Дренированные золоотвалы тепловых электростанций с противофильтрационными плёночными экранами

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 поверхностисклеивании, 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 зонемногократное 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 ТЭСсоздание 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 основаниистыки отдельных полотнищ противофильтрационного экранаукладчики плёночных экранов и завессистема дифференциальных уравнений и краевых условий, описывающая теплообменные процессы с фазовыми превращениями влаги в грунтах и ЗШМ.

Предметами исследования являются: фильтрационные свойства стыков плёночных экрановадекватность математической модели реальным процессам, возникающим в системе «основание-дренаж-ЗШМ" — геометрическое, временное и физическое подобие, а также методика проведения эксперимента и обработка его результатовконструкционные 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 противофильтрационными 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 «]» -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 «1» -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.

НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

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 «Л» -образные стыки.

В данной работе проведено исследование степени водонепроницаемости и установление оптимальных параметров «!» -образных стыков плёночных экрановвыполнено вычислительное моделирование термо-влажностного режима дренированного золоотвала типа I-A с помощью модифицированной математической модели и программы для Центральной Сибирина уровне патентов осуществлена разработка устройств для механизированной укладки плёночных конструкций.

В результате достигнуты поставленные цели и решены все заявленные задачи.

1) Установлены оптимальные с точки зрения наименьшего коэффициента фильтрации и экономии материалов эксплуатационные параметры «1» -образных стыков и грунтов, используемых при создании плёночных экранов золоотвалов ТЭС:

• рекомендуемая высота отгиба — 0,2 мсостав грунта, способствующий наиболее плотному прижатию плёночных отгибов друг к другугравийно-песчаная смесь с диаметром частиц 0,1−20 ммоптимальная конфигурации стыка — прямой, а также закономерности фильтрации через данные стыки:

• увеличение гидростатического напора воды ведёт к снижению фильтрации через стык;

• динамическое уплотнение грунта в процессе укладки экранов и завес также способствует уменьшению фильтрации, то же можно сказать о статическом давлении грунта, создаваемом вышележащими слоями;

• использование различных вяжущих для соединения стыков нуждается в более подробном исследовании и обосновании, в каждом конкретном случае, в частности смоченность внутренней поверхности рукава водой уменьшает коэффициент фильтрации, а отработанным машинным маслом — в среднем никак не влияет на него.

Учёт перечисленных закономерностей позволяет повысить эффективность противофильтрационных мероприятий и определить конструктивные характеристики устройств для укладки экранов, завес и диафрагм.

2) Опровергнуто предположение о непроницаемости «i» -образных стыков. Однако полученный эквивалентный коэффициент фильтрации без учёта эффекта защитного и подстилающего слоя равный 0,001−0,01 м/сут, соответствует суглинкам по фильтрационным характеристикам и значительно ниже коэффициента фильтрации плёночных экранов с традиционными стыками.

Снижения коэффициента фильтрации до допустимого (0,0001 м/сут) можно добиться либо сваривая (склеивая) стыки, либо помещая плёнку между защитным и подстилающим слоями рассчитанной по известным формулам мощности.

3) Подтверждена правомерность использования уравнений сопряжения в многослойных многофронтовых задачах теплообмена на основании сопоставления результатов численного решения многослойной задачи Стефана и физического эксперимента на модели фрагмента золоотвала. Построены графики продвижения нулевой изотермы. Сравнительный анализ показал совпадение результатов физического и математического экспериментов в среднем на 93% и снижение погрешности расчётов при использовании модифицированной математической модели в два раза по сравнению с традиционной моделью. Это позволяет говорить об эффективности модифицированной математической постановки и рекомендовать программу для расчёта температурно-влажностных характеристик дренированных золоотвалов типа I-A в любом климатическом районе.

4) Разработано специализированное программное обеспечение, включающее:

• модифицированную математическую модель задачи теплообмена с подвижными границами (Стефана) с постановкой условий сопряжения в виде уравнений энергии на границах фаз и раздела разнородных слоёв вместо традиционных граничных условий IV рода;

• алгоритм расчёта с применением метода конечных разностей (явной двухслойной схемы на прямоугольной сетке) и использованием метода итераций с релаксацией влажности для преодоления нелинейности на подвижной границе промерзания-оттаивания;

• программу для решения задачи Стефана, написанную на языке Фортран на основе модифицированной модели и алгоритма расчёта. Комплекс обеспечивает высокую точность, экономию рабочего времени и простоту в использовании при расчёте термо-влажностного режима дренированных золоотвалов в результате адекватности математических уравнений физическим процессам, использования эффективных вычислительных схем и компьютерных технологий.

5) Изучен термо-влажностный режим системы «основание-дренаж-ЗШМ» дренированного золоотвала с применением программного обеспечения для условий Центральной Сибири на примере г. Красноярска. Построены геотермограммы по месяцам, графики продвижения изотерм. На основе их анализа произведена оценка динамики промерзания-оттаивания золошлакохранилища:

• получена максимальная глубина промерзания — 2,3 м в марте-апреле;

• установлены периоды наиболее интенсивного протекания фазовых процессов — январь-февраль, май-июнь, и период температурного равновесия в марте, когда теплообмен практически отсутствует;

• определено, что полного оттаивания золоотвала не происходит и с июня по сентябрь в массиве золошлакового материала сохраняется слой морозного грунта толщиной 0,1 м на глубине 2,1 м, оказывающий влияние на дальнейшее формирование температурного режима.

Учёт перечисленных факторов позволяет запроектировать высоту намываемого в течение года золошлака, толщину дренажного слоя, глубину расположения плёночного экрана и в целом повысить надёжность гидротехнического сооружения.

6) Разработаны и запатентованы устройства для механизированной укладки пленочных конструкций — укладчики плёночных экранов, завес и диафрагм. Названные агрегаты позволяют механизировать ручной труд и создавать склеенные «|» -образные стыки, обладающие низкой фильтрацией. Оптимальные параметры стыка, обнародованные выше и состав грунта, позволяют конструировать устройства для укладки плёночных экранов с перспективой получения максимального экологического и экономического эффекта. Экономическое обоснование с эффектом от внедрения укладчиков плёночных завес при экранировании золоотвала более 100 млн руб делает данные изобретения инвестиционно привлекательными. Рекомендуется их использовать при возведении накопителей отходов энергетических систем для снижения отрицательного воздействия на окружающую среду.