автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Комплексный подход к оценке состояния поверхности намывных золошлакоотвалов в различные периоды года

На правах рукописи

ФРОЛОВ Андрей Николаевич

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НАМЫВНЫХ ЗОЛОШЛАКООТВАЛОВ В РАЗЛИЧНЫЕ ПЕРИОДЫ ГОДА

Специальности: 05.23.07 - «Гидротехническое строительство»

05.23.16 - «Гидравлика и инженерная гидрология»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-3 НОЯ 2011

Санкт-Петербург 2011

4858593

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «ВНИИГ имени Б.Е.Веденеева»

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Пантелеев Валерий Геннадьевич ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (Санкт-Петербург) доктор технических наук Беллендир Евгений Николаевич ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (Санкт-Петербург)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шульман Сергей Георгиевич ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (Санкт-Петербург) кандидат технических наук, старший научный сотрудник Калюжный Игорь Леонидович Федеральное государственное бюджетное учреждение «Государственный гидрологический институт» (Санкт-Петербург)

Ведущая организация

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых, защите инженерных сооружений от обводнения, специальным горным работам, геомеханике, геофизике, гидротехнике, геологии и маркшейдерскому делу» (ВИОГЕМ) (Белгород)

Защита состоится 2011 года в 10 часов

на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 в ОАО «ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева» (195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., д. 21)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «ВНИИГ им Б.Е. Веденеева»

Автореферат разослан // 6Я 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, ~

кандидат технических наук ' Т.В.Иванова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидравлическое складирование отходов сжигания угля (золы и шлака) - традиционный способ, который применяется на тепловых электростанциях (ТЭС) Российской Федерации (РФ). Наличие золошлакоотвала (ЗШО) с емкостью, позволяющей складировать золошлаковые отходы, является необходимым условием работы пылеугольной ТЭС. Однако золошлакоотвалы намывного типа имеют ряд недостатков и повышенный риск аварии по сравнению с другими грунтовыми гидротехническими сооружениями.

Аварийные ситуации, возникающие на поверхности золошлакоотвапов, приводят к разрушению ограждающих дамб, переполнению отстойного пруда избыточными водами, к невозможности подачи на ЗШО пульпы или возврата на ТЭС осветленной воды и обусловлены, в том числе, недостаточным научным и нормативно-методическим обеспечением эксплуатации и проектирования ЗШО, систем гидравлического золошакоудаления (ГЗУ).

В повышении безопасности ограждающих дамб, других конструктивно-технологических элементов ЗШО свое место должны занять вопросы оценки и учета состояния и размеров надводного откоса, отстойного пруда на поверхности хранилища, эксплуатация которого осуществляется круглогодично. В настоящее время исследования и разработанные на их основе расчетные методы позволяют решать инженерные задачи, связанные с изменением объемов, температуры и качеством воды в ЗШО. Однако отсутствует комплексный подход к вопросам минимизации воздействия воды на ограждающие дамбы, водного, термического режима, осаждения золошлаковых отходов на поверхности ЗШО в зимний и другие периоды года. Поэтому проблема развития и совершенствования научного и расчетного обоснования процессов на поверхности ЗШО для повышения их эксплуатационной безопасности, снижения риска аварии является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка комплексного подхода к оценке состояния поверхности намывных золошлакоотвалов с учетом особенностей гидротермического режима в различные периоды года. Дня достижения цели, в число задач исследований, были включены: изучение состояния надводных откосов, отстойных прудов золошлакоотвалов в различные периода года, определение водно-физических свойств золошлаковых отходов;

развитие методики расчета гидротермического режима ЗШО; разработка инженерных методик расчета осаждения пульпы на надводном откосе и в отстойном пруду в зимний период, определение минимальных размеров пруда, секции ЗШО;

совершенствование методики расчета водного баланса, выявление особенностей изменения уровня воды на ЗШО, расположенных в различных регионах;

разработка и обоснование конструктивно-технологических решений по повышению эксплуатационной безопасности и эффективному использованию золошлакоотвалов.

Объектом исследования являлись намывные гидротехнические сооружения - накопители промышленных отходов сжигания на ТЭС твердого топлива (золошлакоотвалы).

Предмет исследования - обоснование и совершенствование надежных конструкций намывных накопителей золошлаковых отходов.

Работа относится к п.п.1,9,11 специальности 05.23.07 - Гидротехническое строительство и п. п. 1,8,10 специальности - Гидравлика и инженерная гидрология.

Научная новизна:

установлены основные причины отличий в состоянии поверхности накопителей золошлаковых отходов в зимний период и разработана гидротермическая классификация, диагностические показатели, выявлена необходимость учета гидротермического режима для повышения безопасности элементов сооружения, функционирования системы ГЗУ;

предложены методики расчета осаждения золы на надводном откосе и осветления воды от частиц золы в отстойном пруду на основе натурных исследований для зимнего периода эксплуатации ЗШО;

методика расчета водного баланса на золошлакоотвале и в системе гидрозолоудаления усовершенствована с учетом специфики ЗШО, системы ГЗУ и вариаций исходных данных;

уточнены методики расчета составляющих водного баланса: испарения, аккумуляции воды в порах, при этом предложено использовать результаты выполненных исследований по определению испарения и влагоемкости золы, шлака для основных видов сжигаемых на ТЭС топлив;

выявлены закономерности изменения водного баланса на модельных и работающих ЗШО, расположенных в различных климатических зонах;

обоснованы конструктивно-технологические решения повышения надежности намывных ЗШО путем уменьшения размеров отстойного пруда и исключения возможности переполнения сооружений вследствие небаланса воды.

Личный вклад автора состоит в комплексном подходе к изучению надводного откоса, отстойного пруда с целью повышения эксплуатационной безопасности ЗШО. Разработаны методики и программы натурных и лабораторных исследований, проведены экспериментальные исследования, обработаны и проанализированы их результаты. Усовершенствованы методики расчета и выполнены расчеты на ряде ЗШО ТЭС и на модельных сооружениях. С учетом состояния поверхности ЗШО систематизированы существующие и предложены новые конструктивно-технологические решения по повышению безопасности эксплуатации и эффективному использованию золошлакоотвалов.

Практическая значимость и реализация результатов работы состоят: в комплексном подходе к оценке состояния ЗШО с учетом их гидротермического режима в различные периоды года; в усовершенствовании методик расчетов, что позволило определить: минимальные размеры отстойного пруда и всей поверхности ЗШО поверху, соответствие превышения отметок гребня ограждающей дамбы над отметками надводного откоса и уровнем отстойного

пруда требованиям нормативных документов (на примере ЗШО IV класса), причины избыточного объема воды на ЗШО двух ТЭС; в повышении эффективности инженерных решений для обеспечения эксплуатационной безопасности ЗШО, в том числе наращиваемых на максимальную высоту.

Материалы диссертации вошли в состав отраслевых нормативных документов: «Рекомендации по обследованию золошлакоотвалов тепловых электростанций» СПб, 1998 г.; «Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов» (СО 34.27.509-2005) СПб, 2006 г., используются в учебном процессе энергетического института повышения квалификации (ПЭИПК). Результаты работы были использованы при проведении расчетов и обосновании конструктивно-технологических решений на золошлакоотвалах Владимирской ТЭЦ, Рефтилской ГРЭС, Каширской ГРЭС, ТЭЦ-17 ОАО «Мосэнерго», Балтийской электростанции, Южно-Кузбасской ГРЭС.

Получено авторское свидетельство на изобретение, два патента на полезную модель.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались натурные и лабораторные экспериментальные методы исследований, статистические методы обработки результатов, методы анализа и оценки надежности инженерных объектов.

