عرض تجريف مضخة EDDY في خزان Cresta

بقلم لاري إل هاريسون 1 ، عضو ASCE وهاري بي وينريب

تم إجراء اختبار توضيحي لتقنية تجريف الملاط الجديدة الصديقة للبيئة باستخدام “مضخة EDDY” ، وهي مضخة ملاط دوامة حاصلة على براءة اختراع ، في عام 1994 في Cresta Reservoir في شمال كاليفورنيا للتحقق من قدرات أدائها ولتحديد الآثار البيئية المحتملة للتجريف المقترح. تراكم الخزان ، الواقع على نهر نورث فورك فيذر في مقاطعة بلوماس ، ما يقرب من 2.3 مليون متر مكعب من الرواسب ، مما يملأ نصف طاقته الإجمالية تقريبًا منذ وضعه في الخدمة في عام 1949. تعرض الرواسب التشغيل الموثوق به للسد و 70.000 كيلوواط Cresta Powerhouse للخطر من خلال إعاقة منافذ الخزان ، وقد أجرى المالك عددًا من الدراسات الشاملة التي تبحث في بدائل إدارة الرواسب للخزان منذ منتصف الثمانينيات.

بالنسبة لمظاهرة EDDY Pump ، تم تجريف ما يقرب من 7833 مترًا مكعبًا من رواسب الرواسب الرملية بالقرب من سد Cresta وإعادتها إلى قاع الخزان 600 متر أعلى المنبع. تمت مراقبة العكارة ، والمواد الصلبة العالقة ، والأكسجين المذاب ، والتدفق ، وكثافة الملاط ، ومعدل الإنتاج. تم استنتاج أن أداء الحفارة تجاوز مواصفات الإنتاج الخاصة بالشركة المصنعة وتمتثل بسهولة لمعايير جودة المياه المقيدة. تم الحفاظ على كثافات الطين التي تزيد عن 70 في المائة من المواد الصلبة من حيث الوزن ، بينما تم تحقيق قمم تزيد عن 90 في المائة. لوحظت معدلات إنتاج تزيد عن 230 متر مكعب في الساعة. كان الحد الأقصى للتعكر لعمود التفريغ 12 وحدة تعكر نيفيلومترية (NTU) فوق المحيط.

خلفية

مشروع 2017 – مشروع نظام قفل القناة. تم استخدام مضخة التجريف المعلقة بالكابلات مقاس 8 بوصات لإزالة الرمال لمشروع التوسعة هذا.

منذ عام 1984 ، قام مالك Cresta Reservoir بتقييم عدد من الطرق لمعالجة مشاكل الرواسب هناك. وفي خزان روك كريك المماثل الموجود في المنبع. تم النظر في عمليات تجريف الصدفة والشفط الهيدروليكي مع التخلص من الرواسب عن طريق الشاحنات أو السكك الحديدية أو خطوط أنابيب الملاط إلى مواقع دفن النفايات البعيدة. كل هذه الخيارات تنطوي على تأثيرات بيئية محتملة يمكن أن تؤثر سلبًا على البيئة المائية والبرية التي تهم الهيئات التنظيمية. تدعو خطة المالك الحالية إلى تجريف محدود في السدود يتبعه مرور محكم للرواسب في اتجاه مجرى النهر أثناء تدفقات الفيضانات. بالنسبة لتجريف الإنتاج ، اقترح مجلس مراقبة جودة المياه الإقليمي (RWQCB) الحد الأعلى للعكارة عند 25 NTU فوق مستوى الخلفية ومحدودية إجمالي المواد الصلبة المعلقة (TSS) إلى 80 مجم / 1 بغض النظر عن مستوى الخلفية. المالك ، الذي يشعر بالقلق من أن معدات التجريف التقليدية لن تكون قادرة على تلبية هذه المعايير التقييدية ، حدد تقنية تجريف مضخة EDDY كبديل قد يلبي المعايير البيئية ويجرف كميات كبيرة من الرواسب اقتصاديًا. (هان إيسون ، 1995)

