Nhà máy thủy điện - Bể lắng cát của công trình thủy điện

1.1 CÔNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BỂ LẮNG CÁT

1.1.1. Công dụng và điều kiện xây dựng bể lắng cát

Trong mùa lũ dòng chảy trong các sông suối niền núi có chứa một lượng bùn cát rất lớn bao hàm cả dòng bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng. Các hạt bùn cát đường kính lớn sẽ lắng đọng trong các công trình dẫn nước làm giảm tiết diện làm việc của chúng và do đó làm giảm lưu lượng thiết kế. Bùn cát lơ lửng trong dòng chảy có thể bào mòn đường ống dẫn nước turbin và các bộ phận qua ước của turbin. Turbin bị ăn mòn sẽ dẫn tới làm giảm hiệu suất và do đó giảm công suất cũng như điện lượng của TTĐ và đồng thời giảm tuổi thọ của các thiết bị.

Với mục đích giảm các tổn thất do hậu quả của dòng bùn cát, khi thiết kế công trình thuỷ điện cần phải đề cập tới các giải pháp bảo vệ các công trình khỏi sự tác động xấu của các hạt bùn cát nguy hiểm.

Đối với các công trình thuỷ điện trong sơ đồ khai thác kiểu đập dó có hồ chứa lớn nên các hạt bùn cát nguy hiểm đã được lắng đọng trong hồ và do đó không cần phải có các giải pháp chống tác động của bùn cát cho các công trình dẫn nước. ở các trạm thuỷ điện kiểu đường dẫn với công trình đầu mối cột nước thấp trong cửa lấy nước thường bố trí các bộ phận để ngăn cản dòng bùn cát đáy xâm nhập vào công trình đường dẫn còn các hạt bùn cát lơ lửng nguy hiểm được xử lý trong bể lắng cát. Thông thường bể lắng cát được bố trí đầu đường dẫn ngay sau cửa lấy nước.

Bể lắng cát là công trình dẫn nước không áp có diện tích mặt cắt ướt lớn hơn nhiều so với đường dẫn nước của TTĐ, vận tốc dòng chảy trong nó giảm nhỏ và do đó các hạt bùn cát nguy hiểm được lắng đọng ở đây và tháo xả ra ngoài.

Do kinh phí xây dựng bể lắng cát rất lớn, nó có thể chiếm từ 20 ¸ 25% vốn đầu  tư xây dựng công trình thuỷ điện nên việc xây dựng nó phải tiến hành trên cơ sở luận chứng kinh tế kỹ thuật các giải pháp công trình. Chi phí xây dựng bể lắng cát cần phải so sánh với chi phí nạo vét bùn cát lắng đọng trong các công trình và các chi phí sửa chữa thiết bị turbin trong trường hợp không xây dựng nó. Ngoài ra cần phải tính thêm chi phí gia công chế tạo các bộ phận turbin bằng các vật liệu có khả năng chống bào mòn cao cũng như chi phí bù đắp tổn thất công suất và điện lượng do giảm hiệu suất turbin. Đối với dòng chảy có chứa nhiều bùn cát lơ lửng với đường kính hạt bé thì ngay cả trong các trường hợp có xây bể lắng cát cũng cần phải gia công chế tạo các bộ phận turbin bằng các vật liệu có khả năng chống bào mòn cao.

Giải pháp xây dựng bể lắng cát được đề cập khi hàm lượng bùn cát trong dòng chảy lớn hơn 0,5 kg/m³ hoặc hàm lượng hạt nguy hiểm lớn hơn 0,2 kg/m³. Các hạt cứng (ví dụ: thạch anh...) có đường kính lớn hơn 0,25 mm hoặc các hạt mềm hơn có đường kính lớn hơn 0,4 mm được coi là các hạt nguy hiểm. Kinh nghiệm thực tế cho

thấy, nếu dòng chảy có hàm lượng bùn cát hạt nhỏ (0,1 ¸ 0,25 mm) lớn thì hiện  tượng turbin bị bào mòn vẫn có thể là đáng kể.

Vị trí của bể lắng cát về nguyên tắc cần được bố trí trong thành phần công trình đầu mối, ngưỡng vào của nó kết hợp với cửa lấy nước hoặc đặt trực tiếp ngay sau nó. Trong các trường hợp do điều kiện địa hình không cho phép bố trí trong thành phần đầu mối thì bể lắng cát có thể bố trí trên kênh dẫn cách đầu mối một đoạn. Rất ít khi  bể lắng cát bố trí ở cuối kênh dẫn cùng với bể áp lực.