Достоверность результатов работы обеспечивалась сопоставлением результатов натурных и лабораторных исследований с данными других авторов, сравнением результатов расчетов и экспериментальных исследований, максимально возможным применением апробированных методик и сходимостью результатов с натурными данными на ряде ЗШО, использованием поверенных средств измерений, лицензионного программного обеспечения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных научно-технических совещаниях: «Исследование влияния сооружений гидроузлов на ледовый режим рек и окружающую среду», г.Дивногорск, 1989 г. и «Основные направления совершенствования исследований и проектирования энергетических объектов (ТЭС и АЭС)», г.Нарва, 1991 г.; на совещании-семинаре «Обеспечение безопасности сооружений тепловых электростанций», г.Челябинск, 1997 г.; на 4-й Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», СПб, 1999 г.; на научно-практической конференции «Современные технические и технологические решения для ТЭК России», СПб, 2006 г. и Юбилейных научных чтениях МАНЭБ «Белые ночи-2008», СПб, 2008 г. Результаты работы докладывались и обсуждались на Ученом Совете ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева» в 2008,2010,2011 г.

Результаты диссертационной работы изложены в 16 публикациях, в том числе работы из перечня изданий, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций по кандидатским диссертациям - 11.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

результаты натурных исследований по определению: состояния и гидротермического режима на поверхности ЗШО, эффективности осаждения зо-

лы в зимний период эксплуатации; результаты исследований испарения и влагоемкости золошлаковых отходов;

классификация золошлакоотвалов по гидротермическому режиму; методики расчета осаждения золы на надводном откосе и в отстойном пруду ЗШО в зимний период, определение минимальной длины отстойного пруда и поверхности ЗШО поверху или его секций;

усовершенствованные методики расчета: испарения с поверхности ЗШО; аккумуляции воды в порах золошлаковых отходов; водного баланса, с учетом: специфики золошлакоотвала, неопределенности исходных данных, минимизации затрат по поддержанию нулевого баланса;

принципы оценки, на основе расчета водного баланса, допустимых превышений отметок гребня ограждающей дамбы над отметками надводного откоса и уровнем отстойного пруда;

установленные причины переполнения водой ЗШО и систем ГЗУ; способы повышения эксплуатационной безопасности золошлакоотвалов путем реализации конструктивно-технологических решений, направленных на: учет и изменение гидротермического режима; уменьшение размеров отстойного пруда; исключение образования избыточных объемов воды в ЗШО и в системе ГЗУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 184 наименований и 3 приложений. Основной текст диссертации изложен на 156 страницах, содержит 29 рисунков и 26 таблиц.

Автор выражает признательность к.т.н. А.А.Огаркову (ННГАСУ), К.Т.Н. А.Е. Билеву за помощь при выполнении отдельных разделов экспериментальных исследований; д.т.н., проф. В.Н. Жиленкову, д.т.н. Д.В.Сте-фанишину, Э.Л.Добкину за консультации и ценные советы, высказанные при обсуждении отдельных этапов исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, указана основная цель исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе излагаются общие сведения о золошлакоотвалах, системах ГЗУ и приводится анализ современного состояния исследований по теме диссертационной работы.

Изучению различных аспектов обоснования надежности и безопасности намывных сооружений, конструкций и технологий складирования в жидком виде различных отходов, воздействия хранилищ на окружающую среду посвящены труды: С.Г.Аксенова, Т.С.Абашкиной, A.M. Гальперина, М.Н.Захарова, В.И.Каминской, Ю.И.Кутепова, М.А.Мырзахметова, В.П.Недриги, В.М.Павилонского, Д.В.Рощупкина, С.В.Сольского, Д.В.Стефанишина, Г.Т.Трункова, М.П.Федорова, О.М. Финогенова, В.М. Шестакова, С.Г. Шуль-мана, A.Pentman, S.Vick и др. 4

В области обоснованна конструкций ЗШО, систем ГЗУ, технологии намыва, определения свойств золошлаковых отходов, воздействия их на окружающую среду, обеспечения надежности большой вклад внесли: Т.Е.Алексеева, Е.В.Андреева, Б.Л.Вишня, А.И.Глебов, Э.Л. Добкин, Э.П.Дик, В.Н.Жиленков, И.В.Ко-рытова, Г.И.Кузнсцов, В.А.Мелентьев, А.А.Огарков, В.Г.Пантелеев, М.В.Пе-ченкин, В.И.Сергеева, Ю.М.Сысоев, Е.А.Филиппова, Г.С.Чеканов и др.

Эксплуатация ЗШО имеет ряд особенностей: длительный период заполнения отходами; изменение объемов и видов (по сжигаемому топливу) удаляемых с ТЭС отходов, с максимальным количеством их в зимний период; разное заполнение и использование секций сооружения.

В диссертации приведены сведения по современному состоянию исследований осаждения пульпы на надводных откосах и осветлению воды в отстойных прудах хранилищ жидких отходов, по изучению составляющих водного баланса намывных хранилищ, по особенностям классификаций термического режима водоемов и намывных сооружений.

Проведенный анализ литературных источников показал, что ряд вопросов, влияющих на эксплуатационную безопасность ЗШО, не нашел должного освещения, к их числу относятся:

недостаточная изученность: гидротермического режима пруда, русловых потоков на поверхности ЗШО и не учитывается возможность поступления на сооружение теплой пульпы; условий осаждения пульпы на надводном откосе и золы в отстойном пруду в зимний период; процессов испарения, во-допоглощения и удержания влаги;

состояние поверхности ЗШО в различные периоды года не в полной мере учитывается при расчетах гидротермического режима, осаждения золы и составляющих водного баланса;

обоснованность минимальных размеров отстойного пруда, а также допустимых превышений отметок гребня ограждающих дамб над уровнем пруда;

возможность осуществления конструктивно-технологических решений по повышению безопасности золошлакоотвалов при комплексном учете режимов (осаждения золы, водного, термического) отстойного пруда и надводного откоса при обосновании конструкций ограждающих дамб, других элементов ЗШО и эффективного использования верховой поверхности.

Сформулированы и обоснованы основные задачи исследований, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе приведены методики и результаты натурных, лабораторных исследований, которые использовались в главах 3-5 работы.

Представлены результаты обследований золошлакоотвалов на более чем 20 ТЭС и измерений температуры пульпы и осветленной воды в зимний период, в том числе при экстремально низких температурах воздуха. На большинстве золошлакоотвалов зимой вся его поверхность покрыта снегом, в отстойном пруду образуется лед, однако, на ЗШО (оперативном) Игумновской ТЭЦ, ТЭЦ-20 «Новгородэнерго», лед в отстойном пруду практически отсутствовал

(Приложение 1. Обобщение результатов обследования поверхности ЗШО). Выявлено, что существенным фактором различия в состоянии поверхности золо-шакоотвалов в зимний период является температура поступающей пульпы, которая, если на ТЭС установлены котлы с жидким шлакоудалением и мокрые золоуловители, была более +Ю°С.

По результатам обследований на надводных откосах ЗШО в безморозный период предложены две модели поверхностного рельефа: а) откос, образованный несвязанными частицами золы, шлака; б) откос, образованный самоцементирующейся золой, например, сланца.

В результате исследований, выполненных на золошлакоотвалах, надводные откосы которых покрыты снегом, получено, что эффективность осаждения золы кузнецкого угля в русловых потоках по сравнению с безморозным периодом меньше (рис. 1), в основном из-за протекания пульпы зимой в жестком русле (наледи, промерзшем ложе).

Исследования осаждения золы в отстойных прудах 9-ти ЗШО в зимний период показали, что в прудах формируется транзитный поток, часто вдольбе-реговой. Определено, что эффективность осветления воды зимой при наличии льда в пруду выше, чем рассчитанная по зависимости Э.Л. Добкина, полученной при изучении течений на открытых гидравлических моделях.