مضخة EDDY الجديدة عبارة عن آلة بسيطة جسديًا تكذب تصميمها الهيدروديناميكي المتقدم وأدائها. تتكون المضخة من دوار في حلزوني مع فوهة شفط ومنفذ تفريغ. مضخات خدمة التجريف مصنوعة من سبائك فولاذية عالية القوة ومقاومة للتآكل. الأجزاء المتحركة الوحيدة هي الدوار وعموده. يمكن تطبيق الطاقة الدورانية بواسطة محركات كهربائية أو هيدروليكية ، أو بواسطة أعمدة ميكانيكية من الديزل أو محركات أخرى. تتراوح سرعات التشغيل النموذجية بين 1000 إلى 2000 دورة في الدقيقة. يضفي الدوار ، الموجود داخل اللولب المقابل لفوهة الشفط ، الدوران لعمود الماء في الأنبوب الحلزوني وأنبوب الشفط ، مما يخلق دوامة تسحب الماء وتتجمد كثيرًا بنفس الطريقة التي يرفع بها الإعصار الأشياء. تعمل الدوامة عالية الطاقة أيضًا على تفكيك الرواسب أو المواد الصلبة الأخرى ، مما يسمح لها بالتدفق في التدفق. تسمح هذه الميزة بتكوين الملاط بتركيزات عالية جدًا من المواد الصلبة دون الحاجة إلى نفاثات مائية أو رؤوس قاطعة. يكون الدوار خارج تيار التدفق بحيث يمكن أن يمر الحصى وحتى الحصى بسهولة عبر المضخة ويتم تفريغه دون التأثير على الدوار. تقوم المضخة أيضًا بتمرير الخرق والنباتات والحطام الخشبي الذي من شأنه أن يعيق أنواعًا أخرى من المضخات. يتم تصنيع المضخات حسب الطلب من قبل شركة EDDY Pump Corporation بأحجام (قطر التفريغ) من 0 .1 0 متر إلى 0.36 متر لمجموعة متنوعة من التطبيقات بالإضافة إلى التجريف.

وعدت تقنية EDDY Pump الجديدة بما يلي: 1) القليل من التعكر أو عدم وجود عكارة أو تعليق عند شفط النعرات ، 2) القدرة على الجرف إلى العمق الكامل للخزانات ، 3) القدرة على التعامل مع مجموعة واسعة من المواد من الطين إلى الحصى والحطام العضوي ، 4) القدرة على نقل الرواسب في صورة ملاط عالي الكثافة ، والحد الأدنى من النفايات السائلة التي يجب معالجتها في موقع التخلص. بالإضافة إلى ذلك ، تشير الكثافة العالية للملاط إلى جدوى ترسيب الملاط تحت الماء دون الإفراط في إعادة التعليق ، مع إمكانية توفير ملايين الدولارات لمالك الخزان مقارنة بالتخلص من المكب.

للتحقق من جدوى تجريف مضخة EDDY وترسيب الخزان ، أبرم المالك اتفاقية مع “PB-MK Consultants and Engineers” ، إحدى الشركات التابعة لشركة EDDY Pump Corporation ، لإجراء دراسة المشروع. عرض توضيحي واسع النطاق للتكنولوجيا في Cresta Reservoir. دعا العرض إلى تجريف حوالي 7646 مترًا مكعبًا بالقرب من السد وإعادة إيداعه في قاع الخزان على ارتفاع 610 مترًا أعلى المنبع. يجب مراقبة المعلمات البيئية للعكارة والمواد الصلبة العالقة والأكسجين المذاب بالإضافة إلى أداء الحفارة. فرض RWQCB نفس القيود التقييدية على جودة المياه للتظاهر كما اقترح لتجريف الإنتاج.

وصف نعرات

تم تصميم وبناء نعرات جديدة ومبتكرة بواسطة PB-MK من أجل العرض التوضيحي. تم إنشاء الجرافة في وحدات للنقل بالشاحنات إلى موقع العمل كأحمال غير مسموح بها. كان هذا مهمًا للوصول إلى Cresta Reservoir نظرًا لأن العديد من أنفاق الطرق السريعة قيدت التصاريح. سمح التصميم المعياري بتجميع الجرافة بكفاءة دون إعادة لحام المكونات الرئيسية. كانت هناك حاجة إلى رافعة لوضع التجمعات الفرعية الرئيسية في الماء بسبب البنوك شديدة الانحدار والمياه الضحلة بالقرب من الشاطئ في منطقة التعبئة ، مما حال دون الانزلاق أو دحرجة التجمعات في الخزان. خلاف ذلك ، كانت المعدات الكبيرة الوحيدة اللازمة للتعبئة هي الرافعة الشوكية.

