NO336317B1 - System og fremgangsmåte for å fjerne sedimenter fra sandfang - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et system og en fremgangsmåte ved hydraulisk fjerning av sedimenter som ligger i sandfang.

Bakgrunn

I en rekke situasjoner er det ønskelig å fjerne sedimenter som er avsatt under vann, uten at en tapper ned 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 sedimenteringsbasseng 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 sedimenteringsbasseng for enkelhets skyld kalt sandfang uavhengig av hvilke formål de tjener.

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.

Sedimenter som avsettes i sandfang kan være alt fra stein og grus til meget finkornig materiale. I vannkraftverk vil et normalt kriterium for hvilke partikkelstørrelser som skal skilles ut være 0,15 - 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.

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.

Fra publikasjon WO02088472 (Al) (Jacobsen) er det kjent å benytte spalterør i sandfang for fortløpende å fjerne sedimenter fra disse på enkel måte. Spalterør legges parallelt med visse mellomrom i forsenkninger i bunnen av sandfanget og kobles til hvert sitt utløpsrør ved eller nær sandfangets ene (nedre) ende. Systemet fungerer godt i sandfang inntil en viss størrelse, men krever en bearbeiding av bunnen av sandfanget i form av grøfter for å unngå at tendensen til grunnbrudd blir for stor. For store sandfang er det problem å oppnå den tilsiktede virkning i hele strekket fra øverst til nederst i sandfanget på grunn av lengden, det vil si det er vanskelig å opprettholde tilnærmet like hydrauliske betingelser i spalterørene når strekkene blir lange.

DE 374 612 C omhandler rør for fjerning av sedimenter, hvilke rør er utstyrt med ventiler på siden som kan åpnes og lukkes.

CN 101418555 A beskriver et rørsystem for tilsvarende funksjon, hvor et antall siderør er forgrenet fra et hoved rør. Systemet omfatter ventiler for å styre hastigheten på strømningen i rørene..

JP 56016720 A viser rør for formål som angitt over hvor åpninger på oversiden av rørene er forsynt med deksler som gir etter og slipper inn sedimenter når sedimenter med en gitt minstevekt er blitt akkumulert på de enkelte deksler.

US 2004/108265 Al omhandler et system av forgrenede rør for fjerning av sedimenter fra en tank med regnvann. Det er angitt at samlet tverrsnitta real av inntakshull skal være likt tverrsnittareal av utløp.

Systemene ovenfor er i stor grad avhengig av mekanikk som ventiler eller luker som skal åpnes og lukkes ved en gitt vekt, og som har latente svakheter ved at de kraver styring og/ eller som forventes å kreve et hyppig vedlikehold for å fungere

Formål

Formålet ved foreliggende oppfinnelse er å komme frem til en metode for å fjerne sedimenter fra sandfang på en enkel, rimelig og pålitelig metode som krever minimalt med vedlikehold.

Det er et ytterligere formål at nevnte metode skal være egnet til bruk også i store sandfang, skal periodevis kunne håndtere stor transport av sedimenter og fortrinnsvis at fjerningen skal kunne skje kontinuerlig.

Det er et formål å kunne fjerne sedimentpartikler og gjenstander med størst mulig diameter.

Foreliggende oppfinnelse

De ovenfor nevnte formål er oppnådd gjennom foreliggende fremgangsmåte som er definert i patentkrav 1. I henhold til et annet aspekt omfatter foreliggende oppfinnelse et system av spalterør som definert i patentkrav 10.

Foretrukne utførelsesformer fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Gjennom foreliggende oppfinnelse blir det vesentlig enklere å dekke store sandfang med et system av spalterør som er koblet sammen i det minste parvis til felles utløpsrør. Dette innebærer blant annet at lengden av spalterør i et gitt felt kan halveres ved at utløpsrøret tas ut "midt på" langsiden av et felt i stedet for ved enden av feltet. Ved den utførelsen som er beskrevet vil en samtidig oppnå er hydraulisk balanse mellom de to rørene slik at sugekraften til enhver tid utjevnes og en oppnår jevnere sug, enn om spalterørene er koblet til utløpsrør enkeltvis slik som (Al)

Det skal understrekes, som det senere er underbygget, at det slett ikke er en selvsagt mulighet å knytte to spalterør sammen på denne måten, da dette i utgangspunktet kan forstyrre de relativt delikate hydrauliske betingelser som må være til stede for at spalterørene skal virke etter hensikten.