1.1.2.   Nguyên lý làm việc và thành phần cấu tạo của bể lắng cát

Hình 2-1. Kết cấu cơ bản của bể lắng cát. kênh dẫn nước TĐ hoặc kênh nối; 2- đoạn mở rộng cửa vào ; 3- ngưỡng vào; 4- bể chính ; 5- đoạn chuyển tiếp; 6- tường phân cách; 7- ngưỡng cửa ra; 8- đoạn co hẹp cửa ra ; 9- kênh dẫn nước TĐ; 10- hành lang xả cát; 11- hành lang chung; 12- kênh xả; 13- cửa van lỗ xả cát; 14, 15 - khe van cửa vào và cửa ra bể; 16- khe van sửa chữa.

Trên hình 2-1 thể hiện các thành phần cấu tạo cơ bản của bể lắng cát. Có thể chia các bộ phận của bể lắng cát thành ba phần:

a, Phần cửa vào bao gồm :

- Đoạn tiếp nối kênh dẫn và bể ở cửa vào (2) có tiết diện mở rộng dần theo mặt bằng từ tiết diện kênh dẫn đến tiết diện ngưỡng vào. Đoạn này làm nhiệm vụ phân phối dòng chảy vào bể lắng cát.

- Ngưỡng vào bể lắng cát (3) có tác dụng và cấu tạo tương tự cửa lấy nước không áp ở đấy trí các cửa van để đóng mở khi xói rửa bể hoặc sửa chữa.

b, Thân chính có thể có nhiều khoang theo chiều dài mỗi khoang chia ra làm hai

đoạn :

- Đoạn chuyển tiếp (5) với chiều dài l₁ có chiều sâu tăng dần từ ngay sau  ngưỡng vào đến phần khoang chính của bể.

- Đoạn công tác của thân bể (4) với chiều dài lk có tác dụng lắng đọng các hạt bùn cát có thể gây nguy hại đối với công trình dẫn nước và

Nguyên lý làm việc của bể lắng cát có thể mô tả trên sơ đồ hìng 2-1. Xét quĩ đạo chuyển động của một hạt bùn cát M trong dòng chảy ở thời điểm bất kỳ nào đó tại tiết diện 1-1. Hạt M tham gia đồng thời hai chuyển động :

* Chuyển động theo dòng chảy theo phương ngang với vận tốc trung bình :

trong đó: c - số khoang công tác của bể lắng cát; B - chiều rộng công tác của mỗi khoang bể; ho- độ sâu công tác của bể tại tiết diện đang xét; Q- lưu lượng chảy qua bể lắng cát.

- Chuyển động tương đối theo phương thẳng đứng dưới tác động cửa trọng lực với vận tốc W bằng vận tốc lắng chìm của hạt trong nước đứng yên (W còn được gọi là độ thô thuỷ lực).

Tổng hợp hai chuyển động này sẽ được chuyển động tuyệt đối của hạt bùn cát. Như vậy, nếu xem vận tốc dòng chảy phân bố đều theo chiều sâu dòng chảy và không xét tới ảnh hưởng của dòng chảy rối thì quĩ đạo chuyển động của hạt bùn cát M sẽ là đường thẳng xiên góc với mặt phẳng ngang. Thực tế vận tốc dòng chảy phân bố không đều theo chiều sâu, vận tốc ở đáy và ở mặt nhỏ hơn ở vùng giữa theo chiều sâu, do đó quĩ đạo chuyển động của các hạt sẽ là đường cong và vận tốc dòng chảy V càng lớn  thì đường cong này càng thoải, chiều dài l cần thiết để hạt lắng đọng trong bể càng  lớn. Ngược lại, khi vận tốc dòng chảy trong bể là cố định thì hạt có kích thước lớn  (W lớn) sẽ có chiều dài lắng đọng l ngắn hơn khi chúng có cùng độ cao so với đáy bể.

Độ rối của dòng chảy trong bể lắng cát cũng có ảnh hượng đến quá trình lắng đọng của các hạt bùn cát. Trong dòng chảy rối một bộ phận nhỏ của nước chuyển động theo các phương tự do gây nên mạch động lưu tốc theo các phương khác nhau làm biến đổi hướng cũng như độ lớn của vận tốc chuyển động của các hạt bùn cát so với trường hợp không chảy rối. Vì vậy mà quĩ đạo chuyển động của các hạt cũng thay đổi và chúng không còn là đường cong đều mà là những đường cong dích dắc. Đối với quá trình lắng đọng bùn cát trong bể thì mạch động lưu tốc theo phương thẳng đứng là bất lợi nhất. Chúng làm giảm tốc độ lắng chìm của các hạt, tăng chiều dài lắng đọng l và do đó tăng chiều dài công tác lk của bể. 

Độ rối của dòng chảy phụ thuộc nhiều yếu tố trong đó có sự phân bố lưu tốc không đều theo chiều ngang cũng như chiều sâu, vì vậy khi thiết kế bể lắng cát phải tránh khả năng xuất hiện dòng xoáy trong bể làm tăng mạch động lưu tốc. Để làm điều đó người ta thường dùng các tường hướng dòng.

