publications

Publications

English
Collection of "Bulletin of Science, National Technical University of Ukraine", "Kiev Polytechnic Institute". A series of "Chemical Engineering, ecology and conservation of resources", Kiev, 2009 Bulgakov B., Bulgakov A., Priymak V., Romantsov V., Galitsin V., Gurvitsh G. The article is dedicated to the actual problem of application of the fish protection devices which must be in accordance to the modern requirements of ecological safety, must have high fish protection effect and reliability. The existent types of fish protection devices and their failings were considered. The principally new technical solution which is developed and inculcated by the Laboratory of ecologically clean technologies of the Chemical Production Automation Department of NTUU «KPI» and ISTC INTREK is offered. It is the fish protection devices on a base of water-air curtain. Особенности применения рыбозащитных устройств збірник «Науковий вісник Національного технічного університету України» «Київський політехнічний інститут». Серія «Хімічна інженерія, екологія та ресурсозбереження» ББК: Ж30 УДК: 626.88;626.882 Булгаков Б.Б., Булгаков А.Б., Приймак В.А., Романцов В.П., Галицын В.В., Гурвич Г.А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Рецензия Статья посвящается актуальной проблеме применения рыбозащитных устройств, которые должны отвечать современным требованиям экологической безопасности, иметь высокую рыбозащитную эффективность и надежность. Рассмотрены существующие виды рыбозащитных устройств и их недостатки. Предлагается принципиально новое техническое решение, которое разработано и внедрено лабораторией экологически чистых технологий, кафедрой автоматизации химических производств НТУУ «КПИ» и ООО МНТЦ Интрэк, ЛТД - рыбозащитные устройства на базе водо-воздушной завесы. Постановка проблемы в общем, виде и ее связь с важными научными или практическими задачами Подавляющее большинство водозаборных сооружений, как показывает практика, оказывает отрицательное влияние на ихтиофауну водного бассейна. Водные экосистемы испытывают высокую нагрузку, а отдельные ценные виды рыб находятся на грани исчезновения и требуют чрезвычайных мер по их спасению. Анализ результатов биологических исследований отечественных и зарубежных авторов показал, что основной причиной попадания молоди рыб в водозаборные сооружения является отсутствие условий для ориентации их в потоке воды и невозможность сопротивляться течению в непосредственной близости от водоприемных отверстий, пассивный снос и затягивание во всасывающие патрубки насосов береговых насосных станций (в дальнейшем БНС). В связи с этим по-прежнему актуальными остаются создание, проектирование и использование рыбозащитных устройств (в дальнейшем РЗУ), соответствующих современным требованиям экологической безопасности, имеющих высокую рыбозащитную эффективность и техническую надежность. РЗУ предусматривают с целью предупреждения попадания, травмирования и гибели молоди рыб в сооружениях БНС при заборе воды из источников, имеющих рыбохозяйственное значение. РЗУ проектируют на основании ихтиологических изысканий, в которых должны быть определены: вид и размер защищаемых рыб, период их ската и миграции, распределение рыб по глубине, места нерестилищ и зимовки, сносящая скорость течения для молоди защищаемых рыб. Внедрение рыбозащитных устройств на водозаборах направлено на решение двух основных проблем - экологической и технологической. Экологический аспект определяется требованием минимизации числа молоди рыб, погибающей при изъятии из открытых водоемов (реки, озера, прудов) значительных объемов воды для технических и бытовых нужд. При этом нормативные параметры по эффективности РЗУ - 70%, по качественным (видовому составу рыб) и возрастным параметрам рыб были зафиксированы в СНиП 2.06.07-87 на рыбозащитные устройства. Технологический аспект связан с необходимостью защиты оборудования береговых насосных станций от посторонних включений (рыбы, ветки, водоросли, песок, ил и т.