zbiorniku wlotu do przewodu ssawnego i sterowanie nim. Możliwe jest więc usuwanie osadu z różnych miejsc zbiornika. Grawitacyjne instalacje usuwania osadów poprzez hydrauliczne zasysanie określane są jako HSRS (Hydrosuction Sediment Removal System) lub SEPS (Sediment Evacuation Pipline System) opisane zostały w Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 121, Nr 6, czerwiec 1995, strony: 479-489.

Przy piętrzeniu wody dla potrzeb elektrowni wodnych, częstym elementem ujęcia wody są piaskowniki, w których celowo tworzy się warunki sprzyjające osadzania się rumowiska rzecznego oraz jego okresowego usuwaniu. Piaskownik taki najczęściej wykonuje się jako jeden lub dwa koryta betonowe z dnem w kształcie litery V. W klasycznych rozwiązaniach, przepływ wody przez piaskownik je st zatrzymywany, a zgromadzony osad jest wymywany silnym strumieniem wody i zrzucany do dolnego stanowiska.

Znane są także rozwiązania, które pozwalają usuwać rumowisko bez przerywania pracy piaskownika, także wyłącznie przy wykorzystaniu różnicy poziomów wody. Z opisu patentu WO/2002/088472 znana jest instalacja do usuwania piasku z piaskowników, zbiorników retencyjnych i sedymentacyjnych. Aby umożliwić nieprzerwaną pracę piaskowania, na jego dnie ułożony jest przewód z otworami. Początek przewodu w piaskowniku wystaje ponad poziom osadów, natomiast koniec wyprowadzony po za piaskownik. Po otworzeniu zasuwy na przewodzie, rozpoczyna się przepływ wody, która zasysa osad przez otwory w przewodzie do jego wnętrza. Woda wraz z usuwanym osadem zrzucana jest bezpośrednio do rzeki. Proces prowadzony jest wyłącznie dzięki różnicy poziomów wody w piaskowniku i rzece poniżej piętrzenia. Po opróżnieniu zasuwa jest zakręcana. Natężenie przepływy mieszaniny jest kontrolowane przez dodatkowy przewód, którym pobierana jest woda ponad warstwą osadu, a który łączy się z głównym przewodem poniżej odcinka z otworami. W innych rozwiązaniach, u podstawy ukośnych ścian piaskownika utworzony jest niewielki kanał o prostokątnym przekroju, który umożliwia stopniowe usuwanie osadu na długości piaskownika. Specjalny systemem zamknięć odcinają ten kanał od właściwego piaskownika. W rozwiązaniu firmy Bieri (system opatentowany przez Bieri Hydraulik, Szwajcaria) zamknięcie to tworzy szereg klap/żaluzji. Otwieranie i zamykanie ich wymaga j ednak dodatkowego napędu mechanicznego i źródła energii dla niego. W rozwiązaniu według patentu

PL 228 599 B1

USA nr 5,330,289 (Serpent Sediment Sluicing System) kanał ten zamykany jest za pomocą elastycznego, giętkiego przewodu. W czasie pracy piaskownika przewód ten napełniony jest wodą i szczelnie zamyka kanał. W okresie wypłukiwania nagromadzonego piasku, przewód ten jest opróżniany z wody, unosi się na powierzchni wody, otwierając stopniowo kanał, którym przepływa woda wraz z rumowiskiem.

W opisanych rozwiązaniach nagromadzone w zbiorniku osady - rumowisko rzeczne, materiał organiczny, zanieczyszczenia - usuwane są bezpośrednio do rzeki. Z kolei w rozwiązaniu opisanym w Ecological Engineering Vol. 26, 2006 strony 182-189, aby nie pogarszać jakości wody w rzece poniżej piętrzenia, osad usuwany jest za pomocą systemu HSRS i kierowany jest do specjalnych stawów. W stawach tych materiał mineralny i organiczny osadza się, a czysta woda kierowana jest do rzeki. Często jednak nie jest możliwe stworzenie rozbudowanej infrastruktury do samoczynnej sedymentacji osadów i materiału organicznego.