Sự phân bố bùn cát trong bể lắng cát. Theo chiều sâu của dòng chảy hàm lượng bùn cát phân bố không như nhau, phần lớn chúng nằm ở các lớp sát đáy, thành phần hạt cũng thay đổi theo chiều sâu, độ lớn của hạt (W) tăng dần từ mặt nước tới đáy. Do đó phần lớn bùn cát trong đó có các thành phần hạt nguy hiểm đều nằm ở các lớp đáy và lớp giữa theo chiều sâu dòng chảy nên chiều dài lắng chìm của đại bộ phận các hạt có kích thước lớn sẽ ngắn hơn. Dọc theo dòng chảy trong bể hàm lượng bùn cát lơ lửng giảm dần và do đó độ đục của dòng chảy cũng giảm.  Phần bùn cát không kịp lắng đọng trong bể ở trạng thái lơ lửng sẽ chảy qua bể lắng cát vào các bộ phận công trình dẫn nước sau nó và vào turbin. Lượng bùn cát không lắng đọng này, trong đó có cả các thành phần hạt nguy hiểm đối với turbin cần phải tính toán khi thiết kế bể lắng cát.

c, Cửa ra của bể lắng cát bao gồm:

- Ngưỡng cửa ra với các cửa van (13, 14, 15) và các lỗ tháo (10) và hành lang tháo cát (11, 12) đặt trong nó để đảm bảo cho hoạt động bình thường của công trình .

- Đoạn nối tiếp sau bể lắng cát và kênh dẫn

1.2 CÁC LOẠI BỂ LẮNG CÁT

Bể lắng cát thường được phân loại theo đặc tính làm việc (Định kỳ hoặc liên tục), biện pháp tháo rửa bùn cát lắng đọng trong chúng (thuỷ lực, cơ giới hoặc hỗn hợp) và theo số khoang của bể (một khoang và nhiều khoang).

1.2.1 Bể lắng cát với các khoang xói rửa định kỳ 

Với bể lắng cát loại này, khi thể tích chết với độ sâu hc của bể bị bùn cát từ từ  lắng đầy đến một mức mà khi đó vận tốc dòng chảy vượt quá trị số có thể mang các hạt nguy hiểm vào công trình dẫn nước thì chúng sẽ được tháo ra khỏi bể bằng các biện pháp thuỷ lực, cơ khí hoặc kết hợp cơ khí và thuỷ lực. Trong quá trình tháo rửa bùn cát lắng đọng, khoang bể được đóng lại không cho nước chảy qua. Việc tháo rửa các khoang tuần tự theo mức độ lắng đọng của bùn cát, vì vậy bể loại này cần phải có nhiều khoang, thông thường từ 2 ¸ 6 khoang.

Hình 2-2. Sơ đồ bể lắng cát TTĐ

a-bể lắng cát nhiều khoang, tháo rửa định kỳ; b- bể lắng cát một khoang tháo rửa liên tục bằng thuỷ lực; c- cắt ngang bể lắng cát hai khoang tháo rửa liên tục; d- cắt ngang bể lắng cát với các khoang tháo mở rộng; e- cắt ngang bể lắng cát tháo rửa liên tục qua các hành lang dọc có lỗ xả ở đáy; f- cắt ngang bể lắng cát một khoang tháo rửa liên tục bằng máy hút bùn; g- bể lắng cát tháo định kỳ bằng phương pháp kết hợp; 1- ngưỡng vào; 2- ngưỡng ra; 3- thân bể; 4- dung tích chết; 5-hành lang tháo cát; 6- hành lang tháo cát tập trung; 7- lưới chắn rác; 8- máy hút bùn; 9,10- máng tháo cát; 11-,12 cửa van; 13- khoang công tác; 14 - giếng tập trung; 15- máy bơm.

Phương pháp tháo cát khỏi bể lắng cát với các khoang tháo rửa định kỳ bằng thuỷ lực được tiến hành theo các bước sau (hình 2-1): Đầu tiên đóng các cửa van 14,15; tiếp theo mở cửa van lỗ xả 13 để tháo cạn nước trong bể; sau đó nâng cửa van ngưỡng vào 14 lên một ít cho nước chảy dưới đáy tạo nên dòng chảy xiết để cuốn bùn cát vào các hành lang 10,11 và kênh tháo xuống hạ lưu 12.

Để tăng hiệu quả xói rửa người ta làm đáy bể hơi dốc về phía lỗ xả cát (i=0,01¸ 0,05) hoặc trong bể có chiều rộng lớn người ta làm các tường gân dọc với đỉnh cao hơn mức cao nhất của bùn cát một ít để khi tháo tạo nên vận tốc lớn.

Thông thường các hành lang xả cát được bố trí trong ngưỡng cửa ra của bể lắng cát, nhưng trong một số trường hợp vẫn có thể bố trí chúng ở trong ngưỡng cửa vào.

