Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ противофильтрационных мероприятий на золоотвалах ТЭС 10
1.1 Сущность проблем, связанных с фильтрацией на золоотвалах 10
1.2 Противофильтрационные мероприятия в специальных гидротехнических сооружениях 12
1.2.1 Классификация золоотвалов и противофильтрационных конструкций 12
1.2.2 Ретроспектива строительства гидротехнических сооружений с полимерными плёночными противофильтрационными конструкциями 18
1.2.3 Сравнительная характеристика конструкций из полимерных материалов 22
1.2.4 Обзор существующих способов укладки плёночных экранов и завес в гидротехнических сооружениях24
1.2.5 Формирование требований к технологии создания противофильтрационных пленочных завес 26
1.3 Моделирование теплообменных процессов в зол отвалах ТЭС 27
1.3.1 Обзор существующих постановок и решений задачи со свободной 27
границей
1.3.2 Математическая постановка и решение задачи термо влажностного режима гидросооружения - 31
1.3.3 Формирование требований к моделированию процессов теплообмена в дренированных золоотвалах 39
1.4 Выводы по разделу 39
2 Исследование степени водонепроницаемости самоуплотняющихся стыков плёночных экранов 41
2.1 Предварительный эксперимент по изучению свойств самоуплотняющихся стыков пленочных завес 41
2.2 Основной эксперимент по изучению свойств самоуплотняющихся стыков пленочных завес 43
2.2.1 Цели и задачи экспериментов 43
2.2.2 Силовая фильтрационная установка 44
2.2.3 Методика проведения экспериментов 46
2.3 Анализ влияния основных конструкционных и эксплуатационных факторов на работу "Х"-образного стыка 49
2.3.1 Влияние высоты отгиба и гидростатического напора на степень водонепроницаемости стыка
2.3.2. Влияние предварительного смачивания внутренней поверхности стыка на его проницаемость 54
2.3.3 Влияние конфигурации стыка на интенсивность фильтрации 56
2.3.4 Влияние динамического уплотнения пригрузочного слоя грунта, давления вышележащих слоев грунта и ЗШМ на интенсивность фильтрации 59
2.4 Выводы по разделу 64
3 Экспериментальное исследование температурно-влажностного режима дренированного золоотвала 66
3.1 Физическая постановка задачи 66
3.2 Применение теории подобия к физическому эксперименту 68
3.3 Предварительные эксперименты 70
3.3.1 Оборудование, материалы и их характеристики 70
3.3.2 Расчёт параметров модели золоотвала 71
3.3.3 Методика проведения эксперимента 72
3.3.4 Обработка результатов предварительных экспериментов 74
3.4 Основной эксперимент 75
3.4.1 Коэффициенты подобия 75
3.4.2 Оборудование, приборы, материалы и их характеристики 76
3.4.3 Методика проведения эксперимента 77
3.4.4 Обработка и анализ результатов 80
3.5 Выводы по разделу 81
4 Теоретическое исследование температурно-влажностного режима дренированного золоотвала 83
4.1 Численное решение задачи температурного режима дренированного золоотвала типа 1-А 83
4.1.1 Одномерная модель температурного режима золоотвала 87
4.1.2 Вывод уравнения сопряжения энергии 89
4.1.3 Алгоритм решения задачи 91
4.1.4 Вычислительная программа 95
4.2 Выявление более эффективной математической модели температурного режима дренированного золоотвала типа 1-А 95
4.3. Анализ результатов вычисления температурного режима золоотвала 98
4.4 Выводы по разделу 104
5 Устройства и технология укладки плёночных конструкций в золоотвале 106
5.1 Формирование требований к устройствам для укладки плёночных экранов, завес и диафрагм 109
5.2 Характеристики и принцип действия модифицированных укладчиков плёночных завес и диафрагм 109
5.2.1 Устройства для образования многоярусной пленочной диафрагмы в водоподпорных сооружениях 109
5.2.2 Устройства для укладки плёночного экрана (завесы) 110
5.3 Экономическое обоснование устройства для укладки плёночного экрана (завесы) 115
5.4 Выводы по разделу 116
Научные выводы и рекомендации 117
