Тирольские водозаборы более ста лет остаются стандартным решением для горной гидроэнергетики. Они дёшевы в строительстве, механически просты и работают: до того дня, когда они откажут.
Этот день наступает во время паводка. Плоская сороудерживающая решётка тирольского водозабора лежит горизонтально поперёк наклонного водослива, а шаг стержней достаточно велик, чтобы пропускать мелкий мусор и наносы. Когда паводок несёт брёвна, ветки, гравий или длительный вынос наносов, решётка забивается за считаные минуты. Выработка электроэнергии падает до нуля. Оператору приходится спускаться с ручным инструментом и чистить решётку: иногда прямо во время паводка, иногда ещё несколько дней после него. Многие операторы малых ГЭС (МГЭС) рассказывают нам одно и то же: на засорениях они теряли больше годовой выработки, чем на любой другой эксплуатационной проблеме.
Именно поэтому модернизация тирольских водозаборов с переходом на водозаборные решётки Coanda стала одним из самых распространённых типов проектов ADENCO. Решётки Coanda самоочищаются во время тех же паводков, которые выводят из строя тирольские водозаборы. В них применяются более крутые углы наклона решётки (до 50° против типичных 17° у тирольского водозабора) и меньшая ширина щели: вода сдвиговым течением проходит через решётку, а мусор под собственным весом сползает по поверхности решётки и сходит с её нижней кромки (кромки сброса).
В этом руководстве разбирается решение о модернизации: когда она является правильным выбором, какие строительные (бетонные) работы требуются, три типа модернизации, которые мы выполняли, и типичные ошибки, превращающие простую модернизацию в дорогой урок.
Почему операторы модернизируют тирольские водозаборы
Экономическое обоснование модернизации почти всегда сводится к одному и тому же расчёту, только с разными цифрами.
ГЭС с тирольским водозабором в Черноморском регионе вела учёт потерь выработки в течение трёх лет. Засорения во время паводков давали в среднем 11 дней нулевой выработки в год плюс ещё 19 дней сниженной выработки, пока оператор устранял частичные завалы. Для станции мощностью 4 МВт с коэффициентом использования установленной мощности 40 % и тарифом около 0,075 € за кВт·ч эти 30 дней потерянной и сниженной выработки означали примерно 25 000 € упущенной выручки в год, без учёта затрат на ручную очистку и износа самой сороудерживающей решётки от того, что операторы проталкивают инструмент между стержнями, чтобы отбить мусор.
Это частый тип потерь с небольшим ущербом. Есть и другой, редкий, но тяжёлый: одиночный крупный паводок, физически деформирующий сороудерживающую решётку. Ствол дерева, застрявший между стержнями при расчётной скорости потока, способен необратимо изогнуть стержни. Замена решётки обходится в €30 000-80 000 в зависимости от конструкции. В плохой год совпадают оба типа.
При модернизации с установкой решётки Coanda эти постоянные расходы заменяются единовременными капитальными затратами. Сама решётка для модернизации составляет лишь долю капитальных затрат ГЭС (CAPEX). Объём бетонных работ зависит от типа модернизации (подробнее об этом ниже). А после монтажа решётка работает до 25 лет при эксплуатации в чистой воде (от 15 до 20 лет на реках, подверженных паводкам и несущих много наносов) вместе с исходной бетонной конструкцией.
Операторы, откладывающие модернизацию, обычно делают это потому, что не знают: решётка Coanda применима и к их существующей геометрии водослива. Хорошая новость в том, что большинство существующих тирольских водосливов пригодны для модернизации, иногда вообще без изменения бетона.
Когда модернизация является правильным выбором
Пять условий, в порядке значимости:
1. Засорение является вашей главной эксплуатационной проблемой. Если вы теряете больше выработки электроэнергии из-за засорения, чем по любой другой причине (остановки, маловодные сезоны, проблемы сети), модернизация окупается быстро. Если засорение является незначительным неудобством по сравнению с другим узким местом, сначала устраните его.
2. На объекте имеется не менее 0,45 м напора (высоты перепада) ниже гребня водослива. Водозаборным решёткам Coanda этот перепад необходим для поддержания сверхкритического течения (число Фруда > 1) по решётке для самоочистки. Большинство тирольских водозаборов имеют 1-2 м располагаемого напора, поэтому ответ обычно положительный. Если у вас ситуация с предельно малым напором, проверка инженером ADENCO покажет, подойдёт ли геометрия.