1.2.2 Bể lắng cát với các khoang xói rửa liên tục

Trong bể lắng cát loại này bùn cát lắng đọng được xả ra khỏi bể không cần phải tách khoang bể khỏi quá trình làm việc của hệ thống, do đó nó có thể có cấu tạo với một khoang hoặc nhiều khoang.

Bể lắng cát với các khoang tháo rửa liên tục bằng thuỷ lực được ứng dụng rộng rãi ở các TTĐ. Trên các hình 2-2 b,c thể hiện các bể lắng cát loại này. Dọc theo đáy  bể giữa mỗi khoang người ta bố trí một hành lang tập trung cát tiết diện nhỏ, phía trên có lưới chắn với các thanh đặt theo phương ngang. Cát lắng đọng sẽ qua lưới chắn vào hành lang tập trung chảy có áp với lưu lượng tăng dần và qua hành lang xả nằm trong ngưỡng cửa ra chảy trở lại sông.

Việc tăng chiều rộng các khoang sẽ có lợi về mặt kinh tế do giảm được số lượng tường ngăn nhưng sẽ làm cho lưu tốc dòng chảy phân bố không đều, có thể tạo nên dòng chảy xoáy làm tăng mạch động lưu tốc.

Đôi khi ở đáy bể người ta bố trí các lườn dọc phía dưới là hành lang tập trung cát (hình 2-2e). Bùn cát sẽ theo các khe hở dọc theo lườn chảy vào hành lang tập trung và chảy ra ngoài. Nhược điểm của loại này là hành lang xả cát dễ bị tắc khi trong mùa kiệt nước nó thường vận hành theo nguyên tắc tháo rửa định kỳ để tiết kiệm nước.

Sử dụng phương pháp cơ giới với máy hút bùn để tháo rửa liên tục bể lắng cát được thể hiện trên hình 2-2f với máy bơm di động đặt trên hệ thống khung hoặc trên phao có ưu điểm là không cần có hành lang xả cát và cửa van, đồng thời cấu tạo bể đơn giản với đáy và thành có thể mỏng và dưới dạng đoạn kênh mở rộng.

Phương pháp tháo rửa kết hợp cơ khí và thuỷ lực được thể hiện trên hình 2-2i. Với phương pháp này bùn cát tập trung vào giếng rồi dùng máy bơm bơm xuống hạ lưu sông.

1.3 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA BỂ LẮNG CÁT

Các kích thước cơ bản của bể lắng cát là chiều rộng, chiều sâu và chiều dài phần công tác của nó, tức là phần lắng của bể. Các bộ phận khác được xác định trên cơ sở các kích thước cơ bản này.

1.3.1. Chiều rộng và chiều sâu của bể lắng cát

Chiều rộng và chiều sâu của bể lắng cát được xác định từ công thức (2-1) với mặt cắt ướt tính toán:

ở đây: ck - số khoang công tác của bể lắng cát; B - chiều rộng công tác của mỗi khoang bể; ho- độ sâu tính toán của bể tại tiết diện đang xét; Q- lưu lượng của TTĐ; V- vận tốc trung bình trong bể theo phương ngang, thông thường lấy trong khoảng 0,2¸ 0,5 m/s.

Độ sâu tính toán ho có lợi nhất phải trên cơ sở tính toán so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án vì nó phụ thuộc vào chiều rộng B, số khoang công tác c và chiều dài công tác lk của bể. Khi giảm độ sâu ho chiều dài công tác của bể sẽ ngắn lại và số khoang có thể tăng lên hoặc chiều rộng mỗi khoang tăng lên. Vì vậy phương án tối ưu được chọn là phương án tối ưu cho toàn bộ các kích thước tính toán của bể. Để làm điều đó giả thiết một số phương án độ sâu công tác ho , tính toán xác định chiều rộng, chiều dài và số khoang của bể sau đó tính toán khối lượng công trình và so sánh chọn phương án lợi nhất. Độ sâu công tác lợi nhất thông thường vào khoảng 3 ¸ 3,5 m và trong trường hợp lưu lượng lớn có thể lấy đến 6 ¸ 8m.

Với bể lắng cát tháo rửa định kỳ cần phải có dung tích chết với độ sâu  hc để  chứa đựng bùn cát lắng đọng. Dung tích này phải đủ để chứa bùn cát lắng đọng trong thời gian cho phép xét theo điều kiện vận hành có lợi. Khi thiết kế sơ bộ người ta lấy hc vào khoảng 20 ¸ 25% chiều sâu toàn bộ của nước trong bể sau đó tính toán hiệu chỉnh lại theo thời gian lắng đầy dung tích chết của bể.

Đối với bể lắng cát tháo rửa liên tục không có dung tích chết, chính vì vậy độ sâu công tác ho cũng là độ sâu toàn bộ của bể.

1.3.2. Xác định chiều dài phần công tác l_k của bể lắng cát tháo rửa định kỳ

a, Theo trị số trung bình của lưu tốc và mạch động .