Список использованных источников
- Противофильтрационные мероприятия в специальных гидротехнических сооружениях
- Основной эксперимент по изучению свойств самоуплотняющихся стыков пленочных завес
- Применение теории подобия к физическому эксперименту
- Выявление более эффективной математической модели температурного режима дренированного золоотвала типа 1-А
Введение к работе
Золошлакохранилища (ЗШХ) или золоотвалы в технологической цепи энергетических комплексов и систем являются важным звеном, обеспечивающим складирование огромного количества токсичных отходов в виде золы и шлака. Ежегодно в России образуется свыше 100 млн т золошлаковых отходов (ЗШО), которые накапливаются в отвалах. Из них около 1 млн 200 тыс. т производится в Красноярском крае. Общая площадь земли занятой под отвалы в странах СНГ превышает 35 тыс га, на которых размещено 1,5 млрд т. золошлаковых материалов (ЗШМ). Золоотвалы являются источником загрязнения среды обитания человека: увеличивают запыленность воздуха, их токсичное содержимое может попасть в грунтовые воды, водоемы и почву. В промышленно развитых странах используют почти 100 % ЗШО. В России огромные ресурсы зол и шлаков тепловых электрических станций (ТЭС) используются менее чем на 10 %.
Для многих энергетических объектов нашей страны, в том числе г. Красноярска остаются злободневными вопросы природоохранного характера. Большинство из них не соответствует современным требованиям по охране окружающей среды. Многие накопители отходов, в том числе золоотвалы находятся в предаварийном состоянии из-за переполнения, деформации дамб, неудовлетворительной работы противофильтрационных сооружений, осложнений, связанных с гидроледотермическими процессами и пр. [1,2,3,4].
В соответствии с тенденциями топливно-энергетической политики нашей страны использование твёрдого топлива к 2020 году увеличится на 21-54 %, что делает еще более актуальной задачу предупреждения утечки токсичного фильтрата за пределы золоотвалов [1, 5].
В настоящее время ЗШХ с противофильтрационными элементами в ограждающих дамбах, выполненных из грунтовых материалов, бетона или асфальтобетона, в лучшем случае располагают на естественных водоупорах в виде глинистых грунтов. Необходимо отметить, что противофильтрационные элементы и естественные водоупоры, обладают относительно низкой, но конечной по величине проницаемостью. В силу абсолютной водонепроницаемости полимерных материалов отмечена целесообразность повсеместного их внедрения при экранировании промнакопителей, в том числе золоотвалов [6]. Однако недостатки, установленные при создании пленочных экранов на ряде объектов, препятствуют широкому их использованию. Во-первых, до сих пор укладка плёночных экранов и завес достаточно трудоёмка и выполняется ручным способом при раскатывании рулонов плёнки на экранируемой поверхности; склеивании, сваривании стыков отдельных полотнищ в единый экран. Во-вторых, возникают затруднения, связанные с климатическими условиями, такими как, ветра, атмосферные осадки, а в северной строительной климатической зоне -многократное сезонное промерзание-оттаивание дамб и надводных участков плёночных экранов, которое сопровождается ежегодным образованием морозобойных трещин, пучением и другими криогенными явлениями, разрушающими целостность экранов и негативно влияющими на работу дренажа в дренированных золоотвалах [7, 8]. В-третьих, плёнки подвержены различным повреждениям: механизмами при укладке экранов, грунтом при статической работе сооружения, корнями растений вследствие зарастания мелководных придамбовых зон [9,10]. И, наконец, используемая в настоящее время технология укладки плёночных завес "внахлёст" способствует их разуплотнению с течением времени под действием сил гидростатического давления и естественных осадок грунта [11].