д.), которые при интенсивном потреблении воды снижают срок службы и надежность функционирования технологического оборудования. Анализ последних исследований и публикаций, в которых начато решение данной проблемы В настоящее время существует довольно много технических решений рыбозашиты водозаборов. По принципу создания эффектов отпугивания рыб известные решения можно разделить на следующие группы: – механические; – электрические; – акустические; – зрительно-световые; – воздушно-пузырьковые. Механические РЗУ получили наибольшее распространение. В основе их действия лежит создание механических преград пути движения рыб (жалюзи, фильтры, плетни, каменные набросы, фильтры растительные, кассетные или конусные, плоские или ленточные сетки, сетчатые цилиндрические барабаны с принудительной очисткой и др.) или электромеханических преград (сетчатый вертикальный электромеханический элеватор и др.) Эти решения не всегда эффективны, требуют частого обслуживания (фильтры, сетки), их сложно адаптировать к изменяющимся условиям. Электрические РЗУ построены на использовании реакции рыб на электрическое поле. При слабых электрических полях реакция рыб на них отсутствует. Дальнейшее повышение напряженности электрического поля приводит к проявлению реакций, которые в зависимости от вида и размеров рыб можно разделить на следующие стадии: – разбросанные реакции которые проявляются в беспокойном поведении рыб; – устойчивые болевые реакции при которых рыбы стремятся выйти из зоны действия электрического поля; – так называемая анодная реакция, которая проявляется в вялом поведении рыб и их устойчивом движении к положительному электроду; – шоковая реакция, при которой рыбы теряют вертикальную ориентацию и двигательную активность; – дальнейшее повышение напряженности электрического поля приводит к гибели рыб. Напряженность электрического поля, при которой проявляются устойчивые болевые реакции значительно отличаются для разных видов рыб. Однако существует четкая зависимость от длины тела рыбы. Чем меньше длина тела рыбы, тем большая напряженность электрического поля необходима для проявления болевой реакции. Это приводит к тому, что в электрическом поле, в котором молодь проявляет болевые реакции взрослые рыбы гибнут. Поэтому электрические РЗУ для защиты молоди на водозаборах неприменимы. Такие РЗУ применяются для отвода взрослых рыб-производителей от опасных зон гидроузлов и представляют собой систему электродов. Их расположение и подводимые напряжения должны обеспечить такие градиенты электрического поля, при которых исключается попадание рыб на проходных (крейсерских) скоростях в зону шоковых реакций. Электрические РЗУ или электрозаградители, рассчитаны на активный уход рыб из электрического поля. Здесь могут быть использованы поля переменного и постоянного тока, а также импульсные поля различной формы (прямоугольные, апериодические, экспоненциальные и т.д.). Однако, наибольший эффект получен пока для отлова рыб в пресных водах, т.е. при решении совсем другой задачи. Иными словами, электрические решения требуют тщательной настройки, проведения дальнейших исследований, их также сложно адаптировать к переменным условиям среды. Зрительно-световые РЗУ направлены на восстановление зрительной ориентации рыб в ночное время. Однако исследования показали, что при высокой чувствительности зрения рыб время адаптации достаточно велико и рыбы попадая в освещенную зону ослепляются, теряют ориентацию и не могут покинуть опасную зону. Поэтому зрительно-световые РЗУ применяются для привлечения рыб к рыбопропускным каналам гидроузлов и оросительных систем. Акустические РЗУ предназначены для определенных пород рыб и строятся на базе гидроакустических генераторов низкочастотных колебаний с заданными параметрами, излучаемых непосредственно в водную среду на определенной глубине. Устройства этого типа достаточно дороги и пока нет данных об их эффективности. Зрительно-световые РЗУ ориентированы, в основном, на их использование в ночное время, их применение ограничивается