Det er derfor viktig at dette blir tatt hensyn til og at hvert spalterør blir slik skilt fra andre spalterør at de alle kan operere delvis uavhengig av andre spalterør tilsluttet samme utløpsrør i hva angår de generelle hydrauliske forhold, men at de likevel er i stand til å samvirke positivt når det er påkrevet. Dette er nærmere forklart nedenfor.

Det må være tilstrekkelig avstand mellom nedstrøms ende av spaltene i hvert av spalterørene slik at de to rørene kan operere uavhengig. En oppnår dermed at: • Utløpsrøret kan ha lik eller større diameter enn spalterøret, og dermed reduseres risiko for tilstopping. • Hvert utløpsrør betjener en større lengde, dvs. spalterørene blir hver for seg kortere, noe som reduserer faren for grunnbrudd. • Risiko for grunnbrudd reduseres også ytterligere fordi undertrykket i spalterør og utløpsrør utjevnes: Dersom ras eller lignende midlertidig tetter eller hindrer tilstrømning i den ene så vil innstrømning i andre enden øke. • Ved kontinuerlig operasjon vil bare nedstrøms ende av spaltene være aktive, men en vil likevel fjerne sedimenter over en større lengde

I det følgende er oppfinnelsen beskrevet nærmere under henvisning til de vedlagte figurer hvor: Figur 1 viser et system omfattende to spalterør koblet til et felles utløpsrør i et sandfang

Figur 2 viser en variant av systemet vist i figur 1

Figur 3 viser et system omfattende åtte spalterør koblet parvis sammen med utløpsrør i et sandfang Figur 4 viser forstørret i perspektiv et utsnitt av et spalterør egnet til bruk ved foreliggende oppfinnelse.

Figur 5 viser T-kobling med skillevegg.

Figur 6. Viser to par spalterør koblet sammen til et felles utløpsrør.

Figur 7 viser en spesiell variant av foreliggende oppfinnelse.

Figur 1 viser sett ovenfra to spalterør 15 som er anordnet hovedsakelig på linje med hverandre i lengderetningen L av et sandfang. Spalterørene 15 omfatter generelt en hovedsakelig horisontal del 15a (se fig. 2) og nærmere oppstrøms ende er begge spalterørene vinklet opp med et skråstilt parti 15b som sikrer at oppstrøms ende 15c av spalterøret til enhver tid er udekket av sedimenter, noe som er viktig for spalterørets funksjon. Sandfang er typisk flere ganger så lange som de er brede. De to spalterørene 15 er forent i et felles utløpsrør 17 via et koblingsstykke 16. Det i figur 1 viste koblingsstykke betegnes ofte på bakgrunn av dets form, som et t-stykke. Sandfanget har skrå sidevegger 12 og skrå endevegger 13 som bidrar til at sedimenter vil dekke den horisontale del 15a av hvert rør tidlig og at det ikke er behov for mer flere spalterør i bredden.

Figur 2 viser prinsipielt det samme som figur 1, men som et ytterligere element er det lagt inn en skillevegg 21 på tvers av sandfanget der hvor spalterørene forenes for å sikre at de ikke påvirker hverandre på en uønsket måte (som tidligere beskrevet). Figur 2 viser også muligheten for å plassere en strupbar ventil 22 på hvert spalterør 15 nær koblingsstykket, for å muliggjøre gradvis redusert gjennomstrømning fra ett eller begge av rørene, for

eksempel i tilknytning til grunnbrudd eller risiko for grunnbrudd i minst ett av spalterørene av det aktuelle par. Det er en selvsagt ting at en slik ventil lar sg fjernstyre. Fagmannen vil forstå at slike ventiler er minst like aktuelle i tilfellet vist i figur 1, hvor det ikke finnes noen skillevegg mellom spalterørene.