Натурные исследования (оценочные) показали, что испарение с поверхности техногенных отходов (зола, шлам) может быть выше испарения с естественных грунтов.

С^Сн

1,00 0,80 0,60 0,40 0,20

10 20 30 40 50 60х ^70

Рис. 1. Изменение концентрации золы в русловых потоках на ЗШО в зимний период:

1 - осредненные данные В.Г.Пантелеева (безморозный период); 2 - аппроксимирующая зависимость результатов измерений автора в зимний период; С,/С„-отношение концентрации золы в русловом потоке и в месте выпуска пульпы, Х-расстояние от выпуска, wso - гидравлическая крупность частиц, А - глубина потока, у - динамическая скорость

Для изучения испарения с золы и шлака предложена методика лабораторных исследований. В опытах определялась испаряемость (потенциальное испарение) при неограниченной подаче воды в зону капиллярного влагопе-реноса (£3), которая сопоставлялась с испарением с поверхности воды (Е8).

Для зольных отходов Е3 может превышать испарение с поверхности воды в 1,3 - 2,0 раза и максимально при заглублении поверхности депрессии (7) над поверхностью золы в 0,5 - 0,7 м (рис. 2). По результатам выполненных исследований, в главе приведена таблица значений р = Еъ/Ев для золошлаковых отходов сжигания основных, по доле в структуре потребления твердого топлива, энергетических углей в РФ.

На части надводного откоса намываемые отходы находятся над поверхностью фильтрационной депрессии выше и в зоне капиллярного поднятия, а объем воды аккумулированный в порах зависит от свойств золошлаковых отходов удерживать влагу молекулярными силами.

р = £з / £в

3

у к ■' N \ - * - , \

/д.' «с/ ч • 4 \ -ч ' X V \ ч

/■/• У

---кузнецкий уголь

-подмосковный уголь

- - - - экибастузский уголь

печорский уголь • ■ • - челябинский уголь донецкий уголь

0,5 I 2, м

Рис. 2. Изменение испарения с поверхности золы от заглубления поверхности депрессии

Проведены лабораторные исследования по определению полной и максимальной молекулярной влагоемкости зол и шлаков (отходы сжигания основных энергетических углей). Максимальные молекулярные влагоемкости зол были от сом= 0,23 (зола подмосковного угля) до юм = 0,7 (зола кузнецкого угля), их соотношения к полной влагоемкости для исследуемых зол составили = 50-70%. Влагоемкость золы зависит от диаметра, пространственной структуры и свойств частиц. Сравнение лабораторных и натурных данных по влагоемкости золы сжигания кузнецкого угля показало их сопоставимость, в зольной зоне надводных или подводных отложений полная влагоемкость «„.в <1,1 (ЗШО Владимирской ТЭЦ). Шлак характеризуется низкими значениями влагоемкостей, при жидком шлакоудалении шп.в= 0,24 - 0,3,

В третьей главе изложены результаты работы по усовершенствованию методик расчета гидротермического режима и осаждения золы на поверхности золошлакоотвала.

По результатам исследований, проведенных в зимний период, разработана классификация ЗШО по гидротермическому режиму: нетеплонагру-женные (холодные), среднетеплонагруженные, теплонагруженные (теплые).

Для количественной оценки приняты величины степени теплонагру-женности и критерия термического состояния (г|):

Ч = 5„"7 п = 5пк7№,+ 50) £ 1 + С), (1)

где 5ПКС - тепловой поток, поступающий на ЗШО с пульпой; Ра?- площадь русловых потоков пульпы на надводном откосе; - площадь активной зоны отстойного пруда (аналогично водоемам-охладителям); - теплообмен русловых потоков пульпы на надводном откосе намыва; Б0 - теплообмен в отстойном пруду; г„к<: - температура пульпы (°С); <0НС ~ температура осветленной воды на выходе (сбросе) с ЗШО.

Значения д и т), для характерных глубин пруда (1 - 1,5 м), а также другие диагностические параметры приведены в таблице.

Таблица

Классификация гидротермического режима золошлакоотвалов ТЭС

Золошлакоотвал Температура пульпы, °С Степень тепло-нагру-женнос-ти, Вт/м2 Критерий термического состояния Число русел на откосе (один пуль-повыпуск) Толщина льда в пруду, м

Теплонагруженный (теплый) Среднетеплонагруженный Нетеплонагруженный (холодный) Больше 10 5-12 Меньше 5 Более 400 100-400 Менее 100 Более 1,3 1,1-1,3 Менее 1,1 3 и более 2,3 1 0-0,5 0,4 -1,5

Разработан алгоритм определения гидротермического режима ЗШО на стадиях проектирования и эксплуатации, что использовалось при проведении НИР и разработке проектных решений на более чем 10-ти ТЭС.

Обосновано использование классификации применительно к различным технологическим схемам, способам, вариантам удаления и складирования золошлаковых отходов.

Выполнена для зимнего периода оценка зон влияния русловых потоков и отстойного пруда на состояние надводного откоса ЗШО теплонагру-женного типа. Влияние максимально при длине надводного откоса < 50 м, при этом на 1/3 площади откоса может отсутствовать снег.

Анализ условий осаждения золы на надводных откосах ЗШО теплона-груженного типа показал, что разработанная В.Г.Пантелеевым методика по расчету осаждения может применяться для подобных сооружений и зимой. Для ЗШО нетеплонагруженного типа применительно к зимнему периоду эксплуатации: даны рекомендации по назначению исходных данных (расхода, ширины, уклона и др.), предложены формулы для определения глубины, скорости, концентрации зольных частиц в русловом потоке на урезе пруда. Концентрацию золы в русле на урезе отстойного пруда зимой, если одинаковы

другие расчетные параметры, можно принимать приблизительно на 12% больше, чем в летний период.

На основе рассмотрения упрощенной гидродинамической схемы взаимодействия транзитного потока с дном отстойного пруда и поверхностью льда, получены зависимости расширения транзитной струи в потоке и изменения скорости потока из-за образования льда.

Если расход потока, втекающего в отстойный пруд, в зимний период в два раза превышает расход в безморозный период, что наиболее характерно для ЗШО, то скорость в зимний период IV, на расстоянии х от уреза (х >70-100м) может бьггь определена в виде:

Узим =2улет ^«г н™\\! ' " Л

Ь0 зим К зим Нжм

ехр

-— Л

V 2//зим j

(2)

где vn„ - скорость потока летом; Ьй, ho - ширина и глубина потока в месте втекания в отстойный пруд в летний и зимний период соответственно; #лет, Ншм - глубина отстойного пруда в летний и зимний период; - коэффициент гидравлического трения нижней поверхности льда.

Из-за наличия льда скорость потока зимой уменьшается по сравнению с летним периодом, однако, из-за промерзания и уменьшения глубины пруда данные скорости могут быть сопоставимы (v3„M < v„eT), расхождение расчетов по (2) с натурными результатами порядка ± 20%.

По скорости движения потока vJHM и скорости осаждения частиц золы в неподвижной воде рассчитывается длина пути транзитного потока в пруду, которая необходима для достижения допустимой концентрации частиц золы в осветленной воде на водосбросных колодцах.

На основе исследований выполненных в главах 2,3, по предложенному алгоритму определены минимальные размеры отстойного пруда (глубиной 1 м) и поверхности ЗШО по верху при условиях, что на сооружение поступает пульпа расходом 1500 м3/ч, с соотношением твердой и жидкой фаз Т:Ж =1:20 (50 г/л), а допустимая величина концентрации золы в осветленной воде с ЗШО - 250 мг/лгар (в оборотной системе ГЗУ установлены насосы типа Д, ЦН). Из расчетов следует: наихудшие условия осаждения золы в пруду могут быть при температуре воды близкой к температуре её замерзания; доя золы кузнецкого и экибастузских углей (золы с наиболее малыми скоростями осаждения в воде) минимальные размеры отстойного пруда в случае примыкания колодцев к дамбе составляют 350x350 м (объем воды - 120 тыс.м3), а при расположении колодцев в центре секции -700x700 м (объем воды - 460 тыс. м ); минимальные площади поверхности ЗШО поверху 16 га и 64 га (колодцы у дамбы или в центре, соответственно).

