MX2012013169A - Sistema y metodo para remover sedimentos de trampas de arena. - Google Patents

Abstract

Método y sistema para la eliminación hidráulica de sedimentos en trampas de arena, donde los sedimentos son succionados mediante tuberías ranuradas (15) dispuestas en la parte inferior de la trampa de arena. Los tuberías ranuradas (15) están ramificadas a partir de piezas de conexión (16) donde al menos dos tuberías ranuradas se conectan a una tubería de descarga común (17) en una dirección independiente de la orientación de las tuberías ranuradas (15), las tuberías ranuradas (15) se disponen separadas unas de otras de tal manera que pueden operar mutuamente independientes y aún así contribuir a un mutuo balance de la subpresión común.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA REMOVER SEDIMENTOS DE TRAMPAS DE ARENA La presente invención se refiere a un sistema y un método para la eliminación hidráulica de los sedimentos en una trampa de arena.

ANTECEDENTES En numerosas situaciones es deseable remover los sedimentos depositados bajo el agua sin drenar, o disminuir el nivel de agua que cubre los sedimentos. En este sentido los sedimentos se refieren a un material compuesto de partículas como grava, arena, limo, partículas orgánicas u otras partículas. El agua que fluye en ríos, canales, túneles o tuberías puede transportar sedimentos. Si la velocidad del agua se reduce, el sedimento, al ser más pesado que el agua, se hunde hasta el fondo y se asienta. Esto se puede dar en cuencos de amortiguamiento, tomas o en estructuras de sedimentación relacionadas con plantas de energía o plantas de riego, trampas de arena en los túneles o los tanques o depósitos de plantas de procesos. A menudo es deseable extraer partículas de material de los tanques de almacenamiento por medio de agua o aire. A continuación todas las cuencas de sedimentación se denotarán como trampas de arena, independientemente de su finalidad prevista.

Los sedimentos pueden generar un desgaste excesivo si se permite su flujo en el agua por las turbinas de plantas hidroeléctricas. Es bien sabido que las turbinas deben ser sustituidas o reparadas varias veces al año debido al desgaste causado por los sedimentos. Además los canales y túneles se pueden acumular sedimento. Por esta razón, una serie de trampas de arena se han ¡mplementado en las centrales hidroeléctricas, principalmente en países con ríos que poseen una alta concentración de sedimentos. Además, en muchos lugares es deseable separar por lo menos la fracción más gruesa de las partículas, especialmente en las tomas de agua para riego, para que los canales de riego no se bloqueen o las plantas podrían ser lavadas con agua salina.

Los sedimentos depositados en las trampas de arena pueden contener desde rocas y grava hasta materiales de grano muy finos. Un criterio típico utilizado en las plantas hidroeléctricas define que el tamaño de partícula que debe ser separado es de 0.15 - 0.5 mm.

Existen técnicas conocidas para la eliminación de sedimentos en trampas de arena, tales como el vaciado y excavación mecánica o el vaciado y lavado de sedimento mediante flujo mientras el nivel de agua se mantiene bajo, de modo que la velocidad del agua sobre los sedimentos incrementa y produce su arrastre. Ambos métodos tienen el inconveniente de que el suministro de agua, por ejemplo a una planta de energía, deba ser interrumpido. Debido a esto la producción se interrumpe y, además, existen costos derivados de la salida y reinicio de operación de la planta de energía. Además, se produce un conflicto entre la producción de energía y la remoción de sedimentos, lo cual típicamente implica que la eliminación de los sedimentos se posponga lo que conduce a un desgaste innecesario de las turbinas.

Otras técnicas conocidas comprenden lavados a través de agujeros en la parte inferior de la trampa de arena, los cuales descargan a un canal de lavado. Estos agujeros opcionalmente pueden estar equipados con mecanismos de cierre (sistema Bieri patentado). Una desventaja de este sistema es que depende de motores, transmisiones y partes móviles que pueden causar paradas en su funcionamiento.