С целью учёта недостатков, связанных с влиянием отрицательных температур, при проектировании золоотвалов осуществляют расчёт термо-влажностного режима, позволяющий обеспечить бесперебойную работу дренажа, определить глубину создания и конфигурацию противофильтрационных устройств. Основные трудности в процессе расчёта вызывает математическая постановка и решение задачи теплообмена при фазовых превращениях - задача Стефана. Точность прогноза температурно-влажностного режима золоотвала с плёночным экраном зависит от того, насколько адекватна математическая модель реальным процессам. В настоящее время в основе математического описания промерзания-оттаивания различных объектов лежит применение граничных условий четвертого рода с учётом фазовых превращений влаги. Такой подход представляется недостаточно объективным. Следовательно, требуется модифицировать математическую постановку задачи.
Другой недостаток создания плёночных экранов - нарушение их целостности, - можно устранить, усовершенствовав технологию соединения плёночных полотнищ в единую конструкцию, поскольку в местах соединения преимущественно и происходят разрывы, деформации как на стадии строительства ЗШХ, так и в процессе его эксплуатации. Перспективным направлением здесь можно назвать соединение полотнищ относительно новым способом «встык» с применением механизированных устройств и получение гипотетически непроницаемых "Л"-образных (читается «Т-образных») стыков плёночных экранов [12].
Из вышесказанного вытекает народно-хозяйственная проблема повышения эффективности складирования и утилизации золошлаковых материалов (ЗШМ) гидротехнических сооружений ТЭС, решение которой позволит обеспечить устойчивое функционирование данных объектов энергетики и снижение вредного влияния на окружающую среду.
На пути преодоления сформулированной выше проблемы необходимо решить следующие задачи: создание непроницаемых противофильтрационных плёночных конструкций золошлакохранилищ ТЭС; создание адекватной математической модели для определения термо-влажностного режима дренированных золоотвалов ТЭС, разработка устройств для механизации работ по укладке таких конструкций.
Объектами исследования в данной работе выступают: дренированный золоотвал с плёночным противофильтрационным экраном в основании; стыки отдельных полотнищ противофильтрационного экрана; укладчики плёночных экранов и завес; система дифференциальных уравнений и краевых условий, описывающая теплообменные процессы с фазовыми превращениями влаги в грунтах и ЗШМ.
Предметами исследования являются: фильтрационные свойства стыков плёночных экранов; адекватность математической модели реальным процессам, возникающим в системе «основание-дренаж-ЗШМ»; геометрическое, временное и физическое подобие, а также методика проведения эксперимента и обработка его результатов; конструкционные особенности и функционирование укладчиков плёночных экранов.
Целью работы является разработка способов и устройств для повышения эффективности проектирования, строительства и эксплуатации золошлаковых хранилищ тепловых электростанций с эффективными непроницаемыми протавофильтрационными плёночными конструкциями на основе совершенствования методики исследований термо-влажностного режима золоотвалов.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
• анализ опыта проектирования и эксплуатации ЗШХ с использованием в качестве противофильтрационных элементов плёночных конструкций, а также обобщение результатов термо-влажностных расчётов ЗШХ;
• экспериментальное исследование степени водонепроницаемости и установление оптимальных с точки зрения снижения фильтрации параметров "__"-образных стыков плёночных экранов;
• экспериментальное исследование температурного режима дренированного золоотвала с целью выявления на его основе наиболее эффективной математической модели процесса промерзания-оттаивания;
• численное исследование термо-влажностного режима дренированного золоотвала с помощью модифицированной математической модели;
• совершенствование устройств для механизированной укладки плёночных конструкций.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
1. Установлены основные факторы, влияющие на проницаемость "X"-образных стыков плёночных экранов и предложены рекомендации для выбора их конструктивных характеристик, обеспечивающих снижение фильтрации в золоотвалах ТЭС.
2. Экспериментально обоснована правомерность использования уравнений сопряжения в многослойных задачах теплообмена. Модифицирована математическая модель процесса промерзания-оттаивания дренированного золоотвала, что позволило повысить точность расчётов термо-влажностных режимов ЗШХ.
3. Выполнено численное исследование термо-влажностного режима золоотвала с дренированным основанием и плёночным экраном в условиях Центральной Сибири. Установлена необходимость учёта постоянного присутствия мёрзлого слоя золошлакового материала при многолетних циклах промерзания-оттаивания, который будет влиять на температурный режим золоотвала в целом.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
• Обоснована целесообразность сооружения противофильтрационных плёночных экранов с "Х"-образными стыками, обладающими хорошими эксплуатационными характеристиками, главным образом - низким коэффициентом фильтрации, что позволяет снизить вредное воздействие энергетических объектов на окружающую среду.