Разработанные для зимнего периода методики расчета осаждения золы на надводном откосе и в отстойном пруду (на верховой поверхности ЗШО) применялась для ТЭЦ-17 Мосэнерго, Каширской ГРЭС. Для повышения эксплуатационной безопасности ЗШО, системы ГЗУ минимальные глубины отстойного пруда 1,5 м (лето) и 1,0 м (зима) назначались в качестве критери-

альных значений К1 (предупреждающий уровень) для ЗШО Каширской и Южно-Кузбасской ГРЭС, ТЭЦ-17 и ТЭЦ-22 Мосэнерго.

В четвертой главе представлены усовершенствованная методика расчета водного баланса и её составляющих, закономерности изменения водного баланса и уровня воды на ЗШО в различных климатических зонах.

Расчеты составляющих водного баланса (испарение, аккумуляция воды в порах, фильтрация) предложено выполнять с учетом гидротермического режима золошлакоотвала, с использованием водно-физических свойств зо-лошлаковых отходов (подробно в главах 2 и 3).

Сформулировано условие оптимальности, соответствующее минимизации дополнительных затрат Зд —> тш по достижению (поддержанию) водного баланса на ЗШО и в системе ГЗУ:

А53+т!з<0иА5ос + 110с5 0, (3)

где А53 - увеличение или уменьшение объема воды на золошлакоотвале; т],-невязка водного баланса; А5 ос+ г|ос - объем воды (изъятие или добавка), необходимый для обеспечения и поддержания в процессе эксплуатации ЗШО и оборотной системы ГЗУ нулевого водного баланса.

Условие (3) использовалось в качестве критерия при проведении по усовершенствованной методике расчетов водного баланса для ЗШО пяти ТЭС (Приложение 2. Примеры расчетов водного баланса эксплуатирующихся ЗШО, расположенных в различных климатических зонах), выборе мероприятий по исключению переполнения ЗШО избыточными водами.

Расчеты водного баланса ЗШО в рамках методики выполняются при задании исходных данных, с учетом их неопределенности и особенностей эксплуатации сооружений. Предложено расчетную вероятность разности осадков и испарения с водной поверхности назначать исходя из класса ЗШО (СНиП 33-01-2003). Тогда, разность «осадки - испарение» для ЗШО IV класса для года с максимальными осадками и минимальным испарением следует принять 5% обеспеченности, для года с минимальными осадками и максимальным испарением - 95%.

Изменение объемов складирования золошлаковых отходов учитывается заданием данных по среднему, максимальному и минимальному их выходу с ТЭС за период, например, 5 предшествующих лет. Для проектируемого ЗШО максимальный выход может определяться: тах{Р} = &,пот.{Р}, где пот. {V} -выход золошлаков с учетом плановых ремонтов оборудования энергоблоков и к-, — коэффициент для ЗШО П-1У классов 0,98; 0,97 и 0,95 соответственно.

Расчеты рекомендовано производить для существующих или средних (для проектируемого ЗШО) значениях площадей надводного откоса и пруда, при максимальной и минимальной (расчет см. в главе 3) площади отстойного пруда. При проектировании расчеты выполняются и для двух стадий заполнения золошлакоотвала: первичная емкость, верхний ярус наращивания.

Испарение с надводного откоса Е„0 определяется как испарение с выделяемых зон:

Ено £рп ¿пр Еалп ^сп"'" Ец (4)

где Ерл и Епр - испарение с русловых потоков и с поверхности пересыхающих русел; Ес,.т - испарение с зоны, где имеет место влияние капиллярного поднятия; ЕсП - испарение с сухой поверхности откоса; £д - испарение, обусловленное дополнительными мероприятиями на откосе.

Не учитываемое по методике Рекомендаций ВНИИГ/П 26-85 испарение с зоны капиллярного поднятия, например, составило 33% от испарения с секции № 5 ЗШО Каширской ГРЭС. Расхождение между результатами расчетов испарения с секции № 5 по методикам указанных Рекомендаций и усовершенствованной - более 60%.

Для ЗШО средне- и теплонагруженного типов среднегодовые нормы испарения с поверхности воды рекомендуется определять по формулам Рымши-Донченко и Браславского-Нургалиева, а также по методике И.К.Никитина. Отметим, что различие в величинах испарения, определенных по вышеперечисленным методикам, с пруда среднетеплонагруженного ЗШО Владимирской ТЭЦ составило ~ 1%. Испарение с золошлакоотвала теплонагруженного типа может на 100% и более превышать испарение с нетеплонагруженного ЗШО.

Массу аккумулирующейся воды на ЗШО Мв за период продолжительностью 5т предложено рассчитывать с учетом движения воды в порах зо-лошлаковых отходов:

М„ = соп.в5М" + шм8Мс + 0)га5Мпз (5)

где 8М" - масса золошлаковых отходов, осажденных в зоне полного водона-сыщения; 5МС - масса намытых на надводном откосе отходов, находящихся выше кривой депрессии; 8МЮ - масса золошлаков на откосе в зоне влияния капиллярного поднятия; соп в1 сом- полная и максимальная молекулярная вла-гоемкости; сопз- влагоемкость в зоне влияния капиллярного поднятия.

Расчет, по зависимости (5), позволяет уточнить объем воды аккумулирующейся на ЗШО. Например, для секции № 5 ЗШО Каширской ГРЭС при годовом намыве в 200 тыс.т и соотношении длин надводного откоса и отстойного пруда 1:4 в порах аккумулируется объем воды на 11% меньше объема, если бы поры золы были полностью заполнены водой.

По усовершенствованной методике расчета водного баланса проведены расчеты для модельных ЗШО, при условии их размещения в Центральном, Уральском, Южном, Дальневосточном регионах. Количество атмосферных осадков в регионах характерно и близко к предельным значениям, выпадающих на территории России. Масса поступающих на золошлакоотвалы отходов -300 тыс.т, расход воды в системе ГЗУ - 1500 м3/ч, соотношение Т:Ж -1:40.

Приняты следующие параметры модельного ЗШО равнинного типа: площадь 1x1 км (100 га), высота ограждающих дамб до 9 м, полезная емкость 5 млн. м3 при ее заполнении на ~70%, отстойный пруд в центре ЗШО с размерами 700x700 м (по расчетам в главе 3) занимает 49% площади верховой поверхности, глубина пруда 1 м. В ложе ЗШО устроен глиняный экран

толщиной 0,5 м с коэффициентом фильтрации 0,001 м/сут. Модельный ЗШО овражного типа принят такой же площади (2,5x0,4 км) и емкости, высота нижней и верхней ограждающих дамб - 7 и 4 м, отстойный пруд глубиной 1 м с размерами в плане 1400x350 м (49% площади). Ложе овражного ЗШО имеет экран с теми же параметрами, как и у хранилища равнинного типа.