La publicación WO N° 02088472 (Jacobsen) muestra el uso de tubos ranurados para la eliminación continua de sedimentos de trampas de arena de una manera sencilla. Los tubos ranurados se colocan en paralelo a intervalos determinados en la parte inferior de la trampa de arena, cada uno conectado a una tubería de descarga en o cerca del extremo de la trampa de arena (ubicado a un nivel inferior). El sistema funciona bien en trampas de arena de un determinado tamaño, pero requiere una preparación de la parte inferior de la trampa de arena en forma de trincheras con el fin de evitar el riesgo de licuación en el tubo ranurado produciendo su falla (en adelante simplemente "licuación") y que los sedimentos se acumulen. En trampas de arena grandes se dificulta obtener la función deseada en toda la extensión, desde el punto más alto hasta el más bajo de la trampa de arena, debido a su longitud, por ejemplo, es difícil mantener las mismas condiciones a lo largo de las tuberías ranuradas cuando son largas.

OBJETIVOS Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para eliminar los sedimentos de trampas de arena de una manera sencilla, barata y fiable que requiere de un mantenimiento mínimo.

Adicionalmente es un objetivo que dicho método puede ser utilizado en trampas de arena de gran tamaño, que periódicamente deberá ser capaz de manejar grandes cantidades de sedimentos y de preferencia que la eliminación se llevará a cabo de forma continua.

Es un objetivo que el sistema sea capaz de eliminar las partículas de sedimento y objetos con el mayor diámetro posible.

LA PRESENTE INVENCIÓN Los objetivos antes mencionados se alcanzan mediante el presente método que se define mediante el reclamo 1. Refiriéndose a otro aspecto, la presente invención comprende un sistema de tubos ranurados como se definen en el reclamo 10.

Los procedimientos específicos se describen en los reclamos respectivos.

Por medio de la presente invención se vuelve significativamente más sencillo cubrir trampas de arena de gran tamaño con un sistema de tubos ranurados que están interconectados por lo menos en pares a un tubo de descarga común. Esto implica, entre otros aspectos, que la longitud de los tubos ranurados en un determinado campo puede ser reducido a la mitad permitiendo que el tubo de descarga se ubique en la "mitad" de la longitud de la trampa de arena en lugar de ubicarse al final de la misma. Con la elaboración descrita también se obtiene un equilibrio hidráulico entre los dos tubos tal que la fuerza de succión en cualquier punto es suavizada en el tiempo y se obtiene una succión más uniformemente distribuida, a diferencia de si con los tubos ranurados son conectados individualmente a las tuberías de descarga, como (A1 ).

Hay que destacar, como se presenta más adelante en este documento, que ciertamente no es una medida obvia conectar dos tubos ranurados de esta manera, ya que tal combinación podría perturbar las delicadas condiciones hidráulicas que deben estar presentes para que los tubos ranurados puedan llevar a cabo su tarea prevista.

Por lo tanto, es importante que esto se tome en consideración y que cada tubo ranurado esté suficientemente separado de otros tubos ranurados para que sean capaces de operar independientemente de los demás tubos conectados a la misma tubería de descarga con relación a las condiciones hidráulicas generales, pero aún así permitiendo que las tuberías ranuradas puedan interactuar positivamente cuando sea necesario. Esto se explica a continuación.

Es necesario que haya suficiente distancia entre el extremo inferior de las ranuras de cada tubo ranurado para que las tuberías puedan funcionar independientemente unas de otras. Se asegura así que: • La tubería de descarga puede tener el mismo o un mayor diámetro que los tubos ranurados para reducir así el riesgo de obstrucción.

• Cada tubería de descarga abarca una mayor longitud, es decir, los tubos individuales ranurados pueden ser más cortos, lo cual a su vez reduce el riesgo de licuefacción.

• El riesgo de licuefacción se reduce aún más debido a la nivelación de la subpresión en los tubos ranurados y la tubería de descarga. Si un deslizamiento o un bloqueo limita el flujo hacia alguna de las tuberías perforadas, el flujo en la otra se incrementará.