• Создано специализированное алгоритмическое и программное обеспечение, реализующее методику расчёта промерзания-оттаивания дренированных золоотвалов, которое рекомендуется использовать при проектировании золошлакохранилищ энергетических объектов.
• Разработаны на уровне изобретений устройства для механизированной укладки плёночных экранов, завес и диафрагм с учётом результатов исследования фильтрационных свойств стыков плёночных экранов, что позволяет повысить технологичность строительства и надёжность эксплуатации золоотвалов с плёночными конструкциями. Положения, выносимые на защиту:
1. Параметры и эксплуатационные характеристики "_1_"-образных стыков плёночных экранов.
2. Математическая модель многослойной, многофронтовой задачи Стефана с использованием уравнений сопряжения.
3. Алгоритм одномерной задачи промерзания-оттаивания дренированных золоотвалов, и вычислительная программа, разработанная на основе предложенной модели.
4. Результаты экспериментального обоснования правомерности использования уравнений сопряжения в многослойных задачах теплообмена.
5. Результаты численного исследования температурно-влажностного режима дренированного золоотвала в условиях Центральной Сибири.
6. Технические решения, направленные на повышение надёжности эксплуатации плёночных экранов и завес, также эффективности и экономичности процесса их укладки при строительстве ЗШХ пылеугольных ТЭС.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных методов тепломассопереноса, сопоставлением результатов физического и математического моделирования и подтверждается удовлетворительной сходимостью полученных результатов с данными других авторов.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке задачи, разработке методик и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов, формулировании основных выводов по результатам выполненных по теме диссертации работ.
Апробация результатов проводилась на III Всероссийской научно- практической конференции «Повышение эффективности топливно- энергетического комплекса» (г. Красноярск, 2002 г.); на конференции «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (г. Красноярск, 2004 г.); на VI российской научно- практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (г. Красноярск, 2005 г.); на Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и наука: начало XXI в» (г. Красноярск, 2006 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из которых: 1 - статья в издании по списку ВАК, 2 - патенты на изобретения.
Общая характеристика диссертации. Общий объём - 155 с. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы из 128 источников, включая работы автора, содержит 33 иллюстрации, 10 таблиц, 4 приложения на 24 с.
Противофильтрационные мероприятия в специальных гидротехнических сооружениях
Известно, что одним из основных поставщиков загрязнений в окружающую среду являются энергетические системы и комплексы. Золоотвалы тепловых электрических станций увеличивают запыленность воздуха, поставляют в грунтовые воды, водоемы и почву токсичные компоненты. Многие золоотвалы достигли критического уровня заполнения и не отвечают современным требованиям природоохранного характера из-за деформации дамб, неудовлетворительной работы противофильтрационных сооружений, осложнений, связанных с гидроледотермическими процессами и пр. [1,2,3,4].
В связи с ужесточением экологических требований к промышленным объектам и, в частности, к ответственным гидротехническим сооружениям существует народно-хозяйственная проблема повышения эффективности складирования и утилизации золошлаковых материалов гидротехнических сооружений ТЭС, решение которой позволит обеспечить устойчивое функционирование данных объектов и уменьшение вредного воздействия на окружающую среду.
Вечно мёрзлые грунты распространены на территории северных и северно-восточных районов, площадь которых составляет более 65 % всей территории России. В этих районах эксплуатируются тепловые электростанции на твёрдом топливе: Воркутинские ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, Усть-Илимская ТЭЦ, Интинская ТЭЦ, Аркагалинская ГРЭС, Анадырская ТЭЦ, Магаданская ТЭЦ, и др [13].