3. Ширина вашего водослива составляет не менее 150 мм. Это наименьший стандартный блок Coanda (ADENCO-45-0.15), и при меньшей ширине мы не рекомендуем устанавливать решётку. Более широкие водосливы не создают проблемы: сборки из нескольких блоков справляются с любым большим расходом.
4. Бетонное водозаборное сооружение находится в исправном состоянии. Модернизация с установкой решётки Coanda не исправляет разрушающийся бетон. Если ваш водослив имеет трещины, подмыв или серьёзную эрозию, сначала выполните ремонт или заложите перестройку в бюджет проекта модернизации.
5. ГЭС имеет смысл сохранять в эксплуатации ещё как минимум 10 лет. Затраты на модернизацию амортизируются за счёт будущей выработки электроэнергии. Станция на исходе срока концессии без перспективы её продления представляет собой другое решение.
Если выполняются все пять условий, решение о модернизации очевидно. Если выполняются три или четыре, обсудите это с инженером. Если два или менее, модернизация, вероятно, не является для вас наиболее результативным шагом.
Что остаётся, а что меняется
Приятная неожиданность большинства проектов перехода с тирольского водозабора на Coanda в том, как много существующей инфраструктуры остаётся на месте.
Остаётся на месте (при большинстве модернизаций):
- Бетонная конструкция водослива (сам порог).
- Водосборная камера ниже решётки.
- Байпасный водосброс, при наличии.
- Подключение напорного водовода (вход).
- Оголовная стенка и геометрия подхода, в большинстве случаев.
Изменяется (всегда):
- Сама панель решётки. Тирольская сороудерживающая решётка демонтируется и заменяется водозаборной решёткой Coanda из клиновидной проволоки.
- Часто опорная рама решётки, рассчитанная под новую геометрию решётки.
Может потребовать изменения (зависит от объекта):
- Поперечное сечение гребня водослива, если тирольский водозабор был устроен для подачи докритического потока подхода, а водозаборной решётке Coanda требуется сверхкритическое течение.
- Угол опоры решётки, если тирольский водозабор был выполнен под 15-20°, а конструкция водозаборной решётки Coanda требует более крутого угла (40-50°).
- Высота оголовной стенки, если необходимо поднять уровень воды выше по течению для обеспечения нужной геометрии подхода.
Объём бетонных работ определяет тип модернизации. Три типа охватывают большинство объектов.
Три типа модернизации
Тип 1: прямая замена панели
Самая дешёвая модернизация. Новая панель водозаборной решётки Coanda устанавливается в существующую опору решётки, закрепляясь болтами там, где находилась старая сороудерживающая решётка. Без изменения бетона. Изготовление занимает 2-4 недели для стандартных заказов (до 6 недель для многоблочных массивов и до 8 недель для массивов более чем из десяти блоков); монтаж занимает 1-2 дня; ввод в эксплуатацию выполняется в тот же день.
Когда это подходит: существующая геометрия водослива уже обеспечивает поток подхода в пределах проектных ограничений для водозаборной решётки Coanda (напор ≥ 0,45 м, сметающая скорость 1,8-3,7 м/с при расчётном расходе), а существующая опора решётки по размерам совместима с панелью Coanda.
Реальный пример: модернизация TISKI в Трабзоне для TISKI (управление водоснабжения и канализации Трабзона): 64 водозаборные решётки Coanda поставлены в два этапа взамен существующих плит тирольского водозабора на изношенных муниципальных водозаборных сооружениях. Перестройка водослива не потребовалась.
Тип 2: частичная переделка водослива
Промежуточный тип. Панель решётки заменяется, И при этом изменяется форма гребня водослива или угол опоры решётки. Бетонные работы ограничиваются несколькими кубическими метрами: изменение поперечного сечения гребня водослива либо новая опора решётки, установленная под более крутым углом и закреплённая болтами на существующем водосливе.