Figur 3 viser et større sandfang som omfatter en høyre del R og en venstre del L skilt fra hverandre ved hjelp av en skillevegg 31 som kan være, men ikke trenger være, like høy som de ytre vegger av sandfanget. I lengdeseksjon R er det anordnet to par av spalterør med et felles utløpsrør for hvert par. Tilsvarende er det i lengdeseksjon L to par av spalterør med et felles utløpsrør for hvert par. Totalt i sandfanget er det fire par spalterør, det vil si åtte spalterør. På denne måten får man utnyttet fordelene ved foreliggende oppfinnelse også i sandfang som er så langt at det ikke er hensiktsmessig å la ett par spalterør dekke hele lengden av sandfanget, langt mindre ett spalterør alene. Tilsvarende illustreres hvordan man kan oppnå fordelene ved foreliggende oppfinnelse i sandfang som er så brede at én rekke av spalterør ikke effektivt kan trekke sedimenter fra hele bredden av sandfanget.

I figur 3 er det kun vist fysisk barriere 31 på langs av sandfanget, men det er intet i veien for å ha minst én barriere også på tvers av sandfanget. Hensikten med slike barrierer er å minske risikoen for grunnbrudd av sedimenter, slik at hele eller deler av ett eller flere spalterør blir inaktive inntil nye sjikt av sedimenter har fått bygget seg opp.

Også om det skjer grunnbrudd, har man ved systemet ifølge foreliggende oppfinnelse en mulighet til raskt å avhjelpe dette ved midlertidig å stanse all strøm av fluid gjennom det aktuelle spalterøret, fortrinnsvis med en ventil på det enkelte spalterør, slik at man slipper å stenge av begge spalterørene av paret.

Figur 4 viser en spesielt foretrukket variant av et spalterør hvor spalteåpningene 41 er omgitt av skjørt 42 på begge sider, hvilke skjørt rager nedover og gir en lengre transportvei Tr for vann og sedimenter inn til spalten, noe som også bidrar til å redusere faren for grunnbrudd et vilkårlig sted langs spalterøret. Høyden på skjørtet kan variere langs lengden av spalterøret og bør i så fall være høyest (dypest) ved nedstrøms ende. Hvis grunnbrudd inntreffer vil det innebære at det aktuelle spalterøret midlertidig ikke vil være i stand til å suge partikler fra noe punkt oppstrøms punktet for grunnbruddet. Denne tilstanden vil vedvare inntil sedimenter igjen dekker spalterøret kontinuerlig i dets lengde. Spalten i spalterøret har form av diskontinuerlige spalteåpninger, noe som er hensiktsmessig for å gi spalterøret tilstrekkelig styrke med hensiktsmessig valg av dimensjoner og materialer. Hver enkelt spalteåpning kan imidlertid ha helt annen form enn de som er vist i figur 4. For eksempel kan spalteåpningene ha større lengde enn bredde, men må generelt være dimensjonert slik at ikke T-stykke eller utløpsrør kan bli blokkert av partikler som spalteåpningene slipper inn i spalterøret.

Spaltene er typisk mindre enn rørdiameter på utløpsrøret men større enn største partikler som avsettes i fellingsbasseng slik at en unngår tilstopping. Figur 5 viser en foretrukket utførelsesform av et T-stykke 16 egnet til lå knytte to spalterør til et felles utløpsrør (som koples til det i figuren vertikale ben av T-stykket). En indre skillevegg 52 (stiplet) fortsetter nedstrøms til en valgfri posisjon i utløpsdelen av T-stykket. Den indre skillevegg 52 kan gjerne være styrbart bevegelig for ved behov å regulere vann-strømmen fra hvert av spalterørene i et par ulikt. Figur 6 er tatt med for å illustrere at også utløpsrørene (17) kan bli kombinert, typisk parvis, for å spare meter rørledninger. Det kan også oppnås en ytterligere akselerering av vannstrømmen i utløpsrøret på denne måten, men tilsvarende kan også oppnås ved å benytte rør med gradvis redusert diameter. Figur 7 viser en særskilt variant av foreliggende oppfinnelse for drenering fra et hovedsakelig sirkulært basseng 71 (eller silo), idet seks spalterør 15 er anordnet i stjerneformasjon inn mot et koblingsstykke 16' med seks innløpsporter og en utløpsport hovedsakelig vinkelrett på innløpsportene (ned i forhold til papirplanet), hvilken utløpsport leder vannstrømmen inn i et felles utløpsrør 17. Antallet spalterør kan selvsagt varieres.