водоемами с хорошей прозрачностью воды. Воздушно-пневматические РЗУ основаны на создании непрерывной воздушно-пузырьковой или воздушно-пневматической завесы непосредственно в районе водозабора. Обычно по дну водоема прокладывается воздушная магистраль с перфорацией, куда под давлением, создаваемым воздушными компрессорами, поступает воздух. Эффективность работы воздушно-пневматической преграды зависит, в основном, от компоновки и технических характеристик конструктивных элементов. Технические решения РЗУ этого типа и результаты их практического внедрения показали, что и они обладают рядом недостатков, наиболее существенные из которых следующие: – наличие дорогих и требующих специального обслуживания воздуходувок или воздушных компрессоров; – быстрое зарастание сопел (перфораций) подводного воздушного коллектора, особенно в случае технологических остановок РЗУ, т.к. для эффективного отпугивания молоди рыб необходимо формировать воздушные пузырьки диаметром 1-3 мм посредством сопел диаметром 0,3...1,5 мм. Анализируя опубликованные материалы и практику использования технологий защиты водозаборов, отметим, что до сих пор задача создания эффективной, недорогой и надежной технологии рыбозащиты, простой в обслуживании и обеспечивающей оперативную адаптацию к изменяющимся условиям водоема - не решена. Формулировка целей статьи (постановка задачи) В связи с этим лабораторией экологически чистых технологий, кафедрой автоматизации химических производств НТУУ «КПИ» и ООО МНТЦ Интрэк, ЛТД была поставлена задача разработки такой технологии, чтобы приготовление водо-воздушной смеси производилось на берегу с последующей ее подачей в подводный коллектор без применения компрессоров. Для ее решения было предложено принципиально новое техническое решение. В качестве основного элемента, формирующего водо-воздушную смесь с пузырьками воздуха диаметром 1...3 мм, был использован гидродинамический кавитационный аэратор (в дальнейшем ГКА), устанавливаемый на берегу, на линии обратного сброса воды, которая существует на насосной станции, либо специально организуется для этой цели. Таким образом, решаются сразу две проблемы. Во-первых, исключаются дорогие воздуходувки или компрессоры и, во вторых, диаметры сопел подводного коллектора могут быть увеличены до 8...15 мм, что гарантирует их от зарастания в течение длительного срока эксплуатации, даже в водоемах с высокой замутненностью, поскольку в предложенном решении через сопло диаметра 8...15 мм выходит водо-воздушная смесь с пузырьками воздуха диаметром 1...3 мм с энергией, достаточной для продувки сопел и коллектора, а также отталкивания мусора из зоны водозабора. Главными функциональными элементами технологии являются ГКА и подводный коллектор. Устройство ГКА состоит из корпуса, конфузора, диффузора, проточной камеры и присоединительных фланцев. В проточной камере установлено тело кавитации, за которым образуется зона вакуума. Атмосферный воздух поступает в зону вакуума через воздушный патрубок. Гидродинамическая обработка (смешивание) воды и воздуха происходит в зоне вакуума при разнице давлений на входе ГКА и в его наиболее узком сечении. Длина подводного коллектора выбирается из условия максимального перекрытия зоны водозабора воздушно-пузырьковой завесой. На этом участке подводного коллектора устанавливаются сопла переменного диаметра (8-15 мм), обычно, с равномерным шагом, величина которого определяется равномерностью распределения водо-воздушной смеси вдоль коллектора. Сопла на рыбозащитном участке коллектора устанавливаются вертикально вверх, а регулировкой их проходных сечений достигается равномерность распределения воздушно-пузырьковой смеси вдоль коллектора. Для создания нормальных условий работы ГКА необходимо, чтобы по трубопроводной магистрали на его вход подавался расчетный расход по воде с требуемым напором. Как правило, забор воды для функционирования технологии производится от специальных врезок в напорные магистрали циркуляционных насосов и не превышает 1-2% общего расхода. При