NO316628B1

NO316628B1 - Method and apparatus for hydraulically removing sediment from sand traps

Info

Publication number: NO316628B1
Application number: NO20012153A
Authority: NO
Inventors: Tom Jacobsen
Original assignee: Tom Jacobsen
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2004-03-15
Also published as: CN100464027C; JP4412700B2; NO20012153D0; NO20012153L; CN1505722A; JP2004524467A; WO2002088472A1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og en anordning for hydraulisk fjerning av sedimenter som samles i sandfang. The present invention relates to a method and a device for the hydraulic removal of sediments that collect in sand traps.

Bakgrunn Background

I en rekke situasjoner er det ønskelig å fjerne sedimenter som er avsatt under vann, uten at en tapper eller på annen måte senker vannspeilet til det overliggende vann. Sedimenter i denne sammenheng er partikulært materiale så som grus, sand, silt, organiske partikler eller andre partikler. Vann som strømmer i elver, kanaler, tunneler eller rør kan transportere sedimenter. Dersom hastigheten til vannet avtar, vil sedimenter som er tyngre enn vann synke til bunns og avsettes. Det kan for eksempel være reguleringsmagasin, inntaksmagasin eller sedimenterings-basseng i forbindelse med vannkraftverk eller irrigasjonsanlegg, sandfang i tunneler eller tanker eller basseng i forbindelse med prosessanlegg. Det er ofte ønskelig å tømme lagertanker for . partikulært materiale ved hjelp av vann eller luft. I det følgende er alle slike sedimenterings-basseng for enkelhets skyld kalt sandfang uavhengig av hvilke formål de tjerner. In a number of situations, it is desirable to remove sediments that have been deposited under water, without a tap or otherwise lowering the water table to the overlying water. Sediments in this context are particulate material such as gravel, sand, silt, organic particles or other particles. Water flowing in rivers, canals, tunnels or pipes can transport sediments. If the speed of the water decreases, sediments that are heavier than water will sink to the bottom and be deposited. It could be, for example, a regulating reservoir, intake reservoir or sedimentation basin in connection with hydropower plants or irrigation systems, sand traps in tunnels or tanks or basins in connection with processing plants. It is often desirable to empty storage tanks for . particulate matter using water or air. In the following, all such sedimentation basins are, for the sake of simplicity, called sand traps, regardless of the purpose for which they are ponded.

Sedimentene vil føre til stor slitasje dersom disse føres med vannet gjennom turbinen(e) i et vannkraftverk. Det er kjent flere steder at turbiner må repareres eller skiftes ut opptil flere ganger i året på grunn av den slitasjen som sedimenter medfører. Videre kan kanaler og tunneler fylles opp av sedimenter. Det finnes derfor en rekke sandfang i tilknytning til vannkraftanlegg, i første rekke i land hvor elver fører med seg store mengder sedimenter. Videre er det en rekke steder inntak til irrigasjonsanlegg hvor en ønsker å skille ut i det minste de grovere partiklene, slik at ikke irrigasjonskanaler blir tettet til eller planter oversprøytet med sandholdig vann. The sediments will cause great wear and tear if these are carried with the water through the turbine(s) in a hydropower plant. It is known in several places that turbines have to be repaired or replaced up to several times a year due to the wear caused by sediments. Furthermore, channels and tunnels can be filled up with sediments. There are therefore a number of sand traps in connection with hydropower plants, primarily in countries where rivers carry large amounts of sediment. Furthermore, there are a number of places where the intake to the irrigation system is, where you want to separate out at least the coarser particles, so that irrigation canals are not blocked or plants oversprayed with sandy water.

Sedimenter som avsettes i sandfang kan være alt fra stein og grus til meget finkornet materiale. I vannkraftverk vil et normalt kriterium for hvilke partikkelstørrelser som skal skilles ut være 0,15 Sediments that are deposited in sand traps can be anything from stone and gravel to very fine-grained material. In hydropower plants, a normal criterion for the particle sizes to be separated will be 0.15

- 0,5 mm. - 0.5 mm.