Chiều dài công tác của bể lắng cát được xác định sao cho các hạt cát nhỏ nhất nhưng vẫn còn nguy hiểm đối với turbin được lắng đọng hết trong bể. Với điều kiện  đó thì chiều dài bể phải đủ để cho các hạt này nằm sát mặt nước tại tiết diện đầu phần công tác của bể kịp lắng trong phạm vi chiều dài công tác lk. Đối với bể lắng cát tháo rửa định kỳ để tính toán người ta xem như phần dung tích chết đã được bùn cát lấp đầy. Với giả thiết như vậy thì thời gian lắng chìm từ mặt nước xuống đáy bể của hạt bùn cát với độ thô thuỷ lực W nếu không xét đến độ rối của dòng chảyhờsẽ bẳng

Nhưng thực tế dòng chảy trong bể lắng cát là dòng rối làm chậm quá trình lắng chìm của bùn cát và do đó làm tăng chiều dài lắng chìm trong bể. Vì vậy để tính đến ảnh hưởng của độ rối dòng chảy do mạch động lưu tốc người ta đưa thêm vào công thức (2-2) một hệ số hiệu chỉnh k > 1, khi đó :

Công thức (2-4) sử dụng các trị số trung bình của lưu tốc và mạch động cho toàn bộ dòng chảy, chưa xét tới sự phân bố không đều của lưu tốc dòng chảy và mạch động của nó theo chiều sâu. Để khắc phục tồn tại này F.F. Gubin đề nghị chia dòng chảy trong bể thành nhiều lớp theo chiều sâu, mỗi lớp 1.0 m và với V, n tương ứng cho  từng lớp theo (2-4) tính Äl_k rồi cộng lại.

Tồn tại chung của phương pháp I.B. Egiazarov là khi V/n » W thì l_k ® µ, để tránh điều này vận tốc V trong bể phải chọn rất nhỏ.

b, Theo lý thuyết xác suất.

Quá trình lắng đọng của các hạt bùn cát chịu tác động của mạch động lưu tốc, mà mạch động lưu tốc như chúng ta đã biết mang tính chất ngẫu nhiên. Các hạt bùn cát có cùng độ thô thuỷ lực W cùng nằm ở độ sâu như nhau trong tiết diện đầu của bể lắng cát dưới tác động của mạch động lưu tốc sẽ có chiều dài lắng đọng khác nhau và sự phân bố của chúng trong đáy bể là ngẫu nhiên. Chính vì vậy khi xác định chiều dài công tác của bể lắng cát có thể sử dụng các phương pháp trên cơ sở của lý thuyết xác suất.

Hình 2-3. Sơ đồ xác định chiều dài bể lắng cát theo phương pháp lý thuyết xác suất.

Người đầu tiên đưa ra phương pháp tính toán bể lắng cát trên nguyên lý này là

M.A. Velikanov (1936). Nghiên cứu chuyển động của các hạt bùn cát có khối lượng riêng r =1, tức là bằng khối lượng riêng của nước, cho thấy rằng các hạt bùn cát có cùng độ sâu h như nhau ở tiết diện đầu 1-1 của dòng chảy tại điểm A (hình 2-3a), khi di chuyển đến tiết diện 2-2 dưới tác động của mạch động lưu tốc quĩ đạo của chúng lệch với đường nằm ngang một khoảng cách x khác nhau và độ lệch này tuân theo qui luật phân bố xác suất Gaus. Trên cơ sở đó và để dơn giản tính toán  M.A. Velikanov  và A.P. Nergda đưa ra phương pháp tính toán bể lắng cát với giả thiết các hạt bùn cát ở tiết diện đầu của bể phân bố đều theo chiều sâu. Từ kết quả tính toán đưa ra kết luận: chiều dài bể lắng cát tăng rất nhanh khi mức bảo đảm lắng đọng của bùn cát lớn hơn 85 ¸ 90% và kiến nghị bể lắng cát nên thiết kế với mức bảo đảm 75 ¸ 90%. Điều này không phù hợp vì trong nhiều trường hợp với mức đảm bảo lắng đọng này, số lượng hạt cát nguy hiểm vẫn có thể bào mòn turbin một cách đáng kể.

Khắc phục các tồn tại của phương pháp trên I.E. Mikhailov đã đề xuất phương pháp tính toán bể lắng cát dựa trên lý thuyết xác suất và bản chất thực tế của quá trình lắng đọng bùn cát. Với phương pháp này khi biết trước qui luật phân bố hạt bùn cát ở đáy bể lắng cát có thể xác định tương đối chính xác chiều dài công tác của bể với mức bảo đảm tính toán cho trước. Nội dung và cơ sở lý luận của phương pháp được trình bày sau đây.