соответствующих давлении и расходе через воздушный патрубок в зону вакуума всасывается воздух, интенсивно смешиваемый с водой, по трубопроводу движется водо-воздушная смесь, которая равномерно распределяется через сопла подводного коллектора, создавая водо-воздушную завесу, а на периферийных участках - энергичное гидравлическое отталкивание мусора из зоны водозабора. При внедрении первых рыбозащитных устройств появился ряд технических проблем, связанных с подачей на распределительных коллекторах длиной более 10 м стабильной водо-воздушной эмульсии в зависимости от высоты установки ГКА над уровнем воды. Это привело к нестабильности работы РЗУ особенно в зимний период при снижении уровня воды. В результате этого была поставлена задача создать распределенный струйный аэратор для обеспечения работы всех проточных отверстий с диаметром не менее 10 мм. В соответствии с этой задачей была разработана геометрия струйного сопла и создана математическая модель, позволяющая произвести его расчет в соответствии с заданными параметрами. Созданное на основе модели сопло обладает высокими диспергирующими свойствами и позволяет подготавливать водо-воздушную смесь с расходом по воздуху в 1,5-2 раза превосходящем расход воды. Изложение основного материала исследований с полным обоснованием полученных научных результатов Проведенные лабораторные исследования показали, что оптимальная длина распределительного коллектора для такого аэратора составляет 3 м. При этом перфорация распределительного устройства осуществляется отверстиями диаметром 15 мм. Необходимое давление внутри распределительного устройства определяется потерями на отводе, который устанавливается на свободном конце распределительного патрубка и направлен в сторону перфорации. Новая конструкция аэрирующих коллекторов потребовала отдельного конструктивного решения для создания подвода воздуха к каждому элементу распределенного аэратора. Это привело к созданию конструкции аэрирующего сопла, которое обеспечивает возможность жесткого крепления стального воздухопровода к напорному трубопроводу. Важно отметить, что один аэрирующий коллектор является только элементом рыбозащитного устройства и не может обеспечить эффективность рыбозашиты оговоренной в СНиП. Это связано с тем, что защитные реакции молоди рыб ослаблены, что приводит к снижению отпугивающего воздействия воздушно-пузырьковой завесы, особенно в ночное время и приводит к попаданию молоди, в ее потоки. При этом вступает в действие так называемое физическое воздействие на молодь эрлифтных (восходящих) потоков завесы и молодь выносится в верхние слои водоема. Однако гидравлический валец воздушно-пузырьковой завесы образует на поверхности симметричные отточные потоки. Очевидно, что один из этих потоков направлен в сторону водозабора и до 50% задержанных рыб выносится в опасную зону. При внедрении РЗУ были реализованы гидравлические рыбоотводящие щиты (в дальнейшем ГРЩ), которые создаются дополнительным перфорированным коллектором, установленном на глубине 0,8-1 м. Гидравлические струи направлены под углом около 45° к горизонту и образуют поток, который обеспечивает отвод задержанной молоди в зону обитания водоема. ГРЩ обеспечивают требуемую эффективность РЗУ и возможность его круглогодичной эксплуатации. Однако такое решение возможно при зарегулированном уровне воды и наличии береговых сооружений для крепления дополнительного коллектора. В условиях наличия эффективного транзитного потока и значительных колебаний уровня нами была предложена V-образная схема установки аэрирующих коллекторов в природной области водоема. При этом кроме основной заградительной завесы, устанавливаемой перед водозаборными окнами в природной области водоема прокладывается дополнительный аэрирующий коллектор под углом 15-25° к первому. Вершина угла должна быть направлена навстречу транзитному потоку. Покатная молодь, попадая в эрлифтный поток дополнительной завесы, выносится в поверхностные слои и часть ее отточным потоком выносится в транзитный поток. Другая часть попадает в поверхностный поток, образованный взаимодействием отточных потоков основной и дополнительной завесы. Этот поток направлен в сторону раскрытия угла и так же сопрягается с транзитным потоком. Такая схема обеспечивает требуемую эффективность РЗУ и не нуждается в дополнительных рыбоотводящих устройствах. При проектировании конкретного РЗУ необходимо учитывать: 1.