Градирни системы охлаждения технической воды на ТЭС

Градирни системы охлаждения технической воды на ТЭС

[0.1] Градирни системы охлаждения технической воды на ТЭС [0.1.1] Градирни для охлаждения воды: назначение и область применения [0.1.2] Типы градирен [0.1.3] Градирни разных типов, конструктивные исполнения. [0.1.4] Сухие градирни с естественной и принудительной тягой [0.1.5] Выводы [0.1.6] Литература

Введение

Конденсация отработанного пара и охлаждение технической воды – важный этап работы тепловых электростанций. Основная часть природной воды, потребляемой ТЭС и АЭС, используется в системах охлаждения. Расходы охлаждающей воды достаточно велики (60 - 100 кг на конденсацию 1 кг пара).

Системы охлаждения технической воды на современных электростанциях разрабатываются с учетом технических, экономических и экологических аспектов. Простейший способ охлаждения – использование воды из природных водоемов и ее последующий сброс обратно в водоем – неприемлем в современном мире, поскольку ведет к тепловому отравлению водоемов. Предпочтителен вариант с циркуляцией воды в системе, а также использование потоков воздуха для охлаждения технической воды. [1]

Основные требования к качеству охлаждающей воды сводятся к тому, чтобы она имела температуру, обеспечивающую требуемую глубину вакуума в конденсаторе, не вызывала при нагреве минеральных отложений и биологических обрастаний, не способствовала коррозии механизмов и труб.

Градирни для охлаждения воды: назначение и область применения

При прямоточной системе вода для технических нужд забирается непосредственно из естественного водоема и сбрасывается в тот же водоем, что приводит к нежелательным экологическим последствиям. Менее вредна для природы система оборотного охлаждения с прудами – охладителями. Такие системы раньше широко применялись при сооружении плотины на малых и средних реках. Но при этом площадь мест затопления получаются значительными. [1]

В настоящее время наибольшее распространение (до 70%) получили системы оборотного охлаждения (СОО) с градирнями. Вода в них используется многократно, но часть воды теряется при испарении, и поэтому необходимо регулярно подпитывать систему свежей водой. В градирнях или брызгальных бассейнах оборотная вода снижает температуру за счет частичного испарения и конвекции, теплообмена с воздухом.

В градирнях часть оборотной (охлаждающей) воды теряется за счет капельного уноса (Pун = 0.05 - 3.5%) и испарения (Pисп = 1 -1.5%).  При испарении возникает проблема повышения концентрации минеральных солей в оставшейся воде. Регулирование химического состава воды производится при «продувке», сбросе отработанной воды и добавлении свежей в несколько увеличенном объеме. [2]

Основным параметром градирни является удельная величина расхода охлаждающей воды на 1 м площади орошения.

Основные конструктивные параметры градирен зависят от объёма и температуры охлаждаемой воды и климатических факторов местности, прежде всего температуры и влажности в различные сезоны.

Охлаждение технической воды в градирнях несколько усложняется летом, в наибрлее жаркий период, но еще больше проблем возникает зимой в местностях с сильными морозами. В зимнее время существует опасность обмерзания градирни. Происходит это чаще всего месте соприкосновения морозного воздуха с небольшим количеством теплой воды. Для предотвращения обмерзания градирни следует обеспечивать равномерное распределение охлаждаемой воды по поверхности оросителя и следить за одинаковой плотностью орошения на отдельных участках.

Существуют конструктивные решения, исключающие опасность обмерзания: это эжекционные градирни. [2]

Типы градирен

В настоящее время применяются разные типы градирен. Классификация этих систем происходит по нескольким параметрам.

Классификация по типу оросителя:

• плёночные;
• брызгальные;
• капельные;
• эжекционные;
• сухие.

В пленочных установках охлаждающая вода омывает трубопроводы с паром и горячей технической водой. Затраты воды на конденсацию пара высоки, а кроме того есть риск возникновения накипи, снижающей эффективность охлаждения.

В брызгальных установках оборотная вода снижает температуру за счет испарения части подогретой в конденсаторе воды и конвективного теплообмена при контакте с воздухом, затем вода вновь подается в теплообменники - конденсаторы. При этом часть охлаждающей воды теряется за счет капельного уноса (Pун = 0.05 - 3.5%) и испарения (Pисп = 1 - 1.5%).

В эжекционных градирнях используется эффект захвата наружного воздуха при наличии струей воды, разбрызгиваемой под давлением в определенном направлении. Создаваемая воздушная тяга способствует притоку охлаждающего воздуха.