При проектировании хранилищ ТЭС в районах с низкими температурами воздуха необходимо учитывать специфические моменты:
1) суровые природно-климатические условий с отрицательными среднегодовыми температурами воздуха, длительной суровой зимой, существенными скоростями ветра, большим количеством осадков;
2) отличие физико-механических и теплофизических свойств мёрзлых грунтов от талых и способность мёрзлых грунтов изменять их в зависимости от величин отрицательных температур и резко при оттаивании грунтов;
3) развитие криогенного пучения, наледеобразования, солифлюкции, морозобойного трещинообразования, термокарста и др криогеодинамических процессов по всему объёму сооружений.
Основным условием надёжной эксплуатации золошлакохранилища или золоотвала является обоснованный прогноз его температурного режима [3, 14]. Особого внимания требуют хранилища с применением плёночных противофильтрационных конструкций в условиях Центральной Сибири в связи с тем, что перечисленные специфические моменты, в частности изменение гидрологических условий могут приводить к повышению противодавления на плёночный экран [15,16].
На стадии проектирования названных гидротехнических сооружений необходимо выполнение комплекса теплотехнических расчётов по прогнозу температурного режима тела этого сооружения и его основания. Прогноз температурного режима тела включает в себя решение внешней (по отношению к телу сооружения) и внутренней задач. Внешняя задача предполагает прогноз температурного режима системы гидрозолоудаления (ГЗУ) по всей технологической цепочке: ТЭС - напорный трубопровод -надводный пляж намыва - отстойный пруд. К внутренней задаче относится прогноз температурного режима тела ЗШХ и его основания, формирующийся под влиянием теплообмена с внешней средой и температурного режима системы ГЗУ, главным образом, отстойного пруда.
В результате проведения комплекса теплотехнических расчётов определяется тип ЗШХ, прослеживается граница промерзания-оттаивания в профиле сооружения и его основании, оценивается устойчивость наружных откосов и вероятность осадок ложа золохранилища и его боковых зон. При проектировании намывных ЗШХ на территориях с низкими температурами воздуха специального обоснования требуют способы ведения строительных работ, правила эксплуатации ЗШХ, а также природоохранные мероприятия, направленные на минимизацию нарушения окружающей природной среды [17].
В настоящее время существует достаточное методическое обеспечение инженерных расчётов температурно-фильтрационного режима гидротехнических сооружений в условиях вечной мерзлоты. Разработан и создан ряд прикладных программ по расчёту температурно-влажностного режима на языках Паскаль, Фортран [12, 18]. Однако большинство из них относится к грунтовым плотинам. Дренированные золоотвалы начали исследоваться относительно недавно.
При расчёте термо-влажностного режима решается задача со свободной границей - задача Стефана. Традиционная математическая постановка задачи включает уравнения теплопроводности и граничные условия четвёртого рода на свободной границе, что является не адекватным физическим процессам в соответствии с приведёнными далее выкладками. Как следствие возникает неточность в получаемых результатах. Указанный недостаток предполагается устранить модифицированием постановки задачи.
В работе рассмотрен дренированный золоотвал с плёночным экраном в основании и "1_"-образными стыками, образованными краями соседних полотнищ плёнки при укладке. Также предлагаются укладчики плёночных экранов, диафрагм и завес, при использовании которых создаются данные стыки.
Изначально предполагается, что "„[."-образные стыки являются абсолютно непроницаемыми, основываясь на опыте их эксплуатации, упомянутом ниже и физических процессах, описанных в экспериментальной части.
Для подтверждения подобного предположения был поставлен физический эксперимент и проведено исследование фильтрационных характеристик стыков плёночных экранов на специально созданной установке.
Основной эксперимент по изучению свойств самоуплотняющихся стыков пленочных завес
В первом разделе отмечалось, что "_1_"-образные стыки пленочных экранов обладают свойством самоуплотняться и становиться герметичными, что дает возможность укладки таких экранов без сваривания или склеивания стыков [37]. Предположение о самоуплотнении "JL -образных стыков было основано на том, что при раскрытии стыка и формировании внутри него фильтрационного потока давление из-за превращения потенциальной энергии в кинетическую становится меньше внешнего давления и под действием образовавшейся разности давлений стык смыкается, обеспечивая тем самым герметичность пленочного экрана в целом.