Когда это подходит: существующий водослив конструктивно исправен, но геометрически не соответствует требованиям: как правило, тирольский водозабор под 15-20°, который должен стать водозаборной решёткой Coanda под 40-50° для надлежащего сдвига потока. Существующее сооружение служит основанием; переделка обеспечивает геометрию.
Реальный пример: модернизация ГЭС Seydioğlu в Трабзоне: исходный тирольский водозабор под 17° заменён водозаборной решёткой Coanda под 50°, что потребовало полной переработки поперечного сечения водослива. Исходное бетонное основание сохранено; несущая решётку часть перестроена в правильной геометрии.
Тип 3: полная перестройка водозабора
Самый тяжёлый тип. Конструкция водозаборной решётки Coanda диктует новый водослив, новую оголовную стенку, всё новое. Объём бетонных работ составляет порядка десятков кубических метров бетона плюс арматура.
Когда это подходит: существующий водозабор находится в плохом конструктивном состоянии ЛИБО существующая геометрия настолько далека от совместимости с водозаборной решёткой Coanda, что частичная переделка обходится дороже, чем перестройка с нуля.
Этот тип встречается реже первых двух. Большинство модернизаций тирольских водозаборов относятся к типу 1 или 2.
Разбор проекта модернизации ADENCO: TISKI, Трабзон
Проект TISKI в Трабзоне является полезным примером проекта, поскольку показывает, как выглядит чистая модернизация типа 1 от начала до конца.
Объект: изношенные муниципальные водозаборы исходной воды в сети TISKI. Несколько точек водозабора в региональной системе. Исходные сороудерживающие решётки представляли собой плиты тирольского типа со слишком большим шагом стержней для тонкой фильтрации и слишком пологим углом для самоочистки.
Эксплуатационная проблема: постоянное засорение при обильном поступлении плавающего мусора. Ручная очистка была стандартной эксплуатационной процедурой. TISKI еженедельно тратило рабочие часы операторов на очистку по всей сети.
Решение о модернизации: прямая замена панели в каждой точке водозабора. Существующие бетонные водосливы и опорные конструкции были исправны. Требовалось заменить только панели решёток.
Инженерная проработка: ADENCO обследовала каждую точку водозабора, измерила и зафиксировала существующую геометрию и разработала водозаборные решётки Coanda, соответствующие существующим монтажным размерам. Там, где размеры различались между водозаборами, решётки изготавливались по индивидуальным размерам, а не подгонялись под единую конструкцию для всех водозаборов.
Изготовление: Две очереди поставки: этап 1 (22 решётки), затем этап 2 (42 решётки). Всего 64. Все из нержавеющей стали 304.
Монтаж: Бетонные работы не выполнялись. Существующие сороудерживающие решётки были откручены; новые водозаборные решётки Coanda закреплены болтами в тех же опорах. На каждом водозаборном узле общий простой составил менее половины дня.
Результат: Нулевое потребление электроэнергии (решётки пассивные). Самоочищение во всём рабочем диапазоне расхода. Затраты рабочего времени операторов сети, связанные с засорением, снизились до уровня, который TISKI описывает как «незначительный».
Общие инвестиции в проект оказались на порядок ниже, чем перестройка затронутых водозаборных сооружений. Таково сравнение стоимости модернизации на практике.
Типичные ошибки при модернизации
За 12 лет модернизаций Coanda раз за разом повторяются одни и те же пять ошибок. Избегайте их, и проект пройдёт гладко.
Ошибка 1: задание слишком узкой щели. Возникает соблазн выбрать щель уже, чем требует применение, исходя из представления, что «чем уже, тем лучше». Это не так. Более узкие щели быстрее забиваются, увеличивают потери напора и требуют меньшего наклона клиновидной проволоки, что ограничивает сметающую скорость. Выбирайте ширину щели под применение: обычно 1,0 мм для гидроэнергетики с умеренным количеством плавающего мусора, уже только для защиты рыб или удаления мелких частиц. Более широкая щель только в том случае, если у вас много плавающего мусора и не требуется тонкая фильтрация.
Ошибка 2: игнорирование геометрии подхода потока. Водозаборная решётка Coanda работает ровно настолько хорошо, насколько хорош подходящий к ней поток. Если подход турбулентный (неровный гребень водослива, несимметричный подпорный бассейн у водослива, непредусмотренные переливы через водослив), решётка будет засоряться пульсирующе вместо самоочистки. Измеряйте и точно фиксируйте геометрию подхода на этапе проектирования, а не за день до монтажа.