Сухие градирни вовсе не имеют оросителя. Вода для охлаждения не используется. Это экологически корректное решение, хотя для его реализации нужны затраты электроэненргии.

Классификация по способу подачи воздуха

• вентиляторные;
• башенные;
• эжекционные,

Вентиляторные градирни наиболее эффективны, обеспечивают качественное охлаждение воды, процесс охлаждения поддается регулировке. Недостаток заключается в том , что требуются существенные затраты электроэнергии.

В башенных градирнях создается естественная тяга. Это экономичное решения, с точки зрения затрат электроэнергии, но оно связано со строительством больших сооружений.

В эжекционные градирнях воздушная тяга создается струей брызг, распыляемых с большой скоростью. Для создания воздушного потока используется не вентилятор, а водяной насос. Способ охлаждения энергозатратный, но он эффективен при охлаждении воды, имеющей очень высокую температуру (до 90 °С).

Классификация по направлению течения сред (охлаждаемой воды и воздуха):

• с противотоком (наибольший температурный перепад, наибольшее аэродинамическое сопротивление);
• с перекрестным током (меньшее аэродинамическое сопротивление, меньше капельного уноса);
• с попутным током (эжекционные градирни используют однонаправленное движение брызг воды и струи воздуха).

Градирни разных типов, конструктивные исполнения.

Наибольшие размеры имеют градирни башенного типа. Их использование экономически эффективно, но при большой концентрации они отрицательно влияют на климат в данной местности.

Рис. 1. Башенная противоточная градирня. 1 - вытяжная башня; 2 - водораспределительный стояк; 3 - водоуловитель; 4 - водораспределительная система; 5 - разбрызгивающие устройства; 6 - оросительное устройство; 7 - опорный каркас; 8 - воздуховходные окна; 9 - воздухонаправляющий козырек; 10 - зимние поворотные щиты; 11 - воздухораспределительное пространство; 11 - колонны; 13 - водосборный бассейн; 14 - подводящие водоводы.  Малогабаритная вентиляторная градирня – экономичное решение для качественного охлаждения оборотной воды. Воздушная тяга создается принудительно, поэтому сооружение значительно меньше и удобней в обслуживании, чем башенная градирня.

Рис.2. Вентиляторная градирня

В градирнях с вынужденной тягой воздуха подается с помощью одной или нескольких вентиляторных установок. При нагнетательной тяге вентиляторы размещаются на уровне грунта, а при вытяжной – вверху. Существуют разные системы вентиляции, с направлением воздуха против течения воды, под углом к течению, перпендикулярно течению. При перекрестном потоке насадка устанавливается под углом к потоку воды.

В больших градирнях преимущественно используются осевые вытяжные вентиляторы, а в малых чаще всего применяются нагнетательные центробежные или осевые вентиляторы. Центробежные вентиляторы более эффективны, чем осевые, но они имеют большую стоимость.

Если сравнивать вентиляторные градирни с башенными, то вентиляторные имеют меньшую строительную стоимость и допускают большую плотность орошения, их можно более компактно размещать на производственной территории. По сравнению с башенными градирнями, прудами-охладителями и брызгальными бассейнами они обеспечивают устойчивое охлаждение воды, высокие тепловые нагрузки и большую степень приближения температуры охлажденной воды к теоретическому пределу охлаждения [3]

Эжекционные градирни имеют конструктивное отличие от вентиляторных, поскольку для интенсивного охлаждения используется не воздушный вентилятор, а водяной насос

Эжекционные градирни конструкции серии "Эгра"

1 - опорная конструкция; 2 - поддоны; 3 - каркас; 4 - ограждения; 5 - конфузор; 6 - диффузор; 7 - водораспределительная система; 8 и 9 - эжектора низкого и высокого давления; 10 - каплеуловитель; 11 - отбойник; 12 - рассредоточенный диффузор.

Особенностями конструкций и процесса охлаждения данных градирен являются:

1.        Вертикальное расположение эжекторов, струя брызг направляется вверх. Это обеспечивает более длительный контакт воды с воздухом. При такой конструкции градирня может иметь размеры, в широком диапазоне значений, а следовательно и производительность - от 10 до нескольких тысяч м3 /ч. [2]

2.        Мелкое диспергирование воды и эффективное охлаждение обеспечивают  форсунки специальной конструкции. 

3.        Для более глубокого охлаждения в контур имеющегося сетевого монтируется дополнительный насос Н2

4.        Для предотвращения выноса влаги и обмерзания в зимний период ограждения сформированы из двух слоев профильных листов ЭПЛ-200.