По результатам расчетов, выполненных по среднемноголетним метеорологическим данным, следует:

для равнинных ЗШО, расположенных в различных регионах РФ, имеет место дефицит баланса (отрицательный) и, как следствие, возможность систематического уменьшения уровня воды в отстойном пруду, если не добавлять воду в систему ГЗУ;

дефицит баланса воды для ЗШО теплонагруженного типа по сравнению с нетеплонагруженным возрастает, в оборотных системах ГЗУ небаланс

воды отрицательный;

потери воды из-за фильтрации являются определяющими, их доля при наличии экрана составляет 15 - 25% от объема расходной части уравнения водного баланса на ЗШО равнинного типа, на эксплуатирующихся ЗШО где противофилырационные элементы не предусмотрены, по данным приведенным в Приложении 2, фильтрация составляет «50% (в основном из-за фильтрации через ложе отстойного пруда);

для овражных ЗШО при устройстве противофильтрационного экрана или дренажа в основании низовой дамбы возможен как положительный, так и отрицательный небаланс воды;

расхождение результатов с расчетами по Рекомендациям ВНИИГ/П 26-85

-более 70%.

Предлагается для определения фильтрационной составляющей водного баланса проводить натурные эксперименты на ЗШО и экспресс-изыскания (геофизическими и т.п. методами), для уточнения водопроницаемости грунтов и границ инженерно-геологических элементов в ложе и по периметру ограждающих дамб.

Для модельных ЗШО дан прогноз изменения водного баланса (А53) и уровня воды.

При максимально влажных годах (обеспеченностью осадки-испарение 5 и 95%) в зоне с избыточным увлажнением (Дальний Восток, Центральный и другие регионы РФ) может иметь место положительный небаланс и повышение уровня воды в ЗШО. Для всех регионов при максимально засушливых и жарких годах водный баланс ЗШО дефицитный (понижение уровня).

Выполнены расчеты изменения уровня воды для модельного ЗШО в Дальневосточном регионе, где прогнозируется максимальное повышение уровня воды. Расчеты показали, что уменьшение объемов намыва (принимались 510, 300 и 0 тыс.т/г.) может повысить уровень воды в отстойном пруду. Увеличение площади, занятой на ЗШО отстойным прудом (с 49 до 85 га), позволяет понизить положительный небаланс и, соответственно, снизить уро-

вень воды в пруду. При наличии на ЗШО отстойного пруда малых размеров (принимался 15 га), в максимально влажные годы возможно повышение уровня воды с полным затоплением надводного откоса.

Если на ЗШО нетеплонагруженного типа может иметь место положительный небаланс воды, то он значительно понижается или отсутствует на аналогичном теплонагруженном ЗШО.

По результатам расчетов для всех регионов России следует, что соблюдения нормативных требований по превышению отметок гребня ограждающей дамбы над отметками надводного откоса (0,5 м) и уровнем отстойного пруда (0,7 и) достаточно, чтобы не допустить аварии из-за перелива воды на ЗШО IV класса в случае экстремальных годовых значений осадков и испарения. Однако для ЗШО в Дальневосточном или регионах с аналогичной разницей осадки-испарение целесообразно выполнить поверочные расчеты при устройстве пленочных, мембранных экранов, наличия в основании водоупорных грунтов.

В пятой главе представлены конструктивно-технологические решения по повышению эксплуатационной безопасности золошлакоотвалов ТЭС, основанные на результатах, полученных в предыдущих главах.

Проанализировано влияние гидротермического режима золошлакоотвала на состояние его конструктивных элементов и эксплуатацию системы ГЗУ, на экологическую безопасность. Выявлено, что в зимний период более эффективная и надежная эксплуатация ЗШО, системы ГЗУ если температура пульпы С° > 5°С, а в пруду имеет место повышенная температура воды. Предложено 12 мероприятий по уменьшению теплообмена с поверхности ЗШО в зимний период и повышению его гидротермического режима (до средне- или теплонагруженно-го). Наиболее эффективные мероприятия: уменьшение длины надводного откоса, пруда, и размеров секции.

В северных регионах, если целесообразно понижение гидротермического режима ЗШО, то рекомендуется устройство: оперативного накопителя талого типа, а основного ЗШО - мерзлого, нетеплонагруженного типа; на надводном откосе направляющих, поперечных валов из золы и шлака, котлованов; или увеличение пути движения транзитного потока в пруду.

Для золошлакоотвалов, особенно средне- и теплонагруженного типов, предлагается отсыпать из золошлаковых отходов по периметру ограждающей дамбы дополнительную боковую призму, аналогично возведенной на ЗШО Каширской ГРЭС (рис. 3). При устройстве боковой призмы: отстойный пруд удаляется от дамбы, понижается кривая депрессии и вероятность развития трещины отслаивания по контакту талой и мерзлой зон в теле дамбы, исключается воздействие волны на верховой откос, по верху призмы может быть проложен пульпопровод.

Повышение эксплуатационной безопасности золошлакоотвалов ТЭС предлагается осуществлять путем уменьшения размеров отстойного пруда, например, для секций ЗШО Каширской ГРЭС вероятность возникновения аварии снижается в 3,7 раза при уменьшении площади пруда в 2 раза. Одновременно, увеличивается полезная емкость ЗШО и возможность его допол-

нительного наращивания. Оценка, по минимуму приведенных затрат, мероприятий по уменьшению площади пруда на ЗШО, выявила экономический эффект от их реализации и целесообразность установки за пределами хранилища специальных конструкций, например, 2-х секционного пруда вторичного отстоя для доосветления воды возвращаемой с ЗШО на 'ГЭС.

Боковая эолошяаковыв у Крепление откоса -посевом многолетних трав; крииеннс гребней - грунтом

Отстойный

Рис. 3. Конструкция ограждающей дамбы ЗШО с боковой призмой у верхового откоса

Из 11 решений, которые позволяют уменьшить площадь и объем отстойного пруда, рекомендуется сокращение длины пути осветления (до допустимой величины концентрации золы в осветленной воде) управляя намывом и водоотведением, например, использовать для отвода воды одновременно два колодца (или больше), устраивать в пруду грунтовые струенаправ-ляклдие дамбы. В частности, с учетом особенностей движения русловых потоков и транзитных потоков в пруду, разработаны конструкции: с 4 водосбросными колодцами с каждой стороны пруда (патент № 101460): в виде лабиринта с вертикальными перегородками (а.с. № 1675476), позволяющие в 2-3 раза сократить минимальные размеры пруда, определенные в главе 3.

Проанализировано 7 мероприятий, повышающих эффективность управления намывом и осаждения золы на надводном откосе. На ЗШО (для нетепло-нагруженного типа в бесснежный период), используя полученные в главах 2 и 3 результаты, рекомендуется рассредоточенную подачу пульпы производить по схеме кольцевого намыва из торцевых выпусков, устанавливаемых на расстоянии порядка 70 м (не менее 4-х выпусков при расходе пульпы до 2000 м /час). Также эффективен намыв с технологических, дополнительных дамб, устройство на откосе направляющих валов (из золы, шлака), котлованов.

Для эффективного замыва верховой поверхности на эксплуатирующемся ЗШО рекомендуется устройство дополнительных или модернизация существующих конструкций колодцев, в т.ч. с увеличением их расстояния от ограждающих дамб. Подобный подход применен при устройстве второго колодца установленного на секции ЗШО Каширской ГРЭС. В этом случае оптимальный вариант технического решения определялся по обобщенным затратам: Ь = 3 + Л, где 3 - суммарные затраты по варианту, Я - риск ущербов при аварии с прорывом дамбы.

Для равномерного заполнения и повышения эксплуатационной безопасности ЗШО рекомендуется разделение поверхности сооружения на секции, устройство специальной секции - шлакоотвала. По результатам выполненных в главах 3,4 расчетов, при выходе отходов с ТЭС в объеме до 500 тыс.т/год, целесообразно разделять ЗШО на секции площадью 20-65 га.