Kjente teknikker for fjerning av sedimenter omfatter nedtapping og mekanisk utgraving eller utspyling av sedimenter ved at vannstanden senkes slik at hastigheten over sedimentene øker. Begge disse metodene har den ulempen at vannforsyningen til f. eks. kraftverket stanses. Dermed stanses produksjonen, samt at det er kostnader i forbindelse med nedkjøring og oppstart av et kraftanlegg. Videre vil konflikten mellom ønsket produksjon og fjerning av sedimenter ofte ende med at fjerning av sedimenter blir utsatt, noe som fører til unødig turbinslitasje. Known techniques for removing sediments include draining and mechanical excavation or flushing of sediments by lowering the water level so that the speed over the sediments increases. Both of these methods have the disadvantage that the water supply for e.g. the power plant is stopped. As a result, production is stopped, and there are costs in connection with decommissioning and starting up a power plant. Furthermore, the conflict between the desired production and the removal of sediments will often end up with the removal of sediments being postponed, which leads to unnecessary turbine wear.

Andre kjente teknikker omfatter spyling gjennom hull i bunnen av sandfanget ned til en spylekanal. Disse hullene kan eventuelt være utstyrt med lukkemekanismer { Bieri patentert system). Ulempen med dette systemet er at det er avhengig av motorer, kraftoverføring og bevegelige deler, og derfor er utsatt for driftsstans. Other known techniques include flushing through holes in the bottom of the sand trap down to a flushing channel. These holes can optionally be equipped with closing mechanisms {Bieri patented system). The disadvantage of this system is that it relies on motors, power transmission and moving parts, and is therefore prone to downtime.

Et ytterligere kjent system er kjent under betegnelsen "Ormen lange" som er utviklet ved Sintef i Trondheim. Dette systemet kjennetegnes ved at en langsgående spalte over en spylekanal lukkes med en fleksibel slange. Denne slangen kan tømmes og fylles med vann, og vil alt etter som den flyter opp eller legger seg ned, åpne eller lukke spylekanalen. Ulempen med denne metoden kan være kostnadene knyttet til den fleksible slangen og sårbarhet for fremmedlegemer, samt en A further known system is known under the term "Ormen longe" which has been developed at Sintef in Trondheim. This system is characterized by the fact that a longitudinal gap above a flushing channel is closed with a flexible hose. This hose can be emptied and filled with water, and depending on whether it floats up or settles down, will open or close the flushing channel. The disadvantage of this method can be the costs associated with the flexible hose and vulnerability to foreign objects, as well as a

relativt komplisert operasjon. relatively complicated operation.

Det er kjent at et rør med en langsgående i det minste delvis kontinuerlig spalte på undersiden, et såkalt spalterør, egner seg til å suge inn sedimenter på en slik måte at høyest mulig sediment-konsentrasjon oppnås, men uten at utgående rørledning, slange eller kanal blokkeres av sedimenter. Sedimentene som suges ut vil være de som er avsatt over spalterøret. Dette spalterøret er kjent teknologi fra Gemini nr. 3, desember 94, s. 20-21, utgitt av SINTEF/ NTNU. Ulempen med dette kjente spalterøret er at dersom tykkelsen på avsatte sedimenter (over-dekningen) er for liten i forhold til lengden av røret som er dekket av sedimenter, så vil sedimenter bare suges inn gjennom et punkt, og ikke slik at hele spalterøret avdekkes. It is known that a pipe with a longitudinal at least partially continuous slit on the underside, a so-called slit pipe, is suitable for sucking in sediments in such a way that the highest possible sediment concentration is achieved, but without the outgoing pipeline, hose or channel blocked by sediments. The sediments that are sucked out will be those that have been deposited above the slit pipe. This slit tube is known technology from Gemini no. 3, December 94, pp. 20-21, published by SINTEF/NTNU. The disadvantage of this known split pipe is that if the thickness of deposited sediments (over-covering) is too small in relation to the length of the pipe which is covered by sediments, then sediments will only be sucked in through a point, and not so that the entire split pipe is exposed.