Det mest sentrale element ved foreliggende oppfinnelse er det dynamiske samvirket mellom par av spalterør som er forent i et felles utløpsrør. Normalt ville man anta at dette er en ulempe og vil forstyrre de hydrauliske betingelsene som må være til stede for at spalterørene jevnt og pålitelig skal kunne trekke inn sedimenter langs hele spalterørets lengde og transportere dem ut av sandfanget. Det vil for eksempel være tilfelle dersom det ene spalterøret suger seg ferdig lenge før det andre, og kortslutter dette før overliggende sedimenter er fjernet. Så har det likevel vist seg at med de rette forbehold tatt, vil tvert imot foreningen av minst to spalterør i et felles utløpsrør sikre mer stabil drift når det gjelder fjerning av sedimenter. Ett viktig moment er allerede nevnt og består i at lengden på det enkelte spalterør på denne måten kan forkortes. Videre vil en oppnå at det ene spalterør midlertidig kan avlaste det andre og dermed hindre trykkpulser som for eksempel kan føre til grunnbrudd.

For å sikre at spalterørene opereres tilnærmet uavhengig av hverandre (slik det ene fortsetter å suge sedimenter selv om det andre "er ferdig med jobben sin" må følgende betingelser være tilstede: 1) Det må være tilstrekkelig avstand mellom de to spalterørene, eller andre tiltak slik at sedimentene som ligger over det gjenværende spalterøret danner en tilstrekkelig sperre mot grunnbrudd. 2) Vannstrømmen (i utløpsdelen) i overgang til felles utløpsrør må akselereres tilstrekkelig slik at sugekraften i hvert av spalterørene opprettholdes. Dette kan gjøres ved at vannstrømmen fra hvert av spalterørene holdes adskilt et stykke, for eksempel med en skillevegg (52). Denne skilleveggen kan også forlenges inn i utløpsrøret, og den kan gjøres tykkere slik at vannhastigheten langs skilleveggen øker og strømningen ide spalterør skilles ytterligere fra hverandre. Dette må imidlertid ikke overdrives da det vil redusere det ønskede samvirket mellom de to spalterørene, dvs. at ett tar over når det andre delvis tettes.

En kan også montere måleutstyr som registrerer sedimentoverdekningen, og enten manuelt eller automatisk styre operasjonen av spalterørene etter det målte sedimentnivået. Dette kan ytterligere raffineres ved at en måler hastigheten på endring i sedimentnivået, og når sedimentnivået stiger raskt (f.eks under flom) gå over til mer hyppig operasjon eller endog kontinuerlig operasjon.

Det kan anordnes spyledyser langs spalterøret slik at kohesive sedimenter og sammenkittet organsk materiale løses opp. Disse kan permanent eller midlertidig kobles til en høytrykks pumpe som opereres når det er behov det.

Spaltebredden kan også optimaliseres slik at konsentrasjonen optimaliseres samtidig som effektiv innsugingslengde samsvarer med forholdene.

Spalterøret er fundamentert tilstrekkelig tett og fundamentene har tilstrekkelig styrke til å hindre at røret ikke blir brutt ned av overliggende sedimenter.

Hastighet i utløpsrøret avhenger av diameter på spalterør, diameter på utløpsrør, lengde og drivende trykkforskjell. Når utløpslengde og trykkforskjell er gitt må diametre på spalterør og utløpsrør tilpasses slik at hastigheten i utløpsrøret blir stor nok og slik at store partikler ikke avsetes og tetter røret, og på en slik måte at sedimentkonsentrasjonen tilpasses utløpsrørets kapasitet.