Trong dòng chảy rối, các hạt đồng chất có cùng độ thô thuỷ lực W chảy qua tiết diện đầu của bể lắng cát với cùng độ sâu h, chúng sẽ lắng chìm xuống đáy bể không cùng một điểm mà sau các khoảng cách khác nhau. Giả thiết các hạt đồng chất đó chảy qua điểm A (hình 2-3b) của tiết diện đầu bể ở độ sâu h so với đáy, chúng sẽ lắng chìm xuống đáy xung quanh điểm B cách tiết diện đầu một khoảng a = hV/W, tức là bằng chiều dài lắng đọng của chúng trong dòng chảy tầng. Các thực nghiệm cho thấy, qui luật phân bố của chúng theo qui luật phân bố xác suất thông thường, và độ đậm  đặc của chúng có thể biểu diện bằng công thức:

trong đó: (x-a) và s - tương ứng là độ lệch và độ lệch sai phương trung bình của các hạt cách điểm B.

Như vậy, mức bảo đảm lắng đọng P_w của các hạt bùn cát có độ thô thuỷ lực W trong khoảng chiều dài x sẽ là:

Và mức bảo đảm lắng đọng  P_w của các hạt bùn cát có độ thô thuỷ lực W trong  bể lắng cát với chiều dài l sẽ là:

Trình tự các bước tính toán theo phương pháp lý thuyết xác suất.

- Các số liệu cho trước: Lưu lượng của bể lắng cát Q; độ sâu công tác của bể ho , độ đục r [kg/m³] của dòng chảy, thành phần hạt bùn cát lơ lửng và phân bố chúng theo chiều sâu dòng chảy, kích thước nhỏ nhất của hạt nguy hiểm.

- Xác định độ thô thuỷ lực Wi của các loại hạt nguy hiểm theo đồ thị hình 2-5b hoặc theo các công thức kinh nghiệm trong các sổ tay thuỷ lực.

- Xác định mức đảm bảo thiết kế đối với bể lắng cát:

trong đó: år_i - độ đục tổng cộng của tất cả các thành phần hạt nguy hiểm; r_{TK -} độ đục cho phép của các thành phần hạt nguy hiểm đối với turbin.

- Chia độ sâu công tác ho của tiết diện đầu ra các lớp nước đều nhau với chiều sâu tính đến đáy (ví dụ : 10 lớp với Äh = 0,1h_o): h₁ = h_o, h₂ = 0,9h_o, ..., h₁₀= 0,1h_o và xác định lưu lượng Go[kg/s] từng loại hạt nguy hiểm chảy qua trong từng lớp tương ứng với sự phân bố của chúng như ví dụ trên hình 2-6a.(Các chỉ số i - thứ tự loại hạt nguy hiểm theo kích thước, j- số thứ tự lớp nước tính toán).

- Giả thiết vận tốc dòng chảy trong bể V và chiều dài công tác l của bể với tỷ số l/h_o = 5 ¸Tính các giá trị l/a_i = l.W_i /(h_j.V) cho từng loại hạt và từng lớp. Tương ứng với nó theo đồ thị hình 2-4 xác định mức bảo đảm lắng đọng P_ij và lưu lượng bùn cát lắng đọng tương ứng GL.

- Tính mức đảm bảo lắng đọng tổng cộng của bể lắng cát tương ứng với V và l giả thiết :

Hình 2-5. Đồ thị để tính kích thước bể lắng cát.

a- Qui luật phân bố hàm lượng bùn cát nguy hiểm; b- quan hệ độ thô thuỷ lực và đường kính hạt bùn cát ; c- quan hệ giữa mức bảo đảm lắng đọng bùn cát trong bể và chiều dài tương đối l/ho ; d- quan hệ giữa chiều dài tương đối và vận tốc dòng chảy trong bể. 

Kết quả tính toán được tập hợp dưới dạng bảng 2-1.

Tương tự như vậy với giả thiết chiều dài bể l/h_o thay đổi ta có thể xây dựng đường quan hệ P_l = f(l/h_o) hình 2-5c và với PTK xác định được tỷ số lk/ho và do đó xác định được chiều dài bể lắng cát với V giả thiết.

Chiều dài tính toán của bể lắng cát phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trong bể, vì vậy để làm cơ sở xác định l_k tối ưu cần tính toán với nhiều giá trị vận tốc V và lập quan hệ l_k/h_o = f(V) hình 2-5d. 

Bảng 2-1. Tính toán lượng bùn cát nguy hiểm lắng đọng trong BLC l/h_o =...., V=......m/s

P_l =

1.3.3. Xác định chiều dài phần công tác lk của bể lắng cát tháo rửa liên tục

Khác với bể lắng cát tháo rửa định kỳ, lưu lượng dòng chảy qua tiết diện đầu của phần công tác của bể lắng cát tháo rửa liên tục bao gồm lưu lượng qua turbin  Q và  lưu lượng tháo rửa Q_R . Phần lưu lượng Q_R này phân bố đều dọc theo đường hầm tháo rửa nằm dưới đáy bể do đó vận tốc theo phương ngang trong bể lắng cát giảm dần,  mặt khác lưu lượng tháo rửa này làm tăng thêm thành phần vận tốc theo phương đứng. Thành phần vận tốc theo phương đứng tăng dần từ mặt nước đến đáy bể.