Dlatego celowym było opracowanie urządzenia jakie pozwoliłob y na nieprzerwane usuwanie rumowiska z górnego stanowiska piętrzenia i transport go do stanowiska dolnego, jakie nie wymagałoby budowy dodatkowych zbiorników lub osadników do sedymentacji osadów i cząstek organicznych przed odprowadzeniem wody do nurtu rzeki. Udało się to osiągnąć opracowując urządzenie według wynalazku.

Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych według wynalazku, zawiera co najmniej dwa przewody o przekroju okrągłym: przewód rumowiska i wody jakie częściowo są połączone poprzez piaskownik szczelinowy i których wyloty znajdują się w dolnym stanowisku budowli piętrzącej. Średnice obu przewodów korzystnie są takie same, a ich wielkość zawarta jest w przedziale od 0,10 m do 1 m. Przy czym średnice przewodów rumowiska i wody określa się w oparciu o dane hydrologiczne zbiornika wodnego w jakim umieszczona jest budowla piętrząca w odniesieniu do natężenia objętościowego strumienia wody i rumowiska.

Wlot do przewodu rumowiska, którym zasysane jest rumowisko i osad wraz z wodą, znajduje się blisko dna zbiornika/rzeki powyżej zapory, zatrzymującej rumowisko w zbiorniku i jest wykonany jako ruchoma, obrotowa wokół osi wzdłużnej przewodu rumowiska kształtka, której nie połączony z przewodem rumowiska odwiedziony jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska.

W innym przykładzie wlot do przewodu rumowiska wykonany jest jako elastyczny fragment przewodu rumowiska odwiedziony od osi wzdłużnej przewodu rumowiska.

Wlot przewodu wody, znajduje się pod zwierciadłem wody w zbiorniku, i zanurzony jest nie mniej niż pół metra poniżej zwierciadła wody w zbiorniku, a przewód wody pomiędzy wlotem wody a miejscem połączenia z przewodem rumowiska poprzez piaskownik szczelinowy jest zagięty tak, że zasadnicza część przewodu wody jest równoległa do przewodu rumowiska, przylega do przewodu rumowiska i znajduje się poniżej niego.

Piaskownik szczelinowy zbudowany jest tak, że ma kształt zamkniętej i przedzielonej prętami komory o prostopadłościennym kształcie do jakiej przyłączone są rurowe przewody rumowis ka i wody oraz fragmenty tych przewodów przez jakie woda oraz rumowisko odpływa z piaskownika szczelinowego. Korzystnie gdy wylot przewodu rumowiska - górny przewód odpływowy odgięty jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska i odprowadzony do osadnika lub hydrocyklonu.

Na odcinku piaskownika szczelinowego przekroje przewodów zmieniają się z kołowych na prostokątne o szerokości w dnie nie mniejszej niż średnica przewodów. Długość piaskownika szczelinowego jest większa lub równa 20 średnicom przewodów. W 3/4 długości piaskownika, licząc od wlotu wody oraz rumowiska wykonane są co najmniej trzy, korzystnie szczelin, o szerokości od 2 cm do 5 cm, dobranej w zależności od średnicy miarodajnej usuwanego rumowiska. Przy czym korzystnie gdy odstęp między szczelinami równy jest szerokości szczeliny (szczeliny powstają poprzez wycięcie w dnie prostokątnego otworu, odstępy między tymi otworami mają szerokość tych szczelin). Piaskownik szczelinowy ustawiony jest korzystnie poziomo lub w innym przykładzie wykonania pod kątem nie większym 15° do poziomu.

Podczas konstruowania urządzenia według wynalazku przyjęto, że działanie piaskownika będzie skuteczne wtedy, kiedy dolnym przewodem odpływa rumowisko grube (pi) bez domieszki rumowiska z frakcją drobną i organiczną (P2). Potwierdziły to badania laboratoryjne, w jakich efektywność działania urządzenia według wynalazku, obliczono jako iloczyn obu wspomnianych sprawności E = pi p2, i dochodziła ona do 90%.