منصة الصندل الرئيسية للجرافات التي تدعم وحدات كابينة الطاقة والتحكم ، ومنصة الضخ التي تم تعليق مضخة التجريف ومحرك الدفع منها. تم توصيل المنصتين بواسطة ذراع الرافعة مع اتصال محوري في المنصة الرئيسية. كانت مضخة EDDY ذات التفريغ بقطر 0.254 متر مدفوعة بمحرك كهربائي غاطس متغير السرعة 224 كيلو واط هو قلب النظام. تم توفير الطاقة الكهربائية الرئيسية بواسطة مولد ديزل بقدرة 500 كيلووات. تم تحقيق التحكم في سرعة المضخة من خلال تغيير تردد الطاقة باستخدام محرك تردد الحالة الصلبة. تم تركيب مضخة مياه شطف تعمل بالديزل 7.6 متر مكعب / دقيقة على المنصة الرئيسية وتعمل في وضع الاستعداد للحماية من سدادات خطوط الأنابيب في حالة حدوث عطل. تم تشغيل خرطوم تصريف مرن للمضخة ، يبلغ طوله حوالي 60 مترًا ، من منصة المضخة عبر ذراع الرافعة وتحت المنصة الرئيسية على نظام بكرات ، مما يسمح برفع المضخة وخفضها حسب الضرورة. تم إعداد المعدات للتجريف حتى عمق 30 مترًا ، وتم استخدام المحركات الكهربائية لمعظم المعدات التي تعمل بالطاقة لتقليل أي فرصة لانسكاب النفط.

تم تركيب مقياس تدفق من نوع الحث ومقياس كثافة نووي على صندل صغير في نهاية خرطوم التفريغ خلف المنصة الرئيسية لمراقبة التدفق والكثافة. تضمنت الأجهزة الأخرى كاميرا فيديو تحت الماء لمراقبة منطقة شفط التجريف ، وسونار المسح الجانبي ، ومقاييس التعكر المستمرة للقراءة ، وعدادات الطلب على الطاقة ، ومؤشرات الموضع. يقوم جهاز كمبيوتر على متن الطائرة بمساعدة التحكم في النظام بحساب معدل الإنتاج وبيانات الإنتاج وجودة المياه المسجلة

تم تمديد خط أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة بقطر 0.254 متر بطول 550 مترًا مع وصلات ملحومة حراريًا من صندل الأدوات إلى منصة التفريغ. تم ربط العوامات بخط الأنابيب على فترات 4.5 متر. في نهاية خط الأنابيب ، تم تصميم منصة عائمة لتعليق ستارة الرواسب ودعم موزع مشتت داخل الستارة. لمسافة تفريغ 610 أمتار ، لم تكن هناك حاجة لمضخات معززة. إذا لزم الأمر لخطوط الأنابيب الطويلة ، يمكن أن تعمل مضخة EDDY أيضًا كمضخة معززة فعالة.

لسوء الحظ ، أثبت تصميم ستارة رواسب التفريغ عدم نجاحه وتمت إزالة الستارة لمعظم المظاهرة التي أعقبت بدء التشغيل الأولي. ومع ذلك ، ظلت معايير جودة المياه جيدة ضمن متطلبات الوكالة. يعتقد المؤلفون أن تصميم الستائر المحسّن يمكن أن يحقق مستويات أقل من التعكر و TSS وقد يكون ضروريًا للرواسب ذات الحبيبات الدقيقة مما تمت مواجهته في Cresta Reservoir.

عملية نعرات

أثناء التشغيل ، تم وضع المنصة الرئيسية بواسطة خطوط الرافعة عند كل قادم مرتبط بنقاط التثبيت البرية والسد. في المياه المفتوحة ، سيتم استخدام المراسي البحرية. يسمح التحكم في عصا التحكم لرافعات خط المرساة للمشغل بتحريك المنصة الرئيسية في أي اتجاه.