Скорость основного потока водозабора, которая не должна превышать в зоне завесы 0,2-0,25 м/с. Критической считается скорость 0,3 м/с. 2.Возможность организации поверхностного рыбоотводящего потока до зоны обитания водоема. При наличии протяженного водоподводящего канала недопустима установка РЗУ перед водозаборными окнами. В этих случаях РЗУ должно быть установлено на входе в водоподводящий канал. З.При водозаборе из замкнутых водоемов или заливов рационально применять схему с дополнительными гидравлическими (воздушно-гидравлическими) щитами. В некоторых случаях допустимо применение V-образной схемы с направлением рыбоотводящего потока в благоприятную для обитания зону водоема. 4.Для компоновки аэрирующих коллекторов рационально применять фланцованные отрезки напорного трубопровода длиной 6 м с закрепленными на каждом двумя комплектами аэраторов и воздухопровода. 5.Соединение воздушного трубопровода на фланцевых соединениях выполнять резиновыми армированными патрубками. 6.В местах поворотов коллектора использовать свободно посаженные фланцы, что обеспечивает упрощение проектирования и подводного монтажа. 7.Обязательная установка фильтра со щебенчатой загрузкой. При монтаже аэрирующих коллекторов особое внимание обратить на очистку напорного трубопровода от сварочного шлама, заусениц и других посторонних включений. Воздухозаборник должен быть защищен сетчатым фильтром. Следует отметить, что все приведенные технические решения РЗУ защищены патентами. Учитывая объем внедрений и результаты ихтиологических обследований следует начинать работу по включению РЗУ ООО МНТЦ Интрэк, ЛТД в перечень типовых рыбозащитных устройств, что позволит в дальнейшем не проводить ихтиологических обследований водозаборов. Выводы из данного исследования и перспективы дальнейших изысканий в этом направлении ООО МНТЦ Интрэк, ЛТД разработаны типовые конструкции комплексного рыбозащитного устройства на базе водо-воздушной завесы, которое можно отнести к категории универсальных, поскольку одновременно действуют отпугивающие рыбу факторы: а) непрерывная водо-воздушная завеса воспринимается рыбами как непреодолимое препятствие (зрительный фактор); б) низкочастотные колебания воздушных пузырьков близки к биологически ощутимым сигналам опасности (акустический фактор), уже на некотором расстоянии от завесы рыбы воспринимают звуки, выходящих из перфорированных отверстий распределителей пузырьков воздуха, реагируют на них и удаляются от источника звука; в) интенсивные восходящие водо-воздушные струи из сопел распределителей оказывают механическое воздействие на тактильные органы рыб; г) легко вводимые в поток воды в трубе незначительные количества одорирующих (специальных пахучих веществ) веществ отпугивают рыб, раздражая органы обоняния. Кроме того, зафиксирован хороший эффект мусороотталкивания из зоны водозабора мощными гидравлическими струями, исходящими из сопел коллектора. Рыбозащитное устройство с водо-воздушной завесой, создаваемой системой аэрирующих сопел и перфорированных раздаточных трубопроводов, состоит из наземной части (трубопроводы, запорная арматура, мусороловушка, воздухозаборники) и подводной части (питающий трубопровод, аэрирующие сопла, перфорированные раздаточные трубопроводы). Разработанная и внедрённая на 19 водозаборах тепловых электростанций технология водо-воздушной рыбозащиты обладает рядом преимуществ по сравнению с принудительным нагнетанием сжатого воздуха в перфорированную трубу: 1) из технологической схемы РЗУ исключаются дорогостоящие компрессорные установки с необходимостью перфорации подводных распределителей диаметром до 1 мм; 2) для создания водо-воздушной эмульсии