Наличие надводного откоса понижает риск гидродинамической аварии, поэтому предложена конструкция с разделением ЗШО на 3 секции и устройством пруда в центральной секции, в которой отметки воды существенно ниже отметок других (ненапорных) секций (патент № 85917). При сопоставлении предложенной конструкции (площадью понизу 63 га и высотой 20 м) с традиционной (пруд в центре ЗШО), получено, что вероятность возникновения аварии уменьшается в 10 раз, а экономическая эффективность составит 1,57 млн. руб/год (в ценах 2011 г.).

Анализ причин положительного водного баланса на эксплуатирующихся ЗШО ряда ТЭС и результаты расчетов на модельных сооружениях (глава 4) показывают возможность исключения переполнения отвалов избыточным объемом воды, достижения в системах ГЗУ нулевого баланса. Для этого предложено 17 специальных мероприятий, наиболее эффективны из которых: уменьшение объемов воды, поступающих с цехов ТЭС во внутри-станционную подсистему ГЗУ, на ЗШО; направление избыточных вод в другие водяные контуры ТЭС; балансировка расходов воды подаваемой и отводимой с ЗШО. Выбор мероприятий рекомендуется производить путем их сопоставления по технико-экономическим показателям и учитывать риск ущербов Я. Для Балтийской ЭС, например, предложено применить три мероприятия, в т.ч. увеличение испарения с поверхности ЗШО в летний период.

Для исключения накопления избыточного объема воды при пуске ЗШО в первоначальную эксплуатацию (после реконструкции) разработаны 7 технических решений и последовательность поэтапного наполнения водой (пульпой) с проверкой состояния дамб и др.элементов.

Заключение

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. В работе рассмотрены вопросы обеспечения, повышения эксплуатационной безопасности намывных золошлакоотвалов на основе комплексного подхода к исследованию и оценке состояния надводного откоса и отстойного пруда ЗШО в различные периоды года.

2. Разработана классификация золошлакоотвалов по гидротермическому режиму и показатели, характеризующие состояние сооружений в зимний период. Эксплуатацию ЗШО и систем ГЗУ, расчеты осаждения золы и водного баланса впервые предложено осуществлять с учетом гидротермического режима. Использование классификации позволяет на ранних стадиях проектирования принять решения повышающие безопасность ЗШО, систем ГЗУ.

3. На основе результатов натурных исследований разработаны инженерные методики расчета осаждения золы на надводном откосе, в отстойном пруду

в зимний период эксплуатации ЗШО. По назначенным значениям концентрации золы в осветленной воде на выходе из отстойного пруда, его глубине определены минимальные размеры пруда и поверхности ЗШО по верху.

4. Усовершенствована методика расчета водного баланса золошлакоотвала и оборотной системы ГЗУ, методика более адекватно учитывает испарение с ЗШО и аккумуляцию воды в порах, так как в расчетах используются и результаты выполненных исследований водно-физических свойств золошлаковых отходов. Исходные данные для расчета назначаются с учетом их возможных вариаций, сформулировано условие оптимальности проведения расчетов и мероприятий по достижению, поддержанию нулевого водного баланса на ЗШО.

5. Выполнены расчеты водного баланса для пяти ЗШО, для модельных хранилищ, расположенных в различных регионах. Дана, на примере ЗШО IV класса, оценка соответствия нормативных требований по превышению отметок гребня ограждающих дамб над максимальными отметками надводного откоса и уровня отстойного пруда условию исключения перелива воды из золошлакоотвала. Результаты расчетов и выявленные причины накопления избыточного объема воды на ряде золошлакоотвалов показывают возможность исключения переполнения водой ЗШО при отсутствии дополнительных стоков в систему ГЗУ.

6. Для повышения эксплуатационной безопасности ЗШО рекомендовано учитывать, изменять их гидротермический режим, поддерживать минимальную площадь (объем) отстойного пруда, в т.ч. принять соответствующие меры по исключению примыкания пруда к ограждающим дамбам. Предложены мероприятия по повышению эффективности осаждения золы, замыва надводного откоса,

по уменьшению объема пруда.

7. Результаты работы внедрены на 7 золошлакоотвалах на этапах: эксплуатации, реконструкции, проектирования, что позволило обеспечить нормальное состояние ЗШО и, при необходимости, разработать мероприятия, повышающие их безопасность. Материалы диссертации использовались при разработке отраслевых документов: «Рекомендации по обследованию золошлакоотвалов ТЭС», «Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Фролов, А.Н. Влияние эффективности осветления воды в пруду-отстойнике на выбор оптимальной системы ГЗУ/ А.Н.Фролов // Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. 1989. Т.217. С. 60-65.

2 Фролов АН. Классификация термического режима намывных сооружений в зимний период эксплуатации / ВГЛантелеев, А.Н.Фролов // Гидротехническое строительство. 1990. № 1. С. 31-34.

3. Фролов, А.Н. Рекомендации по определению параметров потока пульпы на урезе отстойного пруда золоотвалов ТЭС в зимний период эксплуатации / В.Г.Пантелеев, А.Н.Фролов Н Экспресс-информация, М., Информэнерго, Серия «Тепловые электростанции». 1990. №7. С.1-5.

4. Фролов, А.Н. Влияние термического режима золоотвала на водный баланс системы гидрозолоудаления и окружающую среду / В.Г.Пантелеев, А.Н.Фро-

лов, Е.И.Шемякова // Материалы конф. и совещ. по гидротехнике / Основные направления совершенствования исследований и проектирования энергетических объектов. Л., ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева. 1992. С. 218-223.

5. Фролов, А.Н. Сопоставление конструкций золоотвалов по степени влияния на окружающую среду / Н.В.Парамонова, А.А.Огарков, А.Н.Фролов // Обогащение руд. 1993. № 1-2. С. 44-46.

6. Фролов, А.Н. Уточнение составляющих водного баланса для создания малосточных систем гидрозолоудаления / А.Н.Фролов // Электрические станции.

7. Надежность и экологическая безопасность намывных золошлакотвалов

ТЭС / СВ.Сольский, В.Г.Пашелеев, А.И.Глебов, А.Н.Фролов и др. // Гидротехническое строительство. 1997. № 7. С. 35-41.

8. Рекомендации по обследованию золошлакоотвалов тепловых электростанций / В.ГЛантелеев, А.Н.Фролов, Л.Б.Усманская // СПб, ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». 1998.44 с.

9. Фролов, А.Н. Особенности обследования золошлакоотвалов для обеспечения их безопасности/ А.Н.Фроло в// Материалы семинара «Надзор и декларирование безопасности гидротехнических сооружений» / Санкт-Петербург, «ПЭИПК», 2000, С. 82-88.

10. Типовая инструкция по эксплуатации золошлакоотвалов. СО 34.27.5092005 / А.Н. Фролов, ВГЛантелеев, И.В.Корытова, А.И.Глебов и др. // СПб, ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева». 2006.64 с.

11. Фролов, А.Н. Исследование влагоемкости золошлаковых отходов / А.Н.Фролов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2007. Т. 247. С. 63-70.

12. Фролов, А.Н. Исследования испарения с поверхности золошлаковых отходов в зоне влияния капиллярного поднятия / АЕ.Билев, А.Н.Фролов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2008. Т. 251. С. 48-55.

13. Фролов, А.Н. Натурные исследования на верховой поверхности золошлакоотвалов/ В.Г.Пантелеев, АН.Фролов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2008. Т. 252. С. 67-77.

14. Фролов, А.Н., Обоснование установки резервного колодца с коллектором на действующем золошлакоотвале / А.Н.Фролов, Д.В.Стефанишин, И.В.Ве-ликанова // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева 2008. Т. 253. С. 82-91.

15. Фролов, А.Н. Особенности расчетов водного баланса для золошлакоотвалов и оборотных систем гидрозолоудаления тепловых электростанций / А.Н.Фролов // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2009. Т. 254. С. 113-123.