أثناء تثبيت المنصة الرئيسية ، كانت منصة الضخ تتأرجح ببطء حول المفصل المحوري بواسطة أدوات التحكم في الرافعة من خلال قوس يصل إلى 2.1 راديان (120 درجة).

تم رفع المضخة أو خفضها إلى عمق التجريف بواسطة أربعة خطوط ونش ، أحدها متصل بكل قادم من إطار دعم المضخة. من خلال تغيير طول كابلات الحمالة بشكل مستقل ، تم توجيه المضخة وفوهة الشفط بزاوية لتحسين كفاءة الشفط. القدرة على التحكم. يسمح موقف الفوهة وموقعها على المحاور الثلاثة بتجريف المواد بدقة جراحية مقارنة بطرق التجريف الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، تم تركيب المضخة على مرتكز الدوران •. في إطار الدعم الخاص به بحيث يمكن تحريكه ذهابًا وإيابًا بواسطة كبش هوائي في نفس الوقت تم تأرجحه عبر القوس لجرف رقعة بعرض 2.4 متر. بعد كل تأرجح ، تم تغيير موضع الجرافة للتمريرة التالية.

تم تركيب مقياس تدفق من نوع الحث ومقياس كثافة نووي على صندل صغير في نهاية خرطوم التفريغ خلف المنصة الرئيسية لمراقبة التدفق والكثافة. تضمنت الأجهزة الأخرى كاميرا فيديو تحت الماء لمراقبة منطقة شفط النعرات ، وسونار المسح الجانبي ، ومقاييس التعكر المستمرة للقراءة ، وعدادات الطلب على الطاقة ، ومؤشرات الموضع. يقوم جهاز كمبيوتر على متن الطائرة بمساعدة التحكم في النظام بحساب معدل الإنتاج وبيانات الإنتاج وجودة المياه المسجلة

تم تمديد خط أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة بقطر 0.254 متر بطول 550 مترًا مع وصلات ملحومة حراريًا من صندل الأدوات إلى منصة التفريغ. تم ربط العوامات بخط الأنابيب على فترات 4.5 متر. في نهاية خط الأنابيب ، تم تصميم منصة عائمة لتعليق ستارة الرواسب ودعم موزع مشتت داخل الستارة. لمسافة تفريغ 610 أمتار ، لم تكن هناك حاجة لمضخات معززة. إذا لزم الأمر لخطوط الأنابيب الطويلة ، يمكن أن تعمل مضخة EDDY أيضًا كمضخة معززة فعالة.

نتائج مظاهرة

تجاوز الأداء المادي للنعرات التوقعات. تم الحفاظ على كثافات الطين التي تزيد عن 70 في المائة من المواد الصلبة من حيث الوزن ، بينما تم تحقيق قمم تزيد عن 90 في المائة. لوحظت معدلات إنتاج مستدامة تزيد عن 230 متر مكعب في الساعة. في جولة اختبارية واحدة مدتها 6.5 ساعة ، تم حفر ما يقرب من 1681 متر مكعب. كانت المادة التي تم تجريفها في الغالب من الرمل المتوسط إلى الناعم مع aD-50 من 0.5 مم. تم ملاحظة كميات من الأخشاب الطافية الغارقة والحطام العضوي بواسطة كاميرا الفيديو تحت الماء ليتم ضخها عبر النظام دون انسداد. في العديد من الحالات ، لوحظت قطع كبيرة من الخشب وقطع الخرسانة يتم امتصاصها في المضخة وتفريغها عبر خط الأنابيب. تم تحديد أعماق تصل إلى 15 مترًا دون أي مشكلة. لم تتم محاولة التجريف الأعمق ، إلى القدرة التصميمية التي يبلغ طولها 30 مترًا ، لأن حجم الحفر الناتج كان سيتجاوز الحجم الذي وافق عليه تصريح سلاح المهندسين بالجيش الأمريكي. توقفت مظاهرة التجريف عندما بلغ الحجم التراكمي 7833 متر مكعب.