Formål Purpose

Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å fjerne sedimenter fra sandfang og andre steder hvor sedimenter avsettes, og da særlig lange sandfang. Det er videre et formål at sedimentene kan fjernes uten at sandfanget er helt fylt opp med sedimenter og på en slik måte at vannforsyningen ikke avbrytes, og slik at forbruket av vann til utspyling av sedimenter er minst mulig. It is an object of the present invention to remove sediments from sand traps and other places where sediments are deposited, and particularly long sand traps. It is also a purpose that the sediments can be removed without the sand trap being completely filled with sediments and in such a way that the water supply is not interrupted, and so that the consumption of water for flushing out sediments is as minimal as possible.

Det er et formål at dette skal gjøres på en så enkel og rimelig måte som mulig, slik at personell som opererer oppfinnelsen ikke er avhengige av teknisk utdanning eller langvarig trening. It is a purpose that this should be done in as simple and reasonable a way as possible, so that personnel who operate the invention are not dependent on technical education or long-term training.

Det er videre et formål å kunne regulere sedimentkonsentrasjonen, slik at denne kan optimali-seres alt etter hva som er vannstanden i sandfanget, og etter hvilken beskaffenhet sedimentene har. It is also a purpose to be able to regulate the sediment concentration, so that this can be optimized according to the water level in the sand trap, and according to the nature of the sediments.

Det er videre et formål at fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen skal være driftssikker og at behovet for vedlikehold skal være lavt It is also an aim that the method and device according to the invention should be operationally reliable and that the need for maintenance should be low

Oppfinnelse Invention

De ovenfor nevnte formål er oppnådd ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av patentkrav 1. Foretrukne utførelsesformer av dette aspekt av oppfinnelsen fremgår av kravene 2-5. The above-mentioned objects are achieved by the method according to the invention, which is characterized by the features that appear in patent claim 1. Preferred embodiments of this aspect of the invention appear in claims 2-5.

Oppfinnelsen angår i henhold til et annet aspekt en anordning som angitt i patentkrav 6. Foretrukne utførelsesformer av dette aspekt av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav 7-15. According to another aspect, the invention relates to a device as stated in patent claim 6. Preferred embodiments of this aspect of the invention appear from the independent claims 7-15.

I det følgende er oppfinnelsen beskrevet nærmere under henvisning til de vedlagte tegninger. Figur 1 viser et lengdesnitt av et sandfang hvor fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er implementert, In the following, the invention is described in more detail with reference to the attached drawings. Figure 1 shows a longitudinal section of a sand trap where the method according to the invention is implemented,

Figur 2 viser et tverrsnitt av sandfanget vist på fig. 1, Figure 2 shows a cross-section of the sand trap shown in fig. 1,