PL 228 599 B1

Dodatkowo jak wskazały badania prototypu prędkość przepływu mieszaniny v (wody i rumowiska) oraz prędkość swobodnego opadania wss cząstki w wodzie są czynnikami najistotniejszymi dla skutecznego usuwania rumowiska. Dodatkowo prędkość opadania zależy od wielkości, kształtu ziarna, gęstości oraz od tego czy opada pojedyncze ziarno (swobodne opadanie) czy większa ich ilość (opadanie skrępowane). Największą efektywność pracy piaskownika występuje kiedy prędkość średnia jest mniejsza od prędkości swobodnego opadania cząstki które miałyby być usunięte.

W badaniach dla cząstek kulistych o średnicy 6 mm i o różnych gęstościach piaskownik najskuteczniej pracował przy v = 0,4 m/s a prędkość wss = 0,53 m/s czyli v/wss = 0,75.

Na tej podstawie określono, że podczas usuwania ziaren frakcji żwirowej (2-25 mm) prędkość przepływu wody w przewodach piaskownika nie powinna być większa niż 0,3 m/s, co zapewnia konstrukcja według wynalazku.

(wss = 0,3 m/s dla ziaren o średnicy 2 mm) co odpowiada objętościowemu natężeniu przepływu wody 8,6 m³/h (d = 0,1 m) i 860 m³/h (d = 1 m).

Mieszanina wody i rumowiska dopływa przewodem rumowiska do piaskownika szczelinowego. W wyniku przepływu przez piaskownik, grubszy materiał mineralny (rumowisko wleczone) opada przez szczeliny do dolnego przewodu, którym jest transportowany bezpośrednio do dolnego stanowiska budowli piętrzącej. Woda unosząca drobniejsze frakcje oraz materiał organiczny (rumowisko unoszone i zawieszone), przepływająca ponad szczelinami piaskownika, kierowana jest korzystnie przewodem do osadnika lub hydrocyklonu położonego obok budowli upustowej zbiornika w celu dalszego oddzielenia części stałych od wody. Osad ten - w zależności od składu chemicznego (szczególnie metali ciężkich) - może być wykorzystany jako nawóz.

Jak pokazały testy laboratoryjne oraz badania rzeczywiste w małej skali opracowane urządzenie pozwala znacząco ograniczyć lub nawet wyeliminować zjawisko erozji w dolnym stanowisku budowli piętrzącej.

Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój pionowy wzdłużny urządzenia według wynalazku, fig. 2 przedstawia widok urządzenia z góry.

P r z y k ł a d I

Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych według wynalazku, zawiera dwa przewody o przekroju okrągłym: przewód rumowiska (2) i wody (3) jakie częściowo są połączone poprzez piaskownik szczelinowy (4) i których wyloty znajdują się w dolnym stanowisku budowli piętrzącej (1). Średnice obu przewodów są takie same, a ich wielkość wynosi 1 m.

Wlot do przewodu rumowiska (2), którym zasysane jest rumowisko i osad wraz z wodą, znajduje się blisko dna zbiornika/rzeki powyżej zapory (1), zatrzymującej rumowisko w zbiorniku i jest wykonany jako ruchoma, obrotowa wokół osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2) kształtka, której nie połączony z przewodem rumowiska (2) odwiedziony jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2).

Wlot przewodu wody (3), znajduje się pod zwierciadłem wody w zbiorniku, i zanurzony jest pół metra poniżej zwierciadła wody w zbiorniku, a przewód wody (3) pomiędzy wlotem wody a miejscem połączenia z przewodem rumowiska (2) poprzez piaskownik szczelinowy (4) jest zagięty tak, że zasadnicza część przewodu wody (3) jest równoległa do przewodu rumowiska (2), przylega do przewodu rumowiska (2) i znajduje się poniżej niego.