Эжекционные градирни с распылительными форсунками применяются применение в системах оборотного водоснабжения при определенных условиях. Их целесообразно использовать при удельной тепловой нагрузке 40-60 Мкал/(ч*м2 ) без перспективы ее увеличения; глубина охлаждения воды может составлять 10-12 0С; общий расход оборотной воды в системе до 500 м3 /ч; - высокая температура оборотной воды (более 60 0С). Территория предприятий должна допускать по санитарным и экологическим нормам повышенный унос капельной влаги из градирен в окружающую среду. Для эжекционных градирен необходим резерв площади, система водоснабжения должна обеспечить избыточный напор воды. Концентрация взвешенных веществ в оборотной воде до 50 мг/л. [3]

Особое место среди охлаждающих устройств занимают сухие градирни

Они отличаются от прочих видов градирен тем, что в них отсутствует оборотная вода, используется чисто воздушное охлаждение. Это требует несколько больших энергетических затрат, но зато снимается часть экологических проблем: не поступает в атмосферу лишний пар, не нагревается вода в водоемах.

Среднестатистические сравнительные характеристики разных типов градирен, использующих оборотную воду в охладителях

Технические характеристики, приведенные в таблице, позволяют судить о преимуществах и недостатках разных типов градирен. Цифры свидетельствуют о том, что эжекционные градирни типа «балтимор» дешевле других в эксплуатации и при строительстве; башенные требуют значительных капитальных затрат при строительстве, но менее энергоемки при эксплуатации; эжекционные градирни «Эгра» наиболее долговечны, отличаются малыми потерями воды. [4]

Какой тип градирен будет наиболее перспективен? Усиление экологического контроля способствует распространению сухих градирен. В прошедшие периоды этот виз сооружений уже применялся, и актуальность использования такого вида охлаждения объяснялась местными условиями, дефицитом воды. Например, сухие градирни применялись на электростанциях в Армении еще в 70-е годы прошлого века. Это решение диктовалось невозможностью использования больших количеств воды для охлаждения.

Одной из причин для выбора «сухих» градирен на угольных электростанциях является уменьшение вероятности кислотных дождей, т. к. при испарительном охлаждении смешение уходящих газов с испарениями градирен приводит к образованию угольной и азотной кислот и кислотным осадкам, существенно влияющим на продукцию близлежащих сельхозугодий. [3]

В настоящее время одним из основных производителей элементов для «сухих» градирен фирма является GEA-EGI. Эта промышленная компания обеспечила пуск сухих градирен в безводных районах Ирака, Турции, Италии, Сирии. В 2007 г. пущен в эксплуатацию энергоблок 600 МВт на угольной ГРЭС в провинции Яангшень (Китай), который тоже оборудован «сухой» градирней. Готовится к подписанию контракт на поставку «сухой» градирни для угольного энергоблока 1000 МВт, строительство которого началось в китайской провинции Бауджи. [5]

Особую актуальность имеют сухие градирни на АЭС. Длительный срок службы АЭС и усугубление экологических проблем приводят к пониманию необходимости отказа от испарительного охлаждения технической воды на АЭС, так же как в свое время отказались от прямоточного охлаждения конденсаторов водой из естественных водоемов. Для перехода на «сухое» охлаждение технической воды на АЭС должна быть разработана отраслевая программа. Выполнение такой отраслевой программы должно обеспечить к 2020 г. переход на воздушное охлаждение на всех строящихся АЭС в России.

При сооружении атомных ТЭЦ, которые всегда будут располагаться вблизи промышленно-жилищных агломераций, необходимо рассматривать только воздушное охлаждение технической воды. Кроме этого, при сооружении АТЭЦ малой мощности (от 6 до 30 МВт) в автономных районах энергопотребления могут применяться «сухие» конденсаторы, в которых отработанный пар в турбине конденсируется в воздушных теплообменниках без применения промежуточного теплоносителя. Такие разработки в настоящее время выполнены ОАО «Калужский турбинный завод» для турбин малых ТЭЦ на органическом топливе. [6]

По мере усиления экологического контроля и повышения платы за безвозвратное использование природной воды в испарительных системах охлаждения в промышленности, спрос на сухие градирни будет повышаться.

Сухие градирни с естественной и принудительной тягой

Сухие градирни с естественной тягой являются ключевыми компонентами системы Геллера благодаря   низкому потреблению энергии на собственные нужды. Сухие градирни с естественной тягой могут быть либо с гиперболической оболочкой из армированного бетона, либо представлять собой  стальную конструкцию, обшитую алюминиевыми листами.