Figur 3 viser et lengdesnitt av et sandfang hvor en alternativ utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er implementert, Figur 4 viser et lengdesnitt av et sandfang med nok en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen. Figur 1 viser et lengdesnitt av et sandfang 1, med ei smal renne 2 i bunnen 3 hvori et er montert et spalterør 4 som har utløp 5 den ene siden og hvor den andre siden 6 er hevet. En ventil 8 nær utløpet 5 kan åpnes og stenges for å regulere driften av spalterøret 4. Figuren viser også et tilførselsrør 13 som gjør det mulig å tilsette vann til røret 4 nedstrøms for sedimentene, gjennom i større eller mindre grad å åpne en ventil 12. Figur 2 viser et tverrsnitt av sandfanget vist på figur 1. Over den smale renna 2 er der ei rist 7 eller lignende som hindre større gjenstander, som f. eks. greiner å falle ned i den smale renna. Figur 2 viser to spalterør 4,4', det ene montert over det andre i renna 2. Disse kan enten benyttes samtidig, for derved å øke kapasiteten, eller det ene kan fungere som reserve, dersom det andre skulle opphøre å fungere. Figur 2 viser videre at bunnen 3 av sandfanget heller inn mot renna 2, hvilket utgjør et foretrukket trekk ved oppfinnelsen. Figur 3 viser spalterør 4 som har utløp 5,5' i begge ender, slik at sandfanget kan tømmes vekslende den ene eller den andre veien. I hver ende 6,6<*> er spalterøret hevet over øverste nivå for sedimenter, og spalterøret kan stenges med en ventil 11,11*. Figur 4 viser flere delvis adskilte sandfang med separate spalterør. Dette er aktuelt dersom sandfanget har store dimensjoner, og spesielt dersom en ikke ønsker å bygge sandfanget unødig dypt. Ved at det benyttes flere spalterør, kan dessuten driftssikkerheten økes. Figure 3 shows a longitudinal section of a sand trap where an alternative embodiment of the method according to the invention has been implemented, Figure 4 shows a longitudinal section of a sand trap with another alternative embodiment of the invention. Figure 1 shows a longitudinal section of a sand trap 1, with a narrow channel 2 in the bottom 3 in which a slit pipe 4 is mounted which has an outlet 5 on one side and where the other side 6 is raised. A valve 8 near the outlet 5 can be opened and closed to regulate the operation of the slit pipe 4. The figure also shows a supply pipe 13 which makes it possible to add water to the pipe 4 downstream of the sediments, by opening a valve 12 to a greater or lesser extent. Figure 2 shows a cross-section of the sand trap shown in Figure 1. Above the narrow chute 2 there is a grate 7 or similar that prevents larger objects, such as e.g. branches to fall into the narrow chute. Figure 2 shows two slit pipes 4,4', one mounted above the other in the chute 2. These can either be used at the same time, thereby increasing the capacity, or one can function as a reserve, should the other cease to function. Figure 2 further shows that the bottom 3 of the sand trap slopes towards the chute 2, which constitutes a preferred feature of the invention. Figure 3 shows slot pipe 4 which has an outlet 5.5' at both ends, so that the sand trap can be emptied alternately one way or the other. At each end 6.6<*>, the slit pipe is raised above the top level for sediments, and the slit pipe can be closed with a valve 11.11*. Figure 4 shows several partially separated sand traps with separate slit pipes. This is applicable if the sand trap has large dimensions, and especially if you do not want to build the sand trap unnecessarily deep. By using several slit pipes, operational reliability can also be increased.

Utformingen sikrer at spalterøret blir dekket i hele dets lengderetning. Dette er en forutsetning for at de hydrauliske betingelser rundt røret er slik at det suger sedimenter i hele dets lengderetning, og ikke bare gir punktavsug. Av samme grunn er det hensiktsmessig å operere avsuget i bestemte intervaller. Spalterøret vil typisk opereres ved at man åpner ventilen nær utløpet og eventuelt starter ei eller flere pumper (ikke vist) for å øke sugevirkningen i røret. The design ensures that the split pipe is covered along its entire length. This is a prerequisite for the hydraulic conditions around the pipe being such that it sucks sediments along its entire length, and does not just provide spot suction. For the same reason, it is appropriate to operate the suction at specific intervals. The split pipe will typically be operated by opening the valve near the outlet and possibly starting one or more pumps (not shown) to increase the suction effect in the pipe.

Rennas dimensjoner kan variere innen vide grenser avhengig av bruksområde og sandfangets størrelse. En vanlig bredde kan være av størrelsesorden 0,25 -1 meter og dybden typisk 1 - 5 meter. Spalterørets dimensjoner avpasses etter behovet. The dimensions of the chute can vary within wide limits depending on the area of use and the size of the sand trap. A normal width can be of the order of 0.25 - 1 meter and the depth typically 1 - 5 metres. The dimensions of the slit pipe are adjusted according to need.

Det er foretrukket at oppstrøms ende av spalterøret er hevet over nivået for sedimentene. På denne måten sikrer man at det eksisterer et startpunkt som ligger høyere enn alle avsatte sedimenter. It is preferred that the upstream end of the slit pipe is raised above the level of the sediments. In this way, it is ensured that there is a starting point that is higher than all deposited sediments.