16. Фролов, А.Н. Уменьшение размеров отстойного пруда с целью повышения эксплуатационной безопасности золошлакоотвалов / А.НФролов // Известия ВНИИГ им.Б.Е. Веденеева. 2011. Т. 262. С. 91-99.

17. A.c. № 1675476. СССР МКИ Е 02 В 7/06. Способ возведения намывного сооружения/Пантелеев В.Г., Огарков А А, Фролов А.Н., опубл. 07.09.1991, Бюл_№ 33.

18. Патент № 85917. Полезная модель «Намывное сооружение» / Фролов А.Н., опубл. 20.08.2009, Бюл. № 23.

19. Патент № 101460. Полезная модель -«Намывное сооружение» / Фролов АН. Зайцева И.В., опубл. 20.01.2011, Бюл. № 2.

1995. №2. С. 10-15.

Типография ООО «Наша Марка, 195220, Санкт-Петербург, Гжатская, 21. Объем 1,0 п. л. Тираж 100. Заказ 21.

61 12-5/1227

Открытое акционерное общество «ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева»

На правах рукописи

ФРОЛОВ Андрей Николаевич

КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ НАМЫВНЫХ ЗОЛОШЛАКООТВАЛОВ В РАЗЛИЧНЫЕ ПЕРИОДЫ ГОДА

Специальности: 05.23.07 - «Гидротехническое строительство»

05.23.16 - «Гидравлика и инженерная гидрология»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители доктор технических наук, профессор В.Г.Пантелеев доктор технических наук Е.Н.Беллендир

Санкт-Петербург 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................................................6

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи................................................................10

1.1. Общие сведения о золошлакоотвалах и системах гидравлического удаления отходов сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях.....................................................10

1.2. Гидротермический режим прудов-отстойников, других водоемов, использующихся в различных отраслях..........................................................................................................................14

1.3. Исследования и методы расчета осаждения пульпы на надводном откосе и осветления воды в отстойных прудах хранилищ отходов...............................................................................15

1.3.1. Исследования и методы расчета осаждения пульпы на надводном откосе...................15

1.3.2. Исследования и методы расчета осветления воды в прудах-отстойниках.....................16

1.4. Определение составляющих (элементов) водного баланса хранилищ жидких отходов17

1.4.1. Уравнения водного баланса хранилищ отходов...............................................................17

1.4.2. Основные составляющие (элементы) водного баланса....................................................18

1.5. Исследования на золошлакоотвалах ТЭС..............................................................................21

1.6. Постановка задачи и цели исследований...............................................................................23

Глава 2. Натурные исследования на поверхности золошлакоотвалов, исследования водно-физических свойств золошлаковых отходов............................................................27

2.1. Основные результаты обследований верховой поверхности ЗШО..................................27

2.1.1. Верховая поверхность ЗШО в бесснежный период..........................................................27

2.1.2. Верховая поверхность ЗШО в зимний период..................................................................28

2.2. Исследования температурного режима русловых потоков и отстойных прудов золошлакоотвалов ТЭС....................................................................................................................29

2.2.1. Исследования температурного режима пульпы, поступающей на золошлакоотвал в зимний период, и отводимой с сооружения осветленной воды................................................29

2.2.2. Исследования температурного режима в русловых потоках и в отстойном пруду.....31

2.3. Исследования процессов осаждения золы на надводном откосе и в отстойном пруду в зимний период эксплуатации..........................................................................................................32

2.3.1. Общие положения................................................................................................................32

2.3.2. Профили, другие параметры, влияющие на осаждение золы.........................................33

2.3.2.1. Параметры руслового потока.................................................................................................................33

2.3.2.2. Профили отстойных прудов, толщина и шероховатость льда...........................................................34

2.3.3. Результаты исследований осаждения золы на надводном откосе и осветления в отстойном пруду.............................................................................................................................36

2.3.3.1. Исследования на ЗШО ТЭС, сжигавших кузнецкий уголь...................................................................36

2.3.3.2. Исследования транзитного потока в отстойном пруду.........................................................................38

2.4. Исследования испарения с поверхности золошлаковых отходов.....................................40

2.4.1. Методики исследования испарения с поверхности золошлаковых отходов..................40

2.4.1.1. Лабораторные исследования с моделированием зоны капиллярного поднятия................................40

2.4.1.2. Натурные эксперименты по исследованию испарения.........................................................................42

2.4.1.3. Лабораторные исследования самоцементирующейся золы.................................................................42

2.4.2. Результаты лабораторных и натурных исследований испарения с поверхности золошлаковых отходов..................................................................................................................43

2.4.2.1. Результаты лабораторных исследований...............................................................................................43

2.4.2.2. Результаты натурных исследований испарения....................................................................................46

2.4.2.3. Интерпретация полученных в лаборатории результатов применительно к натурным условиям.....46

2.4.2.4. Высота капиллярного поднятия..............................................................................................................47

2.5. Исследования влагоемкости золошлаковых отходов..........................................................48

2.5.1. Методики исследования влагоемкости золошлаковых отходов.....................................48

2.5.2. Результаты исследований влагоемкости золошлаковых отходов...................................49

2.6. Выводы..........................................................................................................................................52

Глава 3. Совершенствование методик расчета гидротермического режима и

осаждения золы на золошлакоотвале......................................................................................54

3.1. Гидротермический режим верховой поверхности ЗШО ТЭС в зимний период эксплуатации.......................................................................................................................................54

3.1.1. Гидрохермический режим ЗШО, обоснование классификации......................................54

3.1.2. Алгоритм определения типа ЗШО по гидротермическому режиму...............................56

3.1.2.1. Определение типа (состояния) эксплуатируемого ЗШО (секции ЗШО)............................................56

3.1.2.2. Определение гидротермического режима ЗШО на стадии проектирования......................................58

3.1.2.3. Назначение исходных данных по экстремальным (неблагоприятным) метеоусловиям....................59

3.1.2.4. Обобщение гидротермического режима ЗШО на режим оборотной системы ГЗУ..........................60

3.2. Гидротермический режим ЗШО при различных конструктивно-технологических решениях складирования золошлаковых отходов......................................................................60

3.2.1. Гидротермический режим ЗШО при его замыве с разных выпусков, золой способной самоцементироваться.....................................................................................................................60

3.2.1.1 Выпуски пульпы на ЗШО с различными температурами и расходами..............................................60

3.2.1.2. На ЗШО складируются самоцементирующиеся золы..........................................................................61

3.2.2. Гидротермический режим ЗШО при различных конструктивно- технологических решениях складирования золошлаковых отходов......................................................................61

3.3. Влияние гидротермического режима ЗШО теплонагруженного типа на состояние поверхности надводного откоса......................................................................................................62

3.3.1. Тепловое влияние руслового потока..................................................................................62

3.3.2. Тепловое влияние отстойного пруда на состояние поверхности надводного откоса... 64 3.4. Совершенствование методики расчета осаждения золошлаков на надводном откосе. 65 3.4.1. Рекомендации по назначению параметров руслового потока на ЗШО в зимний период

..........................................................................................................................................................65

3.4.1.1. Общие положения по назначению соотношения длина надводного откоса-длина отстойного пруда.......................................................................................................................................................................65

3.4.1.2. Назначение параметров русловых потоков............................................................................................66

3.4.2. Расчет скорости потока и концентрации зольных частиц на урезе отстойного пруда. 68

3.5. Совершенствование методики расчета осветления воды в отстойном пруду................69

3.5.1. Рекомендации по назначению исходных данных для расчетов......................................69

3.5.1.1. Допустимые значения концентрации взвесей (золы) в осветленной воде, поступающей с ЗШО в оборотную систему ГЗУ.......................................................................................................................................69

3.5.1.2. Назначение других параметров необходимых для расчетов................................................................70