• Durante operación continua, sólo el extremo aguas abajo de las ranuras estará activo, pero aún así el sedimento se eliminará sobre una mayor extensión.

A continuación se describe la invención con más detalle con referencia a los esquemas adjuntos, donde: La Figura 1 muestra un sistema que comprende dos tubos ranurados conectados a una tubería de descarga común en una trampa de arena.

La Figura 2 muestra una variante diferente de la de la Figura 1. La Figura 3 muestra un sistema que comprende ocho tubos ranurados conectados en pares a tuberías de descarga en una trampa de arena.

La Figura 4 muestra en perspectiva una parte de un tubo ranurado adecuado para su uso según la presente invención.

La Figura 5 muestra una conexión en T con un diafragma de división.

La Figura 6 muestra dos pares de tubos ranurados conectados a un tubo de descarga común.

La Figura 7 muestra una elaboración particular de la presente invención.

La Figura 1 proporciona una vista superior de dos tubos ranurados 15 alineados con la dirección de la longitud L de una trampa de arena. Los tubos ranurados comprende generalmente una parte principalmente horizontal, 15a (véase la Fig. 2) y cerca del extremo aguas arriba ambos tubos ranurados están dispuestos con una parte inclinada, 15b, que asegura que el extremo de aguas arriba de los tubos ranurados, 15c, estén libres de sedimentos en todo momento, lo cual es importante para el funcionamiento de los tubos ranurados. Las trampas de arena generalmente tienen una longitud varias veces mayor que su ancho. Los dos tubos ranurados 15 están conectados a una tubería de descarga común 17 a través de una pieza de conexión 16. La pieza de conexión se muestra en la Figura 1 se conoce comúnmente como conexión T. La trampa de arena posee paredes laterales inclinadas 12 y paredes extremas inclinadas 13 que contribuyen propiciar la temprana cobertura de sedimentos en la parte horizontal 15a de cada tubería y el hecho de que no son necesarios tubos perforados adicionales en dirección transversal.

La Figura 2 muestra principalmente lo mismo que la Figura 1 , pero como un elemento adicional, una pared de separación 21 está dispuesta a través de la trampa de arena donde los tubos ranurados están interconectados para asegurar que no interfieren entre sí indeseablemente (como se ha descrito anteriormente). La Figura 2 muestra también la posibilidad de disponer una válvula de estrangulación 22 para cada tubería ranurada 15 cerca de la pieza de conexión, para permitir un flujo gradualmente reducido desde uno o ambos tubos, por ejemplo, en relación con la licuefacción o el riesgo de la misma en al menos uno de los tubos ranurados de la pareja en cuestión. Naturalmente tal válvula debe ser controlada remotamente. El experto en la técnica comprenderá que dichas válvulas son al menos igual de relevantes en el acomodo de la Figura 1 , donde no hay pared divisoria que separa a los tubos ranurados.

La Figura 3 muestra una trampa de arena más grande que comprenden una sección de la derecha R y una sección a mano izquierda L, separadas una de otra por medio de la pared divisoria 31 que puede, pero no es necesario, ser tan alta como las paredes exteriores de la trampa de arena. En la sección de longitud R dos pares de tubos ranurados están dispuestos con una tubería de descarga común para cada par. Consecuentemente la sección de longitud L comprende dos pares de tubos ranurados con una tubería de descarga común para cada par. En total hay cuatro pares de tubos ranurados, es decir, ocho tubos ranurados. De este modo la ventaja de la presente invención también es útil en trampas de arena de demasiado largas para utilizar un par de tubos ranurados para cubrir toda la longitud de la trampa de arena, y más aún para un solo tubo ranurado. Además se ¡lustra como los beneficios de la presente invención pueden aprovecharse en trampas de arena muy anchas para un solo tubo pueda extraer eficazmente los sedimentos de toda su ancho.