For å regulere sedimentkonsentrasjonen slik at den korresponderer med kapasiteten til utløpsrøret 17, kan det i noen tilfeller være hensiktsmessig å utstyre spalterørene med vanntilførsel i nedstrøms ende. Alt etter hvor mye vann som tilføres vil man endre sedimentkonsentrasjonen i det utstrømmende vann.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte ved hydraulisk fjerning av sedimenter som ligger i sandfang der sedimentene suges inn i spalterør (15) anordnet nær bunnen av sandfanget, idet spalterørene (15) anordnes forgrenet ut ifra koblingsstykker (16) hvor minst to spalterør munner ut i et felles utløpsrør (17) i en retning uavhengig av orienteringen av spalterørene (15),karakterisert vedat spalterørene (15) skilles fra hverandre gjennom minst enten: a) fysisk avstand og ved at spaltene avsluttes i avstand fra koblingsstykket (16) eller b) ved hjelp av en fysisk barriere (21, 31) mellom dem.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat det som fysisk barriere benyttes en skillevegg (21) mellom to møtende spalterør (15) slik at en strøm av vann og sedimenter fra de to spalteør (15) holdes adskilt inn mot koblingsstykket (16).

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat en strøm av vann og sedimenter fra to møtende spalterør (15) holdes atskilt ved hjelp av en eventuelt styrbart bevegelig skillevegg (52) i koblingsstykket (16).

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat spalterørene (15) anordnes i par, idet spalterørene (15) av hvert par ligger på linje etter hverandre og via et t-stykke (16) mellom dem er tilknyttet et felles utløpsrør (17).

5. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat spalterørene (15) benyttes i trykksatt tunnelsandfang.

6. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat spalterørene (15) benyttes kontinuerlig.

7. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat spalterørene (15) benyttes når overdekningen har nådd et på forhånd definert nivå eller i gitte intervaller.

8. System av spalterør hydraulisk fjerning av sedimenter som ligger i sandfang der sedimentene suges inn i spalterør anordnet nær bunnen av sandfanget, idet spalterørene (15) er anordnet forgrenet ut ifra koblingsstykker (16) hvor minst to spalterør (15) munner ut i et felles utløpsrør (17) i en retning uavhengig av orienteringen av spalterørene (15),karakterisert vedat spalterørene (15) er skilt fra hverandre gjennom minst enten: a) fysisk avstand og ved at spaltene avsluttes i avstand fra koblingsstykket (16) eller b) ved hjelp av en fysisk barriere (21,31) mellom dem.

9. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat spalterørene (15) har skjørt (42) på hver side av spalten (41) slik at faren for grunnbrudd reduseres.

10. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat det er anordnet spyledyser langs spalterørene for å løse opp kohesive sedimenter.

11. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat systemet omfatter flere par av spalterør (15) anordnet på rekke etter hverandre.

12. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat systemet omfatter flere par av spalterør (15) anordnet parallelt, fortrinnsvis atskilt av fysisk barriere (31).

13. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat størrelsen av spaltene (41) varierer langs lengden av spalterørene (15) med større spalteåpninger oppstrøms i sandfanget enn nedstrøms for å ta hensyn til hvordan partikkelstørrelsesfordelingen av sedimenter varierer i sandfanget.

14. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat koblingsstykkene (16) inneholder en eventuelt styrbart bevegelig festet skillevegg (52) som holder vannstrømmen fra de tilknyttede spalterør (15) skilt i og umiddelbart nedstrøms for koblingsstykket (16).

15. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat systemet omfatter utstyr innrettet til å overvåke sedimentnivået samt eventuelt utstyr til automatisk starte og pause operasjon i avhengighet av registrert sedimentnivå.

16. System i samsvar med patentkrav 8,karakterisert vedat ett eller begge spalterør (15) av hvert par er forsynt med en strupeventil (22) nær koblingsstykket (16) for gradvis å kunne strupe åpningen inn til koblingsstykket (16).