3.5.2. Методика расчета осветления воды на верховой поверхности ЗШО в зимний период 73

3.5.2.1. Условие не смешивания втекающих в отстойный пруд потоков........................................................73

3.5.2.2. Движение транзитного потока в отстойном пруду в зимний период ЗШО нетеплонагруженного типа.........................................................................................................................................................................74

3.5.3. Расчеты осветления воды на верховой поверхности ЗШО при различных соотношениях размеров надводный откос/отстойный пруд......................................................78

3.5.3.1. Сопоставление расчетов осветления воды на ЗШО..............................................................................78

3.5.3.2. Алгоритм определения минимальной длины отстойного пруда и поверхности ЗШО.....................82

3.6. Выводы..........................................................................................................................................83

Глава 4. Совершенствование методики расчета баланса воды на золошлакоотвале85

4.1. Уравнения водного баланса ЗШО и оборотной системы ГЗУ, назначение исходных данных с учетом особенностей эксплуатации хранилища и работы ТЭС..............................85

4.1.1. Общий вид уравнений водного баланса ЗШО и оборотной системы ГЗУ.....................85

4.1.2. Условие оптимальности расчетов небаланса воды на ЗШО и в системе ГЗУ...............86

4.1.3. Назначение объемов поступления на ЗШО золошлаковых отходов..............................87

4.1.4. Обоснование назначения площадей отстойного пруда и надводного откоса................88

4.1.5. Назначение расчетной обеспеченности (вероятности) вариаций атмосферных осадков и испарения с верховой поверхности...........................................................................................89

4.1.6. Общий алгоритм расчетов баланса воды на ЗШО и в оборотной системе ГЗУ............91

4.2. Совершенствование методики расчета испарения с верховой поверхности ЗШО........92

4.2.1. Испарение с поверхности надводных откосов ЗШО........................................................92

4.2.1.1. Зонирование надводного откоса для расчета испарения по зонам......................................................92

4.2.1.2. Испарение с золошлаковой поверхности надводного откоса в зоне влияния русловых потоков.....94

4.2.1.3. Испарение с золошлаковой поверхности надводного откоса в зоне влияния капиллярного поднятия воды над кривой фильтрационной депрессии....................................................................................................95

4.2.1.4. Испарение с сухой золошлаковой поверхности надводного откоса....................................................96

4.2.1.5. Оценка вклада испарения с надводного откоса в общее испарение с ЗШО........................................98

4.2.2. Испарение с поверхности отстойных прудов ЗШО...........................................................99

4.2.2.1. Выбор расчетных зависимостей..............................................................................................................99

4.2.2.2. Оценка влияния различных факторов на испарение с отстойного пруда ЗШО................................100

4.2.3. Усовершенствованная методика расчета испарения с поверхности ЗШО...................101

4.3. Совершенствование методики расчета аккумуляции воды в порах намытых золошлаковых отходов....................................................................................................................102

4.3.1. Общие положения..............................................................................................................102

4.3.2. Усовершенствованная методика расчета аккумуляции воды в намытых золошлаковых отходах..........................................................................................................................................103

4.4 Расчеты водного баланса и изменений уровня воды отстойного пруда модельных ЗШО по среднемноголетним метеорологическим данным.....................................................104

4.4.1. Обоснование выбора модельных ЗШО и других параметров для расчета..................104

4.4.2. Результаты расчетов для золошлакоотвалов равнинного типа.....................................107

4.4.2.1. Результаты расчетов...............................................................................................................................107

4.4.2.2. Сопоставление результатов расчетов для эксплуатируемых и модельных ЗШО.............................109

4.4.3. Результаты расчетов для золошлакоотвалов овражного типов.....................................110

4.5. Анализ водного баланса и изменений уровня воды в модельных ЗШО вследствие экстремальных осадков и испарения, вариаций поступающих отходов и размеров пруда ..............................................................................................................................................................111

4.5.1. Расчеты изменений уровня воды в модельных ЗШО вследствие экстремальных сочетаний осадков и испарения на верховой поверхности......................................................111

4.5.2. Расчеты изменения уровня воды в модельных ЗШО вследствие предельных вариаций объемов, поступающих отходов.................................................................................................112

4.5.3. Расчеты изменения уровня воды в модельных ЗШО вследствие предельных вариаций размеров отстойного пруда.........................................................................................................114

4.6. Выводы........................................................................................................................................115

Глава 5. Конструктивно-технологические решения по повышению

эксплуатационной безопасности золошлакоотвалов ТЭС.............................................117

5.1. Учет гидротермического режима верховой поверхности ЗШО.....................................117

5.1.1. Влияние гидротермического режима на состояние элементов ЗШО и его воздействия на окружающую среду.................................................................................................................117

5.1.1.1. Влияние на состояние элементов золошлакоотвала...........................................................................117

5.1.1.2. Влияние на эффективность заполнения, повышение вместимости ЗШО.........................................119

5.1.1.3. Влияние на гидротранспорт пульпы и возврат осветленной воды....................................................120

5.1.1.4. Воздействие на окружающую среду.....................................................................................................120

5.1.2. Повышение безопасности эксплуатации и надежности ЗШО с учетом особенностей их гидротермического режима.........................................................................................................121

5.1.2.1. Учет особенностей гидротермического режима при эксплуатации и проектировании ЗШО.........121

5.1.2.2. Мероприятия по изменению гидротермического режима ЗШО.......................................................123

5.2. Эффективное использование верховой поверхности для повышения эксплуатационной безопасности ЗШО.........................................................................................125

5.2.1. Конструктивно-технологические решения по минимизации площади и объема отстойного пруда ЗШО................................................................................................................125

5.2.1.1. Оценка эффективности объема отстойного пруда..............................................................................125

5.2.1.2. Экономическая эффективность мероприятий по минимизации площади отстойного пруда.........126

5.2.1.3. Конструктивно-технологические решения по минимизации площади и объема отстойного пруда на верховой поверхности ЗШО...............................................................................................................................128

5.2.1.4. Минимизация площади и объема отстойного пруда конструктивно-технологическими решениями за пределами верховой поверхности ЗШО и в системе ГЗУ...........................................................................131

5.2.2. Конструктивно-технологические решения по эффективному заполнению верховой поверхности золошлакоотвала....................................................................................................131

5.2.2.1. Конструктивно-технологические решения по повышению надежности и эффективности заполнения надводного откоса...........................................................................................................................131

5.2.2.2. Установка дополнительных (резервных) колодцев для повышения надежности заполнения верховой поверхности ЗШО...............................................................................................................................133

5.2.2.3. Конструктивные решения по эффективному заполнению золошлакоотвала..................................135

5.3. Конструктивно-технологические решения по снижению объема (уровня) отстойного пруда и переполнения золошлакоотвалов..................................................................................138

5.3.1. Причины положительного водного баланса (переполнения) ЗШО ряда ТЭС.............138

5.3.2. Мероприятия по снижению объема (уровня) отстойного пруда и переполнения золошлакоотвалов........................................................................................................................139

5.3.3. Первоначальное наполнение (пульпой, водой) вводимых в эксплуатацию секций.... 140

5.4. Выводы........................................................................................................................................142

Заключение......................................................................................................................................144

Список литературы.......................................................................................................................147

Приложение 1. Обобщение результатов обследования поверхности ЗШО............. 157

1. Верховая поверхность ЗШО в бесснежный период..................................................................... 157

2. Верховая поверхность ЗШО в зимний период.................................................................................. 162

Приложение 2. Примеры расчетов водного баланса эксплуатирующихся ЗШО, расположенных в различных климатических зонах.......................................... 166

1. Примеры расчета водного баланса ЗШО Каширской и Рефтинской ГРЭС....................................... 166

2. Пример расчета изменения водного баланса ЗШО Владимирской ТЭЦ в �