Som drivkraft ved utsuging av sedimenter gjennom spalterøret 4 vil det ofte være hensiktsmessig å bruke den høydeforskjell som finnes mellom vannstanden i sandfanget og utløpet 5. Ved å utnytte denne høyde- eller trykkforskjell vil man øke driftssikkerheten fordi man er uavhengig av kraftforsyning og eventuelle avbrudd i en slik. Videre vil utløpsrøret kunne gjøres helt glatt, noe som reduserer faren for blokkering. En kan også anvende en eller flere pumper for å oppnå den ønskede drivkraft. Trykkforskjellen som behøves for å suge sand ut av sandfanget vil typisk være 1-10 meter. As a driving force when extracting sediments through the slit pipe 4, it will often be appropriate to use the height difference between the water level in the sand trap and the outlet 5. By utilizing this height or pressure difference, you will increase operational reliability because you are independent of power supply and possible interruptions in one like that. Furthermore, the outlet pipe can be made completely smooth, which reduces the risk of blockage. One can also use one or more pumps to achieve the desired driving force. The pressure difference required to suck sand out of the sand trap will typically be 1-10 metres.

Spalterøret er egnet til å ta partikler begrenset oppad til en gitt størrelse. Det er således uhensiktsmessig at partikler med størrelse utover spaltens bredde blir ført ned i renna. Det er derfor foretrukket å dekke over åpningen av renna i hele eller vesentlig deler av dens lengde, med ei rist eller et gitter som holder tilbake partikler med størrelse over en gitt grense. The slit pipe is suitable for taking particles limited upwards to a given size. It is therefore inappropriate for particles with a size beyond the width of the gap to be carried down the chute. It is therefore preferred to cover the opening of the chute in whole or substantial parts of its length, with a grid or a grid that holds back particles with a size above a given limit.

For å gardere seg mot evt. svikt i systemet, er det hensiktsmessig å plassere to eller flere spalterør i ei og samme renne. Ved evt. tilstopping i ett rør, kan man da fortsette å operere med minst ett annet spalterør. Alternativt kan flere rør betjenes samtidig for å øke kapasiteten, dersom det er behov for det i tilknytning til for eksempel flom eller andre ekstreme situasjoner. For å regulere sedimentkonsentrasjonen slik at den korresponderer med kapasiteten til utløpet 5, vil det være hensiktsmessig å utstyre spalterøret 4 med vanntilførsel 13 i nedstrøms ende. Alt etter hvor mye vann som tilføres vil man endre sedimentkonsentrasjonen i det utstrømmende vann. To guard against any failure of the system, it is appropriate to place two or more slit pipes in one and the same gutter. If there is a blockage in one pipe, you can then continue to operate with at least one other slit pipe. Alternatively, several pipes can be operated at the same time to increase capacity, if there is a need for it in connection with, for example, floods or other extreme situations. In order to regulate the sediment concentration so that it corresponds to the capacity of the outlet 5, it will be appropriate to equip the slit pipe 4 with a water supply 13 at the downstream end. Depending on how much water is supplied, the sediment concentration in the flowing water will change.

Mens det normalt vil være naturlig å lede ut materialet i en og samme retning, kan det også tenkes situasjoner hvor det er hensiktsmessig med mulighet for å suge ut sedimenter vekselvis eller alternerende i begge retninger av ledningen. For dette formål etableres et system som vist på figur 3, hvor det i begge ender av spalterøret er tilknyttet et hevet rørparti 6<*> hhv. 6, og et senket utløp S hhv. 5'. Ved hjelp av ventiler kan man i samvirke med en egnet "drivkilde" styre retningen på utsuget. While it would normally be natural to lead out the material in one and the same direction, situations can also be imagined where it is appropriate to have the option of sucking out sediment alternately or alternating in both directions of the line. For this purpose, a system is established as shown in Figure 3, where a raised pipe section 6<*> or 6, and a lowered outlet S respectively. 5'. With the help of valves, in cooperation with a suitable "drive source", the direction of the extraction can be controlled.