En la Figura 3 sólo existe la barrera mostrada en la dirección de la longitud de la trampa de arena, pero también es factible disponer al menos una barrera a través de la trampa de arena. El propósito de tales barreras es reducir el riesgo de licuefacción de sedimentos, lo que implica que una o varias de las tuberías ranuradas queden inactivas en toda o parte de su longitud hasta que nuevas capas de sedimentos se acumulen.

Además, si se produce la licuefacción con la presente invención se tiene un sistema con una posibilidad de remediar esta situación interrumpiendo temporalmente todo el flujo a través de la tubería ranurada en cuestión, de preferencia con una válvula en cada tubo ranurado, evitando así detener el flujo en el par de tuberías ranuradas.

La Figura 4 muestra una variante particularmente preferida de la tubería ranurada donde la ranura 41 está rodeado por un borde 42 en ambos lados, dicho borde se extiende hacia abajo para hacer una ruta más larga de transporte Trr de agua y sedimentos en la ranura, lo que también contribuye a la reducción de riesgo de licuefacción en cualquier punto arbitrario a lo largo de la tubería ranurada. La altura del borde puede variar a lo largo de la longitud de la tubería ranurada y debe ser más alta (más profundo) en el extremo de aguas abajo. Si se produce la licuefacción el par de tubos ranurados en cuestión temporalmente no serán capaces de succionar partículas de cualquier punto aguas arriba del punto de la licuefacción. Esta situación se mantendrá hasta que el sedimento cubra de nuevo el tubo ranurado a lo largo de toda su longitud. La ranura a lo largo de la tubería ranurada tiene la forma de aberturas discontinuas que es conveniente para obtener un tubo ranurado con fuerza suficiente basada en dimensiones y materiales convenientes. Las aberturas individuales pueden, sin embargo, tener una forma completamente diferente a la mostrada en la Figura 4. Como un ejemplo, las aberturas pueden ser más alargadas, pero en general debe estar dimensionada de tal manera que la conexión en T y la tubería de descarga no corran el riesgo de bloquearse con partículas que las aberturas permiten penetrar en el tubo ranurado.

Generalmente las ranuras son más pequeñas que el diámetro de la tubería de descarga pero más grandes que las partículas de sedimento más grandes que se depositan en la trampa de arena, para evitar así el bloqueo.

La Figura 5 muestra un acomodo adecuado de una conexión en T, 16, adecuado para conectar dos tubos ranurados a una tubería de descarga común (conectados al ramal vertical de la conexión en T mostrada en el esquema). Una pared divisoria interna 52 (línea punteada) se extiende hacia abajo hasta un punto deseado en la parte de descarga de la conexión en T. La pared divisoria interna puede ser preferiblemente móvil para cuando sea necesario controlar el flujo de agua de cada uno de los ramales ranurados de forma diferente.

La Figura 6 se incluye para el propósito de ilustrar que también las tuberías de descarga (17) pueden ser combinadas, típicamente en pares, para ahorrar metros de longitud de tubería. De esta manera se puede obtener una mayor aceleración del flujo de agua en la tubería de descarga, pero el mismo efecto puede lograrse también mediante el uso de tuberías con un diámetro gradualmente reducido.

La Figura 7 muestra un acomodo particular de la presente invención para el drenaje de una estructura prácticamente circular 71 (o silo), en el que seis tubos ranurados, 15, están dispuestos en una configuración de estrella hacia una pieza de conexión que tiene seis orificios de entrada y un puerto de descarga perpendicular a los puertos de entrada (hacia abajo en el plano del papel), dicho orificio de descarga dirige el flujo de agua a una tubería de descarga común 17. Naturalmente, la cantidad de tubos ranurados puede ser variada.