Piaskownik szczelinowy (4) zbudowany jest tak, że ma kształt zamkniętej i przedzielonej prętami komory o prostopadłościennym kształcie do jakiej przyłączone są rurowe przewody rumowiska (2) i wody (3) oraz fragmenty tych przewodów (5) i (6) przez jakie woda oraz rumowisko odpływa z piaskownika szczelinowego (4). Wylot przewodu rumowiska 2 - górny przewód odpływowy (6) odgięty jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2) i odprowadzony do osadnika lub hydrocyklonu.

Na odcinku piaskownika szczelinowego (4) przekroje przewodów rumowiska (2) i wody (3) zmieniają się z kołowych na prostokątne o szerokości w dnie równej średnicy przewodów. Długość piaskownika szczelinowego (4) jest równa 20 średnicom przewodów (2) i (3). W 3/4 długości piaskownika, licząc od wlotu przewodów wody oraz rumowiska wykonane są trzy szczeliny o szerokości 2 cm a odstęp między szczelinami równy szerokości szczeliny (płaskowniki oddzielające szczeliny mają szerokość tych szczelin). Piaskownik szczelinowy ustawiony jest poziomo.

W badaniach laboratoryjnych efektywność działania urządzenia według wynalazku, obliczono jako iloczyn obu wspomnianych sprawności E = pi p2, i dochodziła ona do 90%.

PL 228 599 B1

Mieszanina wody i rumowiska dopływa przewodem rumowiska (2) do piaskownika szczelinowego (4). W wyniku przepływu przez piaskownik, grubszy materiał mineralny (rumowisko wleczone) opada przez szczeliny do dolnego przewodu (5), którym jest transportowany bezpośrednio do dolnego stanowiska budowli piętrzącej (1). Woda unosząca drobniejsze frakcje oraz materiał organiczny (rumowisko unoszone i zawieszone), przepływająca ponad szczelinami piaskownika, kierowana jest korzystnie przewodem (6) do osadnika lub hydrocyklonu położonego obok budowli upustowej zbiornika w celu dalszego oddzielenia części stałych od wody. Osad ten - w zależności od składu chemicznego (szczególnie metali ciężkich) - może być wykorzystany jako nawóz.

P r z y k ł a d II

Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych według wynalazku, przewody o przekroju okrągłym: przewód rumowiska (2) i wody (3) jakie częściowo są połączone poprzez piaskownik szczelinowy (4) i których wyloty znajdują się w dolnym stanowisku budowli piętrzącej (1). Średnice obu przewodów są takie same, a ich wielkość wynosi 0,1 m.

Wlot do przewodu rumowiska (2), którym zasysane jest rumowisko i osad wraz z wodą, znajduje się blisko dna zbiornika/rzeki powyżej zapory (1), zatrzymującej rumowisko w zbiorniku i jest wykonany jako elastyczny fragment przewodu rumowiska (2) odwiedziony od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2).

Na odcinku piaskownika szczelinowego (4) przekroje przewodów rumowiska (2) i wody (3) zmieniają się z kołowych na prostokątne o szerokości w dnie równej średnicy przewodów. Długość piaskownika szczelinowego (4) jest równa 20 średnicom przewodów (2) i (3). W 3/4 długości piaskownika, licząc od wlotu przewodów wody oraz rumowiska wykonane są trzy szczeliny o szerokości 5 cm, a odstęp między szczelinami równy szerokości szczeliny (pręty płaskie oddzielające szczeliny mają szerokość tych szczelin). Piaskownik szczelinowy ustawiony jest pod kątem 15° do poziomu.

W badaniach laboratoryjnych efektywność działania urządzenia według wynalazku, obliczono jako iloczyn obu wspomnianych sprawności E = ip- i dochodziła ona do 90%.