Phương pháp tính toán chiều dài bể loại này không có gì khác với các phương pháp đã trình bày trên cho bể tháo rửa định kỳ. Để tính tới sự ảnh hưởng của các yếu  tố kể trên, thực tế cho thấy kết quả tương đối chính xác nếu thay vận tốc theo phương ngang bằng vận tốc trung bình:

trong đó: V_o- vận tốc trung bình theo phương ngang tại tiết diện đầu; V_c - vận tốc  trung bình theo phương ngang tại tiết diện cuối phần công tác của bể.

Thành phần vận tốc theo phương đứng do lưu lượng chảy vào hành lang tháo rửa dưới đáy bể làm tăng tốc độ lắng chìm của các hạt bùn cát. Vì vậy khi tính toán thay độ thô thuỷ lực W trong các biểu thức trên bằng W’ = W + V_R.tb (V_R.tb - thành phần vận tốc trung bình theo phương thẳng đứng).

trong đó : hệ số k = 0,8 ¸ 0,9 tính đến một phần lưu lượng Q_R chảy vào hầm tháo phía trước mặt cắt đầu phần tính toán trong phạm vi đoạn chuyển tiếp (hình 2-2b); W_min - độ thô thuỷ lực của hạt nguy hiểm nhỏ nhất; B_tb = F/h_o - chiều rộng trung bình  của  mặt cắt ướt của bể.

1.3.4. Lựa chọn số khoang của bể lắng cát

Để thoả mãn điều kiện vận tốc dòng chảy phân bố đều theo chiều rộng của bể lắng cát thì chiều rộng mỗi khoang công tác phải bảo đảm:

Trong đó : Q- lưu lượng chung của bể lắng cát.

Đối với bể lắng cát tháo rửa định kỳ, người ta thường làm thêm một khoang phụ để khi tháo rửa không ảnh hưởng đến điều kiện vận hành của TTD và quá trình lắng đọng bùn cát trong thời gian này. Khi tiến hành tháo rửa, khoang được tháo rửa tạm thời dừng làm việc. Vì vậy tổng số khoang của bể lắng cát sẽ là : c = c_k +1. Nếu  lấy  số khoang bằng số khoang công tác, khi tháo rửa các khoang khác phải làm việc với lưu tốc lớn hơn và do đó không đảm bảo điều kiện lắng đọng bùn cát trong thời gian này.

Đối với bể lắng cát tháo rửa liên tục số khoang của bể lấy đúng bằng số khoang công tác.

Với kích thước công tác chung của bể cho trước (h_o, SB, l_k), nếu tăng số khoang bể khối lượng công trình sẽ tăng và do đó tăng giá thành xây dựng.  Số  khoang của bể lắng cát liên quan đến vận tốc dòng chảy trong nó. Thực tế tính toán cho thấy, với bể lắng cát tháo rửa liên tục khi ho cho trước khối lượng công trình sẽ nhỏ khi vận tốc trong nó và chiều dài bể lớn và thường chọn c = 1 ¸ 3. Còn đối với bể lắng cát tháo rửa định kỳ, kích thước tối ưu tương ứng với vận tốc dòng chảy trong nó nhỏ và số khoang thường chọn lớn hơn (c = 3 ¸ 4 hoặc lớn hơn).

1.4 XÁC ĐỊNH THỜI GIAN LẮNG ĐẦY DUNG TÍCH CHẾT VÀ THÁO RỬA BỂ LẮNG CÁT

1.4.1. Thời gian lắng đầy dung tích chết

Đối với bể lắng cát tháo rửa định kỳ thì việc xác định thời gian lắng đầy dung  tích chết và thời gian tháo rửa nó rất quan trọng vì nó xác định chu kỳ tháo rửa, chính xác hoá dung tích chết và việc lựa chọn số khoang công tác của bể. Khi tính toán thời gian lắng đầy dung tích chết cần phải tính không chỉ lượng bùn cát có kích thước nguy hiểm mà toàn bộ lượng bùn cát có thể lắng đọng trong nó. Thực tế cho thấy cần phải tính toán với các loại hạt có đường kính d ³ 0,05 mm.

Thời gian lấp đầy toàn bộ các khoang công tác của bể tính theo công thức:

trong đó: W_c - tổng dung tích chết của các khoang công tác (m³); G_L - tổng lượng bùn cát lắng đọng trong bể trong thời gian 1 giây bao gồm các hạt nguy hiểm và các hạt nhỏ có đường kính d > 0,05 mm (kg/s); r_c - khối lượng riêng của bùn cát lắng đọng trong bể, r_c = 1,6 T/m³.