الجدول 1 – بيانات إنتاج التجريف المختارة (PG&E ، 1995)

تم قياس العكارة ، والمواد الصلبة الذائبة ، والأكسجين المذاب (DO) في محطة التحكم في المنبع ، بالقرب من شفط النعرات ، وفي عمود التيار المتجه للتصريف ، وفي محطة الامتثال المنشأة عند مدخل نفق الطاقة. في المتوسط ، العكارة حول مدخول المضخة. تجاوزت مستويات الخلفية بمقدار 1.2 NTU فقط. في أي وقت من الأوقات ، اقتربت العكارة أو تركيزات المواد الصلبة المعلقة المقاسة في محطة الامتثال لهيكل السحب من الحدود التي وضعتها الوكالات. كانت الزيادة القصوى في التعكر 1.9 NTU وكان أقصى قياس للمواد الصلبة العالقة 9.0 مجم / 1. أسفل منصة التفريغ ، كانت العكارة أقل بكثير من الحدود المحددة لمحطة الامتثال. كان الحد الأقصى للزيادة عن درجة الحرارة المحيطة هو 12 وحدة NTU. لم تتأثر تركيزات الأكسجين المذاب بالتجريف بشكل ملموس. (كريك ، PG & E ، 1995)

يتم الآن إنشاء نعرات من الجيل الثاني والتي ستعمل على تحسين النموذج الأولي للعربة المستخدمة في عرض Cresta. تعد قابلية النقل والقدرة على التعبئة السريعة من السمات الأساسية للتصميم الجديد.

الاستنتاجات

• يوفر تجريف شفط الملاط بمضخة EDDY طريقة تجريف متفوقة بيئيًا لتلبية معايير جودة المياه الصارمة.
• القليل جدًا من التعكر أو إعادة تعليق الرواسب عند رأس الشفط.
• مضخة EDDY قادرة على تحقيق معدلات إنتاج عالية. يمكن مقارنتها بجرافات الشفط التقليدية الأكبر حجمًا.
• إن جرافة مضخة EDDY قادرة على تمرير كميات كبيرة من الحطام الخشبي والمواد الغريبة الأخرى في الرواسب دون انسداد.
• تقلل كثافة الملاط العالية من حجم النفايات السائلة المراد معالجتها والتخلص منها من ترسب الرواسب في المرتفعات.
• توفر قدرة التكنولوجيا على ضخ عجائن كثيفة لمسافات طويلة بديلاً لخطوط الأنابيب لنقل الرواسب إلى مواقع التخلص البعيدة.
• بعد حل مشاكل بدء التشغيل الأولية ، أثبتت الجرافة النموذجية قدرتها على التشغيل الموثوق به والمستدام.
• أدى تصريف ملاط الرواسب إلى عمود الماء إلى مستويات منخفضة من التعكر والمواد الصلبة الذائبة ، ضمن حدود معايير جودة المياه الصارمة ، دون استخدام ستارة لاحتواء الرواسب.

المراجع

كريك ، كوربين دي وتيموثي ساغريفز (1995) ، “تجريف مضخة إيدي: هل ينتج
تأثير جودة المياه؟ ، مؤتمر ASCE Waterpower ’95 ، ص. 2246-2252

Harrison، Larry L.، Wing H.Lee and ScottTu، (1995)، “Sediment Pass-Through، An
بديل لتجريف الخزان “، مؤتمر ASCE Waterpower ’95 ، ص 2236-2245.

• PG&E (قسم الخدمات الفنية والبيئية لشركة الغاز والكهرباء في المحيط الهادئ) (1995) “نتائج مراقبة جودة المياه أثناء عرض مضخة EDDY لعام 1994 على خزان Cresta ،” تقرير رقم 402.331-95.23. المراجع

كريك ، كوربين دي وتيموثي ساغريفز (1995) ، “تجريف مضخة إيدي: هل ينتج
تأثير جودة المياه؟ ، مؤتمر ASCE Waterpower ’95 ، ص. 2246-2252

Harrison، Larry L.، Wing H.Lee and ScottTu، (1995)، “Sediment Pass-Through، An
بديل لتجريف الخزان “، مؤتمر ASCE Waterpower ’95 ، ص 2236-2245.

• PG&E (قسم الخدمات الفنية والبيئية لشركة الغاز والكهرباء في المحيط الهادئ) (1995) “نتائج مراقبة جودة المياه أثناء عرض مضخة EDDY على خزان Cresta ،” تقرير رقم 402.331-95.23.