Claims

1. Urządzenie do hydromechanicznego oczyszczania i usuwania osadów dennych ze zbiorników zaporowych, znamienne tym, że zawiera co najmniej dwa przewody o przekroju okrągłym: przewód rumowiska (2) i wody (3) jakie częściowo są połączone poprzez piaskownik szczelinowy (4) i których wyloty znajdują się w dolnym stanowisku budowli piętrzącej (1).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że średnice przewodów rumowiska (2) i wody (3) są takie same.

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wielkość średnic przewodów rumowiska (2) i wody (3) zawarta jest w przedziale od 0,10 m do 1 m.

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienne tym, że średnice przewodów rumowiska (2) i wody (3) określa się w oparciu o dane hydrologiczne zbiornika wodnego w jakim umieszczona jest budowla piętrząca (1) w odniesieniu do natężenia objętościowego strumienia wody i rumowiska.

5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienne tym, że wlot do przewodu rumowiska (2), którym zasysane jest rumowisko i osad wraz z wodą, znajduje się blisko dna zbiornika/rzeki powyżej zapory (1), zatrzymującej rumowisko w zbiorniku i jest wykonany jako ruchoma, obrotowa wokół osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2) kształtka, której nie połączony z przewodem rumowiska (2) odwiedziony jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2).

6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienne tym, że wlot do przewodu rumowiska (2), którym zasysane jest rumowisko i osad wraz z wodą, znajduje się blisko dna zbiornika/rzeki powyżej zapory (1), zatrzymującej rumowisko w zbiorniku i jest wykonany jako elastyczny fragment przewodu rumowiska (2) odwiedziony od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2).

7. Urządzenie według 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, znamienne tym, że wlot przewodu wody (3), znajduje się pod zwierciadłem wody w zbiorniku, i zanurzony jest nie mniej niż pół metra poniżej zwierciadła wody w zbiorniku i pomiędzy wlotem wody a miejscem połączenia z przewodem rumowiska (2) poprzez piaskownik szczelinowy (4) jest zagięty tak, że zasadnicza część przewodu wody (3) jest równoległa do przewodu rumowiska (2), przylega do przewodu rumowiska (2) i znajduje się poniżej niego.

8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, albo 6, albo 7, znamienne tym, że łączący przewody rumowiska (2) i wody (3) piaskownik szczelinowy (4) zbudowany jest tak, że ma kształt zamkniętej i przedzielonej prętami komory o prostopadłościennym kształcie do jakiej przyłączone są rurowe przewody rumowiska (2) i wody (3) oraz fragmenty tych przewodów (5) i (6) przez jakie woda oraz rumowisko odpływa z piaskownika szczelinowego (4).

9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że wylot przewodu rumowiska 2 - górny przewód odpływowy (6) odgięty jest od osi wzdłużnej przewodu rumowiska (2) i odprowadzony do osadnika lub hydrocyklonu.

10. Urządzenie według zastrz. 7 albo 8 albo 9, znamienne tym, że na odcinku piaskownika szczelinowego (4) przekroje przewodów (2) i (3) zmieniają się z kołowych na prostokątne o szerokości w dnie nie mniejszej niż średnica przewodów, długość piaskownika szczelinowego (4) jest większa lub równa 20 średnicom przewodów (2) i (3), a w 3/4 długości piaskownika, licząc od wlotu wody oraz rumowiska wykonane są szczeliny pomiędzy którymi odstępy równe są szerokości szczelin.

11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że w piaskowniku szczelinowym (4) znajdują się od 3 do 5 szczelin.

12. Urządzenie według zastrz. 10 albo 11, znamienne tym, że szerokość szczelin dobrana jest w zależności od średnicy miarodajnej usuwanego rumowiska mineralnego i wynosi od 2 do 5 cm.

13. Urządzenie według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 12, znamienne tym, że piaskownik szczelinowy (4) ustawiony jest poziomo.

14. Urządzenie według dowolnego z zastrzeżeń od 1 do 12, znamienne tym, że piaskownik szczelinowy (4) ustawiony jest pod kątem nie większym niż 15° do poziomu.