используется часть воды от БНС в количестве около 1%; 3) потребление воздуха из атмосферы для создания водо-воздушной эмульсии в гидрокавитационном аэраторе при отсутствии трущихся поверхностей не приводит к загрязнению водоёма смазочными материалами; 4) истечение водо-воздушной смеси из раздаточных трубопроводов со скоростью около 1м/с создаёт устойчивый эрлифтный поток в зоне подводного трубопровода и освобождает от необходимости устройства защитного порожка; 5) пребывание воздуха в составе водо-воздушной эмульсии позволяет существенно увеличить диаметр отверстий перфорации распределителя, что исключает их зарастание илом и водорослями и повышает надёжность РЗУ; 6) подача воздуха в распределительный трубопровод в составе водо-воздушной эмульсии резко снижает зависимость условий образования воздушно-пузырьковой завесы от глубины установки распределителя; 7) использование части воды береговой насосной станции под напором 0…60 м водяного столба даёт возможность сформировать устойчивые поверхностные рыбоотводящие течения и не устраивать дополнительные пути миграции рыбы. Рыбозащитные устройства с водо-воздушной завесой в качестве основного элемента рыбозащиты внедрены на таких объектах как: Черниговская ТЭЦ. Приведем некоторые результаты внедрения рыбозащитных устройств с водо-воздушной завесой на некоторых объектах: 1. Техническое состояние и рабочие параметры ВВЗ на водозаборных сооружениях соответствуют проекту и эксплуатационному регламенту. 2. Скорости течений в створе размещения ВВЗ не превышают расчетных, при любых режимах работы станции, что соответствует оптимальному гидравлическому режиму работы данного типа РЗУ. З. При работе в проектном режиме эффективность работы водо-воздушной завесы составила более 70%, что удовлетворяет требованиям СНиП 2.06.07-87. 4. Полученные результаты исследований показывают, что рыбозащитные устройства типа «водо-воздушная завеса с потокообразующим рыбоотводным коллектором» обеспечивали в период исследований нормативный уровень защиты рыб, обитающих в районе водозаборных сооружений. Литература 1. Булгаков А.Б. и др. Некоторые аспекты разработки и внедрения рыбозащитных устройств (РЗУ) с гидродинамическим кавитационным аэратором / Булгаков А.Б. и др. // «Энергетик». – № 4. – Москва: НТФ, «Энергопрогресс», 2002. – С. 17-19. 2. Булгаков А.Б., Романцов В.П. Некоторые аспекты разработки рыбозащитных устройств на основе гидродинамических кавитационных смесителей / Булгаков А.Б., Романцов В.П. // сб. Моделювання та інформаційні технології. – випуск 11. – Київ: НАН України, інститут проблем моделювання в енергетиці, 2001. – С. 93-99. 3. Булгаков А.Б. и др. Способ гидродинамической микропузырьковой рыбозащиты водозаборов и устройство для его осуществления / Булгаков А.Б., Булгаков Б.Б., Банцевич З.Л., Преснов Г.В., Романцов В.П. // Патент № 2144107, МКИ Е02В8/08. – 1998. 4. Булгаков А.Б. и др. Воздушно-пузырьковые рыбозащитные устройства (РЗУ) с применением гидравлических кавитационных аппаратов (ГКА) / К.т.н. Булгаков А.Б., д.т.н. Романцов В.П., Банцевич З.Л., Бублей П.В., Митькин В.Н. // «Известия Академии Промышленной Экологии». – № 43. – Москва: 2000. – С. 60-63. 5. Чернятин М. С. Рыбозащитное устройство жалюзийного типа с клапаном для водозаборов мелиоративных систем : автореферат дис. кандидата технических наук / Чернятин М. С. / Сибирский НИИ гидротехники и мелиорации. – Новочеркасск, 1996 6. Хецуриани Е. Д. Импульсное гидродинамическое рыбозащитное устройство машинных водозаборов с расходом до 0,5 м3/с : автореферат дис. кандидата технических наук : 05.23.07 /Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. 7. Волошков В. В. Струйное рыбозащитное устройство водозаборного сооружения малой производительности из проточных водоемов : автореферат дис. кандидата технических наук : 05.23.07 / Новочеркас. гос. мелиоратив. акад. Новочеркасск, 2001 8. Screening Irrigation Offtakes in the Murray-Darling Basin to Reduce Loss of Native Fish. Tim Blackley 30th May, 2003.
Subscribe to publications