Mens det i beskrivelsen ovenfor er referert til sandfang i vann, som representerer normaltilfellet, skal det forstås at oppfinnelsen også kan utnyttes i tilfeller hvor det omgivende fluid ikke er vann, nien for eksempel olje eller en gass. While the description above refers to sand trapping in water, which represents the normal case, it should be understood that the invention can also be utilized in cases where the surrounding fluid is not water, for example oil or a gas.

Claims

1. Procedure for the hydraulic removal of sediments located in sand traps, which sediments include particles that vary in size from stones to fine particulate material, in which the sediments are sucked into an approximately horizontal or inclined slit pipe (4) through at least one slit (9) which is mainly continuous over a significant part of the length of the slit pipe (4) and is led out of the sand trap (l) through an outlet (5), characterized in that the sand trap (1) at the bottom (3) is equipped with a longitudinal channel (2) which is submerged in relation to the bottom of the sand trap in general, the width of the channel (2) being significantly narrower than the width of the sand trap perpendicular to the channel ( 2) and that the slit pipe (4) is placed close to the bottom of the chute (2), but so that the upstream end of the slit pipe (4), regardless of the amount of sediments that have accumulated, protrudes from the amount of sediments.

2. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the pressure difference between sand trap (1) and outlet (5) is used as a driving force for suction of sediments, and that the time and duration of suction is regulated with a valve (8) near the outlet (5).

3. Procedure as stated in claim 1, characterized in that one or more pumps are used which contribute to the suction force in the slit tube (4).

4. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the extraction of sediments through the slit pipe (4) only starts after significant parts of the slit pipe (4) are well covered by sediments.

5. Procedure as stated in claim 1, characterized in that the quantity of sediments sucked into the slit pipe (4) is regulated by the supply of water via a supply pipe (13) downstream of the slit.

6. Device for hydraulic removal of sediments collected in sand traps, which sediments comprise particles varying in size from stones to fine particulate material, comprising an approximately horizontally arranged or inclined in and of itself slotted tube (4) comprising at least one slot (9) which is mainly continuous over a significant part of the length of the slit pipe (4), characterized in that the sand trap (1) at the bottom (3) comprises a longitudinal chute (2) which is submerged in relation to the bottom (3) of the sand trap (1) for otherwise, as the chute (2) is significantly narrower than the extent of the sand trap perpendicular to the chute (2) and that the slit pipe (4) is arranged near the bottom of the chute (2), but so that the upstream end of the slit pipe (4) regardless of the amount of sediment that has accumulated, will protrude from the amount of sediments.

7. Device as specified in claim 6, characterized in that a valve (8) is arranged near the outlet (5) for regulating the time and duration of suction, the pressure difference between sand trap (1) and outlet (5) being used as a driving force for suction of sediments.

8. Device as specified in claim 6, characterized in that the suction force in the slit tube (4) is partly provided by one or more pumps.

9. Device as set forth in any of claims 6-8, characterized by the fact that the bottom (3) of the sand trap (1) slopes towards the chute (2) across the longitudinal direction.

10. Device according to any one of claims 6-9, characterized in that a water supply (13) with valve (12) is arranged at the downstream end of the slit pipe (4) in order to be able to regulate the amount of sediments sucked into the slit pipe (4).

11. Device as set forth in any one of claims 6-10, characterized in that the upstream end (6) of the slit pipe (4) is raised so that the end of the pipe is always higher than the sediments that are deposited.

12. Device as set forth in any of claims 6-11, characterized in that a grating (7) or grid is arranged over the narrow chute (2) to prevent particles of an unwanted size from falling into the chute (2).

13. Device as set forth in any of claims 6-12, characterized in that several slit pipes (4,4') are arranged above and/or next to each other at the bottom of the chute (2).

14. Device as set forth in any of claims 6-13, characterized in that the split pipe (4) is connected at both ends to an outlet (5 or 5') and at the same time at both ends is connected to respective pipes (6<*> or 6) which have upper ends that are always higher than the sediments and at least partially has a slot (9) along the bottom which can be closed with valves (11 or 11') or the like.

15. Device as set forth in any of claims 6-14, characterized in that slit pipes (4) are arranged in several at least partially separated sand traps (1,1') which lie either serially and/or parallel in relation to each other.