Décanteurs à tubes inclinés en nid d'abeille pour l'eau de refroidissement hydroélectrique : 13 saisons d'inondation, zéro arrêt à Bapanxia

Une centrale hydroélectrique située sur une rivière riche en sédiments présente un problème que la plupart des ingénieurs en traitement de l'eau ne voient jamais : l'eau de refroidissement des groupes électrogènes à turbine transporte tellement de sable et d'herbe qu'elle obstrue les refroidisseurs. La température des bobines du stator augmente. Les roulements surchauffent. L'unité se met hors ligne - non pas à cause d'un défaut mécanique, mais parce que l'eau censée la refroidir s'est transformée en bouillie abrasive. À la centrale hydroélectrique de Bapanxia, ​​trois unités de 36 000 kW de construction suédoise-étaient confrontées à cette menace précise à chaque saison d'inondation. En 1975, la station installe un décanteur à tube incliné en nid d'abeille. Au cours du prochain13 saisons de crues- sept mois par an, d'avril à octobre - aucune unité n'a été perdue à cause d'une panne du système de refroidissement.

LE PROBLÈME DE L'EAU DE REFROIDISSEMENT QU'AUCUNE POMPE NE PEUT RÉSOUDRE

Les centrales hydroélectriques situées sur des rivières fortement chargées en sédiments sont confrontées à une crise saisonnière. Pendant les saisons de crue, l’eau du réservoir contient des concentrations de sable qui seraient impensables dans une usine municipale de traitement des eaux. Si cette eau est prélevée directement devant le barrage pour le refroidissement de l'unité, le sable et les débris végétaux tassent hermétiquement les tubes du refroidisseur. Le blocage est mécanique et le - nettoyage et dragage total des refroidisseurs est extrêmement difficile, prend du temps- et endommage souvent l'équipement. Certaines stations ont recours à une alternance de fonctionnement en avant et en arrière du système de refroidissement pour rincer les tubes, mais cela n'aide que partiellement : cela ne peut pas éliminer complètement le blocage et les inversions constantes accélèrent l'usure des tuyaux du refroidisseur eux-mêmes.

Les glacières-fabriquées en Suisse à Bapanxia avaient des exigences strictes en matière de qualité de l'eau. Il fallait une solution de sédimentation - capable de gérerConcentration de sédiments entrants de 20 kg/m³pendant les pointes de crue tout en fournissant suffisamment d’eau propre pour refroidir trois unités de 36 MW.

COMMENT LES TUBES EN NID D'ABEILLE FONT CE QU'UN RÉSERVOIR OUVERT NE PEUT PAS

Le décanteur à tube incliné en nid d'abeille a été conçu selon trois principes dérivés de la théorie de la sédimentation en couche peu profonde :

Principe 1 - Multiplication de surface.La sédimentation est fonction de la superficie de l'eau. L'ajout de tubes inclinés en nid d'abeille augmente la zone de décantation efficace dedes dizaines de foispar rapport à un réservoir ouvert de même empreinte. Plus de surface signifie une séparation plus rapide.

Principe 2 - Stabilisation du flux laminaire.L'eau circulant à travers les cellules en nid d'abeilles a un périmètre mouillé exceptionnellement grand, ce qui réduit considérablement le rayon hydraulique. Cela fait chuter le nombre de Reynolds, stabilisant ainsi l'écoulement dans un régime laminaire. Les sédiments et l'eau se séparent proprement - sans turbulence pour maintenir les particules en suspension.

Principe 3 -Décalage de la couche de boues-.À l'intérieur des tubes inclinés, les sédiments se déposent sous forme de couche de boue-. Cela réduit non seulement la distance et le temps de décantation, mais augmente également la surface de décantation effective, améliorant ainsi l'efficacité globale. Des tests sur modèle à l'échelle 1:1 ont montré qu'à une concentration de sédiments influents de conception de 20 kg/m³ et une charge de surface de3–5 m³/m²·h, le taux d'élimination des sédiments atteint92–98%, avec seulement 3 % des particules des effluents dépassant 0,025 mm - la taille critique à laquelle commence le colmatage du refroidisseur.