Выдвинутое предположение о самоуплотнении "Х"-образных стыков нуждается в подтверждении, поскольку до сих пор не было примеров практического применения экранов с подобными стыками, а в действующих нормативных документах рекомендовано сваривание или склеивание их. Кроме того, в связи с трудностями, возникающими при ручной укладке Т-образных стыков с вертикально ориентированными отгибами, авторы работы [37] проводили испытания с отгибами, уложенными горизонтально. Нами был разработан способ механизированной укладки пленочного экрана (см. раздел 5), позволяющий создавать "Х"-образные стыки различной конфигурации. В частности, в настоящем разделе приведены испытания стыков с прямыми отгибами и отгибами Г-образного профиля.
Предварительные испытания «самоуплотняющихся» стыков на герметичность без их склеивания или сваривания показали обнадёживающие результаты. Эксперимент проводился в бочке со щелью в днище, в который устанавливался фрагмент стыка пленочного экрана. Стык послойно засыпали грунтом с полным насыщением его пор водой. Опыт длился 24 часа для выяснения вопроса о герметичности стыка. При появлении фильтрата опыт прекращался, и установку готовили к следующему опыту с наращиванием высоты отгиба. Если в течение 24 часов фильтрация не происходила, то проводился опыт с уменьшением высоты отгиба для определения ее оптимальной величины, при которой возможна укладка плёночного экрана с са моуплотняющимися стыками.
Для проведения эксперимента согласно условиям поставленной задачи в качестве материала пригрузочного слоя использовались окатанный гравий и речной песок с частицами разной крупности. Гравий был представлен частицами эквивалентным диаметром d3=6 мм. За основной грунт был принят песок среднезернистый с эквивалентным диаметром d3=0,3 мм в соответствии с требованиями, предъявляемыми к защитному слою плёночных экранов [21, 22]. Содержание частиц песка разной крупности в пробе массой 1 кг определено по ГОСТ 12536-79 и представлено в таблице 2.1.
Коэффициент трения песка по полимерному материалу на сухо - от 0,27 до 0,45, воде - от 0,25 до 0,4. Для полимерного покрытия применялась полиэтиленовая пленка низкой плотности из пластифицированного ПВХ толщиной 0,2 мм (ГОСТ 10354-82). Свойства материала приведены ниже:
Результаты эксперимента сведены в таблице АЛ ПРИЛОЖЕНИЯ А. Согласно результатам эксперимента минимальная высота отгиба стыка, при которой обеспечивалась его герметичность, составила в случае использования в качестве пригрузочной засыпки речного песка 250-300 мм, а в случае гравия фильтрация прекратилась лишь при высоте засыпки равной 370-400 мм. При большой высоте отгибов предлагаемый метод укладки пленочного экрана становится неэффективным из-за чрезмерного расхода пленки. В отсутствии мелкозернистого песчаного грунта можно применить склеивание стыков [116].
Предварительные опыты проводились лишь для качественной оценки свойств ".[."-образных стыков. Для получения более надёжных результатов было решено провести повторную серию экспериментов на усовершенствованной фильтрационно-силовой установке, расширив диапазон исследуемых параметров.
Более подробное изучение работы "__"-образных стыков с прямыми отгибами и отгибами Г-образного профиля осуществлялось на специально изготовленной усовершенствованной силовой фильтрационной установке, позволяющей выдерживать большие нагрузки от грунтового и гидростатического давлений без видимых деформаций стенок и днища корпуса.
Применение теории подобия к физическому эксперименту
Рассматривается золоотвал типа 1-А (рисунок 3.1) с дренированным основанием и пленочным экраном по всей площади.
Плёночный экран располагается в основании ЗШХ под дренажными трубами таким образом, чтобы часть профильтровавшейся жидкости собиралась в трубах, уложенных с уклоном, и отводилась насосами в оборотную систему водоснабжения, а оставшийся фильтрат, не попавший в трубы, находился над экраном. Конкретное место положения дренажа и плёночного экрана определяется максимальной глубиной промерзания намытого шлака в золоотвале с тем, чтобы дренаж и экран не были подвержены промерзанию и воздействию линз льда и других криогенных явлений.