Сухая градирня с естественной тягой работает практически бесшумно. Мощный восходящий ток выводит очищенные дымовые газы, что приводит к  экономии капиталовложений и затрат на обслуживание, а также сокращает концентрацию загрязнений. [6]

В башне градирни могут размещаться системы доочистки газа: короткие металлические вытяжные трубы для котлов, мокрый скруббер для десульфации топливного газа.

Сухие градирни с принудительной тягой бывают модульно-линейными или круговыми. Даже небольшие размеры монтажной площадки позволяют организовывать системы сухого охлаждения. Малозаметная и практически бесшумная конструкция  позволяет размещать сухие градирни даже в густонаселенных городских районах. 

Для холодного климата разработаны морозоустойчивые конструкции сухих градирен. Они не обмерзают при отрицательных температурах, а использование холодного воздуха делает функционирование весьма эффективным. Несколько иную конструкцию имеют охлаждающие элементы градирен, предназначенных для использования в жарком климате. Даже в условиях жарких пустынь такие элементы позволяют достаточно эффективно конденсировать пар и охлаждать техническую воду. [6]

Комбинированные системы охлаждения

Сухие градирни соответствуют экологическим требованиям, но обеспечивают менее эффективное охлаждение, чем «мокрые» аналоги. Для того чтобы электростанция могла успешно справляться с нагрузками в самые неблагоприятные периоды, конструкторы предлагают укомплектовать предприятия сезонными и вспомогательными воздушными охладителями, разработанными на основе теплообменников Форго.

Материалы труб и коллекторов подбираются в зависимости от мощности системы. Теплообменники воздушного охлаждения с оросителями целесообразно применять в случаях, когда невозможно или экономически неоправданно использование только систем сухого охлаждения. Например, во время пиковых летних температур охладители, использующие воздух, становятся менее эффективными, а нагрузка на ТЭС возрастает. В таком случае можно подключать системы, использующие орошение. Такой подход обеспечивает эксплуатационную гибкость благодаря высокому рабочему диапазону температур окружающего воздуха, а также позволяют значительно снизить инвестиционные затраты по сравнению со случаями применения только систем сухого охлаждения.[6]

Выводы

Системы охлаждения являются важными компонентами тепловых и атомных электростанций. Градирни, в которых осуществляется конденсация пара и понижение температуры технической воды, имеют различные конструкции, соответственно различаются их эффективность, экономичность, соответствие экологическим требованиям.

До недавнего времени в подавляющем большинстве охладителей использовалась вода, причем в больших количествах. Недостатком водного охлаждения было усиленное образование пара и брызг, неблагоприятное воздействие на климат, образование кислот с последующим выпадением кислотных осадков. Но при этом испарение воды и теплообмен в «мокрых» градирнях обеспечивали эффективное охлаждение технической воды.

В настоящее время самыми перспективными являются охладители, в которых охлаждение происходит благодаря притоку воздуха, без использования воды. Сухие градирни эффективно функционируют благодаря высокотехнологичным теплообменникам, а также продуманной конструкции всей системы. Наиболее востребованы сухие градирни в местностях с экстремальными погодными условиями: в засушливых и пустынных регионах, а также в холодном климате, где есть вероятность обмерзания.

В будущем доля сухих градирен будет повышаться, в связи с удорожанием водопользования и требованиям сохранения природной среды.

Литература

1. Бергман Л.Д. Испарительные градирни: современные конструкции и преимущества реконструкции // Энергетик. 2000. - Специальный выпуск. - С. 15-21.
2. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. М.: Госэнергоиздат, 1957. 320 с.

1. Бондарь Ю.Ф. Оптимизация водно-химического режима оборотных систем техводоснабжения с градирнями паротурбинных ТЭС // Электрические станции. 1991. - №11. - С. 29-32.

1. Бондарь Ю.Ф., Гронский Р.К. Методические указания по стабилизационной обработке охлаждающей воды в оборотных системах охлаждения с градирнями оксиэтилидендифосфоновой кислотой РД 34.22.503-89. М.: Изд-во ВТИ, 1989. 24 с.

1. Виталий Болдырев, "Сухие" градирни на тепловых и атомных электростанциях как средство снижения антропогенных выбросов http://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=1412&nomer=50

1. Сабо З. Прогрессивная система непрямого сухого охлаждения // Энергетик. Специальный выпуск. 2000. С.8-12.

1. Горбачев А.И., Кондратьева Т.Р., Казинци И. Экологические предпосылки применения воздушно-конденсационных установок // Энергетик. Специальный выпуск. 2000. С.22-24.

Градирни системы охлаждения технической воды на ТЭС