LE SYSTÈME : DE LA PRISE DE BARRAGE AU COLLECTEUR D'EAU DE REFROIDISSEMENT

Une prise d'eau dédiée a été construite devant le barrage, avec des ports supérieur et inférieur servant de sauvegarde mutuelle. Chaque port dispose d'un support à déchets fixe ; un support à déchets mobile commun à l'avant de l'admission intercepte les plus grosses mauvaises herbes et débris aquatiques. L'eau est aspirée par un tuyau collecteur situé en amont de la station de pompage et divisée en quatre conduites, alimentées par quatrePompes centrifuges 12Sh-19(tous les quatre se soutiennent). Un filtre automatique placé devant chaque pompe fournit un filtre final pour les débris fins avant que l'eau n'entre dans le bassin de sédimentation.

À l'intérieur du réservoir -18 m de diamètre, 18 m de hauteur, 0,3 m de franc-bord- l'eau monte à travers un bac de distribution à une vitesse de sortie de 50 mm/s. La vitesse ascendante à la surface de l'eau est une légère0,2 à 0,8 mm/s. Après avoir traversé les tubes en nid d'abeilles, l'eau clarifiée monte et est collectée par des ouvertures latérales sur huit auges de collecte courtes radiales (voir Figure 1), qui alimentent une auge de collecte annulaire autour du périmètre du réservoir. De là, un tuyau de sortie de φ500 mm achemine l'eau traitée vers le collecteur d'eau de refroidissement desservant toutes les unités. L'eau de refroidissement utilisée s'écoule entièrement dans le canal de fuite.

Les sédiments déposés tombent dans unTrémie conique à 60 degrésau fond du réservoir et est déversé dans le canal de fuite par un conduit de boues. La structure du réservoir est illustrée à la figure 2.

LA SPÉCIFICATION HONEYCOMB - ET LA MISE À NIVEAU DU MATÉRIEL

Les cellules en nid d'abeilles sont des hexagones réguliers avec unDiamètre du cercle inscrit de 50 mm. Chaque module tubulaire est1 m de long, incliné à 60 degrés, donnant une hauteur verticale de 0,866 m. Les tubes sont assemblés en unités rectangulaires en nid d'abeille de 1 × 0,5 × 0,5 m.

L'installation originale de 1975 utiliséenid d'abeille en papier- 80 g de papier kraft Jiamusi trempé dans de la résine phénolique et durci à la chaleur-. Le coût du papier nid d'abeille40 000 yuans. Cela fonctionnait, mais le matériau avait des limites évidentes : une résistance et une ténacité médiocres, et il vieillissait. Après quatre années d'activité, en1979, le nid d'abeille en papier a été remplacé parnid d'abeille en aluminiumau prix de120 000 yuans- trois fois le prix, mais bien plus durable. Après neuf années d'exploitation ultérieure, l'aluminium n'a montré qu'une corrosion superficielle mineure et est resté structurellement intact.

Le réservoir en béton lui-même est requis1 400 m³ de béton, 50 tonnes d'armatures en acier, et le coût160 000 yuans. Au total - réservoir, nid d'abeilles en papier et plus tard mise à niveau en aluminium -, l'investissement total était de 320 000 yuans. Pour un système qui protégerait trois générateurs à turbine-de 36 MW pendant plus d'une décennie, cela était modeste.

PERFORMANCE SUR LE TERRAIN : 83 ÉCHANTILLONS SUR 4 ANS

Entre 1977 et 1980, l'usine et la station de surveillance de la zone du réservoir ont collecté83 échantillons d'eau appariésà l'entrée et à la sortie du réservoir, analysant à la fois la concentration des sédiments et la répartition granulométrique. Les résultats racontent une histoire cohérente :

1.Les sédiments grossiers (d > 0,025 mm) se sont bien déposés. L'effluent contenait uniquement10–15%des grosses particules présentes dans l'affluent - un taux d'élimination élevé de la fraction qui provoque réellement le colmatage.

2.La taille médiane des particules dans l’effluent était systématiquement plus petite que dans l’affluent. Le réservoir faisait exactement ce pour quoi il avait été conçu : éliminer sélectivement les particules les plus grosses et obstruantes-.

3.Le pourcentage de sédiments avec d < 0,025 mm a augmenté dans l'effluent, tandis que le pourcentage avec d > 0,025 mm a diminué - confirmant l'élimination sélective de la fraction grossière problématique.

4.L’efficacité de l’élimination des sédiments s’améliore avec la concentration de l’influent. Avec un influent de conception de 20 kg/m³, l'élimination globale a dépassé65%.