Золоотвал условно разделен на три зоны: 1-я зона естественного грунта (основание); И-я зона водонасыщенного дренажа, представленного песчаным грунтом, в котором расположены дренажные трубы; Ш-я зона намытого шлакового материала. В физической постановке (и далее математической) задачи теплообмена в виду малого термического сопротивления пленочный экран, выполненный из пленки толщиной не более 1...2 мм, как элемент системы не рассматривается.
Промерзание происходит с гребня и откосов золоотвала при низкой температуре наружного воздуха в зимний период tH / , где tH, ґ соответственно температура наружного воздуха и температура фазового превращения воды (рисунок 3.1).
Расчетная схема дренированного золоотвала типа 1-А с пленочным экраном: I - первая зона (грунт основания); II - вторая зона (песчаный дренаж); III -третья зона (шлак); 1 - дренажные трубы; 2 - плёночный экран; 3 -первичная дамба обвалования; 4 - фронт промерзания-оттаивания; 5-профиль золоотвала в начальной стадии; 6 - профиль золоотвала в стадии, когда толщина золоотвала становится соизмеримой с его горизонтальными размерами.
После возобновления летнего намыва отепляющее воздействие фильтрующей воды практически не сказывается на температурном режиме золоотвала в целом. Это объясняется высокой проницаемостью шлака: водная часть пульпы протекает через толщу ранее намытого шлака узким фронтом, не растекаясь в стороны от места падения струи пульпы на пляж [119]. То есть будет наблюдаться очаговое отепляющее воздействие, при этом температурный режим основной массы ЗШХ будет по-прежнему формироваться под воздействием температуры наружного воздуха, а не под воздействием фильтрующей воды, как это имеет место в золоотвалах типов II и III.
Принятые в задаче допущения: 1) влажность в намытом шлаке равномерно распределена по высоте третьей зоны; 2) теплофизические и физико-механические свойства грунтов и шлака в пределах соответствующих зон изотропны; 3) отепляющее воздействие фильтрующей воды после возобновления летнего намыва на температурный режим золоотвала не учитывается; 4) фазовые процессы в массиве золоотвала осуществляются при постоянной температуре равной -0,5С. В задачи эксперимента входило: 1) определение фронта промерзания в золошлаковом материале с получением данных о температурном поле; 2) прослеживание динамики изменения температур золоотвала в цикле промерзания-оттаивания.
Конечной целью выступало сопоставление результатов физического и численного экспериментов для выявления наиболее эффективной математической модели задачи теплообмена. Численный эксперимент и сопоставление полученных результатов представлены в следующем разделе.
Перейдём от исходного уравнения теплопроводности к обобщенному виду, для чего введём следующие безразмерные величины: где у, Y - соответственно реальные и безразмерные пространственные координаты, С - объёмная аддитивная теплоёмкость, кДж/м -гр, X -аддитивная теплопроводность, Вт/м- гр, а - коэффициент температуропроводности, м/с, Т - температура элементов объекта, гр. Индекс / символизирует принадлежность к определённому элементу исследуемого объекта. Индекс «м» указывает на принадлежность свойства модели объекта. Таким образом, в левой части уравнений стоят свойства модели объекта, а в правой свойства самого объекта.
Выявление более эффективной математической модели температурного режима дренированного золоотвала типа 1-А
Экономическое обоснование может быть выполнено на основе сопоставления сметы расходов на выполнение изоляционных работ в энергетическом строительстве, в частности устройство противофильтрационных экранов в золошлакохранилищах традиционным методом и с использованием новых технологий - предложенного укладчика плёночных завес.
Известно, что гидроизоляционные работы включают основные этапы: подготовку основания путём удаления крупных включений, разравнивание грунта основания, укладку дренажного слоя или защитного в зависимости от типа ЗШХ с помощью бульдозеров или грейдеров, укладку плёночного экрана, соединение краёв соседних полотнищ в единую конструкцию, устройство защитного слоя. До момента укладки плёночного экрана состав работ является общим, как при традиционном способе гидроизоляции, так и при использовании укладчика. Ключевым, таким образом, является само экранирование объекта. Однако для более полного представления о стоимости противофильтрационных мероприятий смета была составлена на все работы, исключая доставку материалов.