El punto central de la presente invención es la interacción dinámica entre pares de tubos ranurados unidos a una tubería de descarga común. Normalmente es de suponer que esto es una desventaja y que podría interferir con las condiciones hidráulicas que necesitan estar presentes para que los tubos ranurados succionen el sedimento de manera consistente y fiable a lo largo de toda su longitud y transportarlos fuera de la trampa de arena. Eso podría por ejemplo, ser el caso si uno de los tubos de succión termina de remover sedimentos mucho antes que el otro provocando un "corto circuito" antes de que se haya eliminado la capa de sedimento sobre él. Se ha demostrado, sin embargo, que con las precauciones adecuadas adoptadas, la conexión de al menos dos tubos ranurados a un tubo de descarga común, asegura un funcionamiento más estable para la remoción de sedimentos. Una cuestión importante que ya ha sido mencionada, es el hecho de que la longitud de cada tubo ranurado individual puede ser reducida. Una ventaja adicional consiste en la capacidad de un tubo ranurado para aliviar temporalmente el otro y con ello prevenir los pulsos de presión que pueden conducir a la licuefacción.

Para asegurar que los tubos ranurados pueden ser operados independientes entre sí, de modo que uno pueda continuar succionando sedimento incluso cuando el otro haya acabado, las siguientes condiciones deben cumplirse: 1 ) Debe haber una distancia suficiente entre las dos tuberías ranuradas, o se deben tomar precauciones para garantizar que el sedimento que cubre el tubo ranurado que sigue funcionando tiene una barrera suficiente para impedir la licuefacción. 2) El flujo de agua (en la parte de descarga) en la conexión a la tubería de descarga común debe acelerarse lo suficiente para que la fuerza de succión en cada uno de los tubos ranurados se mantenga. Esto se puede obtener permitiendo que el flujo de agua de cada tubo ranurado se realice de manera separada a una distancia prudente, por ejemplo con una pared de partición (52). Esta pared divisoria puede ser también extendida hasta la tubería de descarga y puede hacerse más gruesa de modo que la velocidad del agua a lo largo de la pared divisoria aumentará y los flujos en los tubos ranurados estarán separados unos de otros. No se debe, sin embargo, exagerar ya que esto reducirá la interacción deseada entre los dos tubos ranurados, es decir, la capacidad de uno para una para aliviar el otro en caso de que se encuentre parcialmente bloqueado.

También se podría montar equipo de monitoreo para vigilar la cobertura de sedimentos y, de forma manual o automática, controlar el funcionamiento de los tubos ranurados de acuerdo con el nivel de sedimento observado. Esto puede ser refinado midiendo además la velocidad del cambio de nivel de sedimento y cuando el nivel de sedimento aumente rápidamente (por ejemplo, durante una avenida o creciente) cambiar a una operación más rápida, o incluso, una operación continua.

Es posible disponer de boquillas de lavado a lo largo de los tubos ranurados para la desprender el sedimento cohesivo o material orgánico aglutinado. Tales boquillas pueden estar permanente o temporalmente conectadas a una bomba de alta presión para ser operadas cuando sea necesario.

El ancho de la ranura también puede ser optimizado para mejorar la concentración, mientras que se obtenga una succión efectiva según las condiciones.

Los tubos ranurados están construidos suficientemente rígidos y sus bases tienen una resistencia suficiente para impedir que el tubo sea comprimido por la capa de sedimento.

La velocidad en la tubería de descarga depende del diámetro del tubo ranurado, el diámetro de la tubería de descarga, la longitud y el diferencial de presión de conducción. Cuando la longitud de la descarga y el diferencial de presión están definidos, los diámetro de la tubería ranurada y la tubería de descarga se deben adaptar para que la velocidad en el tubo de descarga sea suficientemente alta y para que las partículas de mayor tamaño no se depositen y bloqueen las tuberías, y de esta manera la concentración de sedimentos es adapta a la capacidad de la tubería de descarga.

Con el fin de controlar la concentración de sedimentos de manera que corresponda con la capacidad de la tubería de descarga 17, es posible que en algunos casos sea conveniente proporcionar un suministro de agua a la tubería ranurada en su extremo de aguas abajo. Dependiendo de la tasa de adición de agua la concentración de sedimentos tendrá cambios en la descarga.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. - Método para la eliminación hidráulica de los sedimentos en trampa de arena donde el sedimento es succionado mediante tuberías ranuradas dispuestas en la parte inferior de la trampa de arena, caracterizado en que los tubos ranurados están ramificados a partir de piezas de conexión en las cuales al menos dos tuberías ranuradas están unidas a una tubería de descarga común en una dirección independiente de la orientación de las tuberías ranuradas y donde las tuberías ranuradas están separadas una de la otra para operar mutuamente independientemente y aún así contribuir a equilibrar mutuamente una subpresión común.