Thời gian lắng đầy bể lắng cát phải thoả mãn điều kiện tháo rửa nó:

T_L >   c_k T_th                                       (2-12)

trong đó : T_th - thơì gian thực hiện tháo rửa mỗi khoang bể.

Lượng các hạt bùn cát nguy hiểm lắng đọng trong bể được xác định tương ứng với mức bảo đảm thiết kế:

GL.ng = PTK Go.ng

trong đó: G_o.ng - tổng lượng các hạt nguy hiểm chảy vào bể lắng cát trong 1 giây (kg/s).

Lượng bùn cát hạt nhỏ, không nguy hiểm với d_ng >d > 0,05 mm (d_ng - đường  kính hạt

nguy hiểm nhỏ nhất ) lắng đọng trong bể lắng cát được tính tương tự như khi tính toán xác định chiều dài công tác của bể ( xem bảng 2-1) nhưng ở đây độ thô thuỷ lực W của các loại hạt không tính cho hạt bé nhất của nhóm hạt mà tính với giá trị trung bình, còn sự phân bố của chúng theo chiều sâu được xem là đều nhau. Còn vận tốc V trong bể tương ứng với kích thước bể (l_k/h_o) đã được chọn.

1.4.2. Thời gian tháo rửa bể lắng cát

Thời gian tháo rửa mỗi khoang của bể lắng cát tháo rửa định kỳ T_th là tổng thời gian của tất cả các thao tác kể từ lúc bắt đầu đưa bể vào chế độ tháo rửa cho đến khi đưa nó trở lại hoạt động bình thường bao gồm : tháo bùn cát lắng đọng T_tc, thời gian thao tác đóng mở các của van, thời gian tháo cạn nước khỏi bể, thời gian cho nước trở lại bể và thời gian đưa bể trở lại hoạt động. Thời gian tháo bùn cát T_tc được xác định bằng tính toán sẽ trình bày sau đây, còn tổng thời gian thực hiện tháo rửa mỗi khoang thông thường có thể lấy bằng:

T_th =  (1,5 ¸ 2,0) T_tc                                                  (2-13)

và phải thoả mãm điều kiện (2-12)

Với kích thước và dung tích chết W_c khoang bể đã biết, giả thiết lưu lượng tính toán dùng cho việc tháo rửa Q_th ( thường nên lấy không quá 30 ¸ 40% lưu lượng toàn bộ bể lắng cát và không quá lưu lượng công tác của một khoang) tiến hành tính toán xác định T_tc theo tuần tự sau:

- Lưu lượng tháo đơn vị:

trong đó: B_th - chiều rộng phần tháo cát của khoang bể.

- Chiều sâu dòng tháo cát:

  Hình 2-6. Sơ đồ tháo rửa bê lắng cát.

a- tháo rửa định kỳ, b- tháo rửa liên tục.

trong đó: hệ số 1,2 - là hệ số an toàn, các ký hiệu khác xem công thức trên.

Nếu T_th tính theo (2-13) không thoả mãn điều kiện (2-12) thì có thể tăng độ dốc dáy bể io hoặc tăng Q_th (nếu có thể được) và tiến hành tính toán lại.

1.4.3. Kiểm tra điều kiện tháo rửa

a, Bể lắng cát tháo rửa định kỳ:

Các bộ phận tháo rửa bùn cát của bể lắng cát tháo rửa định kỳ thường làm việc ở chế độ không áp. Vì vậy mực nước ở tiết diện cuối của bộ phận tháo rửa cuối cùng không được thấp hơn mực nước sông khi xả với lưu lượng lũ thiết kế. Để thoả mãn  yêu cầu đó độ chênh mực nước thượng và hạ lưu của bể lắng cát Z= ÑTL - ÑHL (hình 2-6a) phải thoả mãn điều kiện:

h_o + h_c + i_ol_k £ Z + h_th - Sh_w                                                                                                                       (2-19)

trong đó: Sh_w - tổng tổn thất trong các bộ phận tháo rửa.

b, Bể lắng cát tháo rửa liên tục . (hình 2-6b) phải tháo mãn điều kiện chênh lệch mực nước trước và sau bể lắng cát phỉa lớn hơn tổng tổn thất thuỷ lực qua các bộ phận tháo rửa kể cả tổn thất cửa vào:

Z ³  hc.vào +  hlưới + ht.trung + hxả                           (2-20)

trong đó: h_c.vào + h_lưới+h_t.trung+h_xả - tương ứng là các tổn thất của vào, trên lưới chắn rác, trong hành lang tập trung cát và trong hành lang xả cát.

So sánh (2-19) và (2-20) ta thấy rằng bể lắng cát tháo rửa định kỳ đòi hỏi có độ

chênh mực nước trước và sau bể lớn hơn bể tháo rửa liên tục.

Sưu tầm và biên soạn bởi: Valve Men Team