Tableau 1 : Efficacité d'élimination par taille de particule (limite d > 0,025 mm)

Le tableau confirme que l'efficacité d'élimination de la fraction grossière (d > 0,025 mm) est forte, tandis que la fraction fine (d < 0,025 mm) passe plus facilement - ce qui est acceptable, puisque ce sont les particules grossières qui provoquent un colmatage plus froid.

Tableau 2 : Taux de transport des sédiments et efficacité d’élimination (données mesurées en 1980)

Les trois périodes de mesure affichent des taux de suppression supérieurs à 50 %, le taux le plus élevé étant -70%- coïncidant avec la concentration d'influent la plus élevée (9,52 kg/m³ en moyenne). Cela confirme la tendance :plus l'eau entrante est sale, plus le décanteur élimine efficacement les sédiments-exactement le comportement nécessaire lors des pics de la saison des crues-.

POURQUOI LES DONNÉES DE TERRAIN SONT INFÉRIEURES AU MODÈLE - ET POURQUOI CELA N'A PAS D'IMPORTANCE

Les tests sur modèle avaient prédit un retrait de 92 à 98 % au chargement de conception. Les données de terrain montraient 58 à 70 %. Trois facteurs expliquent cet écart :

1. Fonctionnement d'un seul-réservoir par rapport à une conception à deux-réservoirs.La station avait besoin de 1 280 m³/h d'eau de refroidissement. Le calcul de conception - basé sur la zone de sédimentation requise de 427 m² - demandédeux réservoirs(chacun 254,5 m²). En raison des contraintes du site, un seul a été construit. Le réservoir unique fonctionnait continuellement au-dessus de sa charge superficielle de conception. Le temps de rétention à l’intérieur des tubes en nid d’abeilles était plus court que ce que supposait le modèle, et l’efficacité de la sédimentation en souffrait en conséquence.

2. Concentrations d'influents inférieures-à-de conception.Au cours de 13 années d'exploitation, une concentration quotidienne moyenne de sédiments de 20 kg/m³ s'est produite seulementdeux à trois jours par an- et certaines années, pas du tout. Le réservoir a passé la majeure partie de sa durée de vie à fonctionner bien en dessous de la charge d'affluent prévue. Les boues n’étaient pas non plus évacuées au volume prévu, ce qui affectait encore davantage l’efficacité.

3. Limites de l'échantillonnage.La méthodologie de test -, y compris le nombre d'échantillons, les emplacements d'échantillonnage et la représentativité des données -, a été reconnue comme insuffisante pour une évaluation définitive des performances. Les 58 à 70 % mesurés constituent probablement une estimation prudente.

Et pourtant, malgré l’utilisation d’un seul réservoir alors que deux étaient spécifiés, le système a livré ce qui comptait :aucun arrêt forcé dû à une panne du système de refroidissement au cours de 13 saisons d'inondation. 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 >Fraction de 0,025 mm pour garder les refroidisseurs clairs. C’est effectivement le cas.

CE QUE CELA SIGNIFIE POUR LES AUTRES CENTRALES HYDROÉLECTRIQUES

1.Les décanteurs à tubes inclinés fonctionnent pour l'eau de refroidissement industrielle - et pas seulement pour le traitement de l'eau potable. L'objectif de performance est différent (éliminer les particules grossières, ne pas atteindre une clarté inférieure à -NTU), mais les principes hydrauliques sont identiques.

2.Le choix du matériau dépend de l'application. Le papier nid d'abeille a travaillé pendant quatre ans pour 40 000 yuans. L'aluminium a duré neuf ans (et ce n'est pas fini) à 120 000 yuans. Pour les installations d'aujourd'hui, le PVC et le PP offrent un compromis en termes de coût-durabilité que ni le papier ni l'aluminium ne pouvaient égaler en 1975.

3.Un seul réservoir sous-dimensionné peut toujours assurer une fiabilité opérationnelle si l’objectif de conception est correctement défini. Le réservoir Bapanxia représentait la moitié de la surface requise -, mais comme l'objectif était une protection plus fraîche et non une clarté parfaite, il a réussi.

4.Pour les centrales hydroélectriques situées sur des rivières chargées de sédiments-, les décanteurs à tubes inclinés en nid d'abeille offrent une faible complexité technique, un faible coût, une sédimentation rapide et un faible encombrement -, des avantages particulièrement précieux lorsque le site de la station est spatialement contraint.