Ошибка 3: отказ от проверки инженером на нетипичных объектах. Большинство модернизаций тирольских водозаборов являются типовыми. Некоторые нет: нетипичные значения напора, нетипичная ширина водослива, нетипичный характер плавающего мусора, очень высокие или очень низкие расчётные расходы, модернизация в сочетании с требованиями по защите рыб. Именно на таких объектах проверка инженером окупает свою стоимость. Наш инструмент подбора автоматически выдаёт предупреждение при таких условиях и направляет их на проверку инженеру ADENCO до начала изготовления.
Ошибка 4: занижение марки материала. Нержавеющая сталь 304 является стандартным выбором для пресноводных горных водотоков; 316L выбирают там, где вода содержит хлориды или испытывает влияние морской воды. Ни та, ни другая не подходит для воды с высоким содержанием хлоридов в тяжёлых условиях (геотермальная, прибрежная эстуарная, тёплая солоноватая). Выбор аустенитной марки для химического состава воды, требующего Duplex 2205 или Super Duplex 2507, превращает решётку, рассчитанную на 25 лет, в решётку, которая прослужит 5. Подтвердите химический состав воды (измеренным анализом, а не предположением) до начала изготовления.
Ошибка 5: нет защитных стержней там, где они нужны. Условия эксплуатации с «большим количеством мусора» и «риском паводков» требуют защитных стержней выше по потоку (стержни из нержавеющей стали, установленные перед клиновидной проволокой и принимающие на себя удары камней и брёвен). При паводковых скоростях потока брёвна и крупный гравий могут повредить панели из клиновидной проволоки. Защитные стержни стоят малую долю от стоимости решётки, которую они защищают. Если на вашем объекте когда-либо отмечался крупный плавающий мусор во время паводков, предусмотрите их.
Чек-лист запроса коммерческого предложения (RFQ) для модернизации тирольского водозабора
Когда вы будете готовы запросить предложение на модернизацию тирольского водозабора, направьте эти данные в инженерный отдел ADENCO. Чем полнее предоставленная вами информация, тем точнее будет предложение, проверенное инженером.
- Существующая геометрия водослива: ширина, поперечное сечение порога, текущий угол сороудерживающей решётки, располагаемый напор (высота перепада) ниже гребня водослива.
- Расчётный расход в л/с или м³/ч. Как максимальный, так и минимальный рабочий расход.
- Данные существующей сороудерживающей решётки: шаг стержней, общая площадь, схема опор.
- Тип водного объекта: река / горный водоток / канал / водохранилище; сезонный режим стока; история ледообразования, если она есть.
- Тип и объём плавающего мусора: что задерживается сейчас (листья / ветки / гравий / ил / смешанный); история паводков.
- Химический состав воды: pH, содержание хлоридов (мг/л), общее солесодержание (TDS), содержание наносов. Лабораторный анализ, если он есть.
- Требования по защите рыб, если они есть. Критерии соответствия местного регулирующего органа.
- Фотографии: существующий водозабор, водослив, детали сороудерживающей решётки, геометрия подхода, сбор воды ниже по потоку.
- График тендера или поставки: желаемая дата ввода в эксплуатацию, структура договора или субподряда.
Вы можете отправить это как RFQ в свободной форме через форму обратной связи либо сначала ввести данные в инструмент подбора, чтобы получить предварительную конфигурацию до официального RFQ. Результат инструмента подбора имеет инженерный уровень и стоит 5 минут; он снимает большую часть переписки в цикле подготовки предложения.
Модернизация тирольского водозабора до решётки Coanda является одним из наиболее результативных капитальных улучшений, доступных ГЭС средней величины в малой гидроэнергетике. Объём бетонных работ обычно невелик. Эксплуатационный выигрыш обычно велик. А сравнение стоимости модернизации оказывается благоприятным почти на каждом объекте, где засорение является основной эксплуатационной проблемой.
Если тирольский водозабор стоит вам выработки, выполните модернизацию. Новая решётка быстро окупает свою стоимость.