Условно принят золоотвал с общей площадью ложа 150000 м2 Смета составлена ресурсным методом в текущих ценах по состоянию на I кв. 2006 г. в соответствии с [126-128] с использованием программы «Гранд-Смета» (ПРИЛОЖЕНИЕ Г).
Общая сметная стоимость работ составила: для традиционного метода - 133589431 руб; для применения УПЗ - 16860948 руб.
В смете не учтены стоимость расходных материалов -гидротехническая плёнка, клей, бензин, а также грунты для устройства подстилающего и защитного слоев. Так как плёнка является общим для обоих способов экранирования элементом и стоимость её относительно невысока, при сравнительных расчётах данную позицию можно исключить. Не рассматривается в данном случае и гравийно-песчаная смесь. С учетом применения клея и бензина в укладчиках общие затраты на экранирование возрастут ориентировочно на 200000 руб. и составят 17060948 руб. Стоимость экранирования одного м без учёта плёнки, таким образом, при ручной укладке - 900 руб, при механизированной - 115 руб.
В итоге общие затраты при использовании укладчиков плёночных завес на порядок ниже, чем в случае традиционной ручной укладки, а общий экономический эффект от применения новых технологий в экранировании золоотвала ТЭС ожидается около 116 млн руб за счёт сокращения затрат труда рабочих и экономии рабочего времени.
1) Предложенные устройства решают задачу механизации экранирования золоотвалов и других гидротехнических сооружений, причём с существенным экономическим эффектом. Кроме того, они позволяют создать непроницаемые для фильтрационного потока стыки и малодеформируемые экраны, снимая, таким образом, проблему загрязнения биосферы в данной плоскости.
2) Учёт при конструировании и эксплуатации укладчиков фильтрационных характеристик стыков и сопутствующих материалов, а также условий работы гидросооружения, полученных во второй главе, позволяет достичь высокой эффективности создаваемых противофильтрационных конструкций и экономии материалов.
В соответствии с проведением Россией топливно-энергетической политики, нацеленной на интенсивное использование твёрдого топлива на тепловых энергетических станциях, в ближайшие 10 лет продолжится образование огромного количества золошлаковых отходов, накапливаемых в золошлакохранилищах (золоотвалах). На текущий момент большинство золоотвалов не соответствует современным требованиям по охране окружающей среды из-за переполнения, деформации дамб, неудовлетворительной работы противофильтрационных сооружений, осложнений, связанных с гидроледотермическими процессами и пр. Для повышения эксплуатационной надёжности ЗШХ в условиях низких температур воздуха (Центральная Сибирь, Якутия и др. северные районы) необходимо проводить прогноз температурно-влажностного режима сооружения
Основные трудности в процессе расчёта термо-влажностного режима вызывает математическая постановка и решение задачи теплообмена при фазовых превращениях - задача Стефана. Данная проблема обусловлена выбором уравнений, описывающих фазовые превращения недостаточно адекватно реальности - с применением граничных условий четвёртого рода. Следовательно, существует потребность в новом подходе к математической постановке задачи.
Повышение эффективности противофильтрационных мероприятий на золоотвалах с учётом экономической целесообразности достигается применением плёночных экранов, завес и диафрагм, а также механизацией работ по их сооружению. Основной недостаток создания плёночных экранов - нарушение их целостности, - можно устранить, усовершенствовав технологию соединения плёночных полотнищ в единую конструкцию, поскольку в местах соединения преимущественно и происходят разрывы как на стадии строительства ЗШХ, так и в процессе его эксплуатации. Перспективным направлением здесь можно назвать соединение полотнищ относительно новым способом «встык» и получение практически непроницаемых "_1_"-образных (читается «Т-образных») стыков плёночных экранов. Частичной механизации труда при экранировании специальных гидротехнических сооружений предусмотрено добиться применением устройств для укладки плёночных экранов, завес и диафрагм, при использовании которых образуются "JL -образные стыки.