2. - El método que se reclama en la reivindicación 1 , es caracterizado en que las tuberías ranuradas están separadas una de la otra por medio de una distancia física y, habiendo terminado las ranuras, cierta distancia hasta pieza de conexión.

3. - El método que se reclama en la reivindicación 1 , es caracterizado en que las tuberías ranuradas están separadas una de la otra por medio de una barrera física entre ellas.

4. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que la barrera física consta de una pared de separación entre dos tuberías ranuradas unidas de manera que un flujo de agua y sedimento de dos tuberías ranuradas se mantienen mutuamente separados hasta la pieza de conexión.

5. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que los flujos de agua y sedimento de las tuberías ranuradas unidas están separados por una pared de separación móvil, controlable y opcional en la pieza de conexión.

6. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que las tuberías ranuradas están dispuestas en pares, las tuberías ranuradas de cada par están dispuestas a lo largo de una línea común y están conectados a una tubería de descarga común a través de una pieza en forma de T.

7. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que las tuberías ranuradas se utilizan en trampas de arena de túneles a presión.

8. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que las tuberías ranuradas son operadas de manera continua.

9. - El método según la reivindicación 3, es caracterizado en que las tuberías ranuradas se utilizan cuando la capa de sedimento ha alcanzado un nivel predeterminado o en intervalos de tiempo definidos.

10. - El sistema de tuberías ranuradas para la remoción hidráulica de sedimentos en las trampas de arena donde el sedimento es succionado mediante tuberías ranuradas dispuestas en la parte inferior de la trampa de arena, es caracterizado en que las tuberías ranuradas están ramificadas por medio de piezas de conexión donde al menos dos tuberías ranuradas están unidas a una tubería de descarga común en una dirección independiente de la orientación de las tuberías ranuradas y donde las tuberías ranuradas están separadas una de la otra con el fin operar mutuamente independiente y aún así contribuir a equilibrar entre sí una subpresión común.

11. - El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que las tuberías ranuradas se proporcionan con bordes en cada lado de la ranura para reducir el riesgo de licuefacción.

12. - El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que disponen de boquillas de lavado a lo largo de las tuberías ranuradas para desprender sedimento cohesivo.

13. - El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que el sistema comprende varios pares de tuberías ranuradas 5 dispuestos en una fila, uno detrás del otro.

14. - El sistema que se reclama en la reivindicación 10 es caracterizado en que el sistema comprende varios pares de tubos ranurados dispuestos en paralelo uno con el otro, preferiblemente separadas por una barrera física. i o 15.- El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que el tamaño de las ranuras varía a lo largo de las tuberías ranuradas, con una mayor apertura en las ranuras ubicadas aguas arriba de la trampa de arena que las de aguas abajo, esto para compensar la forma en que la distribución del tamaño de las partículas varía en la trampa de arena. 15 16.- El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que las piezas de conexión se incluye una pared de separación móvil, controlable y opcional que mantiene los flujos de agua de las tuberías ranuradas conectadas separados entre sí inmediatamente aguas abajo de la pieza de conexión. 2 0 17.- El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es caracterizado en que el sistema comprende equipo adaptado para monitorear el nivel de sedimento y, opcionalmente, equipo para iniciar y detener automáticamente y la operación según el nivel de sedimento registrado. 18.- El sistema que se reclama en la reivindicación 10, es 25 caracterizado en que una o ambas tuberías ranuradas de cada par son proporcionadas con una válvula de estrangulación cerca de la pieza de conexión para permitir un cierre gradual de la abertura en la pieza de conexión.