11. ТЕХНИЧЕСКОЕ ВОДОСНАБЖЕНИЕ ТЭС

11.1. Потребление воды на ТЭС

Выработка энергии на паротурбинных электростанциях связана с большими расходами воды и в первую очередь на конденсацию пара в конденсаторах турбин. Удельный расход воды на КЭС в зависимости от начальных параметров составляет летом 0,125÷0,42 м³/кВт×ч, в зимний период 0,09÷0,3. Если принять  расходы воды на конденсатор турбин за 100 %, то расходы воды другими потребителями ТЭС составляют следующие значения,  %:

 газо- и воздухоохладители                                                        2,5÷12,5;

 добавочная вода на КЭС                                                            0,04÷0,12;

 добавочная вода на ТЭЦ                                                            0,5÷0,8;

 хозяйственные нужды                                                                 0,03÷0,05;

 масляные холодильники                                                             1,2÷3,5;

 охлаждение вспомогательных механизмов                               0,7÷1,0;

 система ЗШУ                                                                               2÷6;

 восполнение потерь в системах оборотного водоснабжения    4÷7.

Таким образом, дополнительный расход воды на все остальные потребители состав­ляет порядка 10÷30 %.

Расход воды на конденсатор определяется по уравнению теплового баланса и для простоты считают, что в конденсатор поступают только отработавшие в турбине потоки пара:

.                     (11.1)

Отсюда кратность охлаждения

.                      (11.2)

     Величина недогрева Q охлаждающей воды до температуры насыщения t_н пара в конденсаторе,  температура насыщения t_н=t_к отработавшего пара и температура циркуляционной воды на входе и выходе из конденсатора t_В1 и t_В2 связаны соотношением.

.                     (11.3)

Здесь  Δt_В=t_В2 - t_В1.

Значения t_k, t_В2 и Q  определяют по технико-экономическому рас­чёту с учётом давления отработавшего пара, стоимости топлива, основного и вспомогательного оборудования и др.

Расчётный подогрев воды в конденсаторе составляет 8÷12 °С при недогреве до температуры насыщения 3÷5 °С и при кратности охлаждения 40÷60 кг/кг. Для современных КЭС удельный расход пара составляет 3 кг/кВт×ч, из них 1/3 часть пара идёт на регенерацию, а остальной пар поступает в конденсатор. При мощности станции 1800 МВт и кратности охлаждения 50  кг/кг расход циркуляционной воды составит 50 м³/с, что при скорости движения воды в водоводах системы технического (циркуляционного) водоснабжения 1,3 м/с потребует установку водоводов площадью 40 м² или диаметром порядка 10 м.

Кратность охлаждения конденсатора зависит от его конструкции и температуры воды на входе в конденсатор. Снижение кратности охлаждения приводит к недовыработке электроэнергии, а повышение – к росту расхода электроэнергии на собственные нужды. Для одноходовых конденсаторов m=100 ÷110 кг/кг и они применяются при прямоточном водоснабжении, для двухходовых   m=50÷60 кг/кг. Кратность охлаждения зависит и от времени года.

11.2. Источники систем водоснабжения ТЭС

До последнего времени основным источником водоснабжения ТЭС служили реки. Однако расход воды реки, т.е. её дебет в течение года меняется: равнинные реки максимум расхода имеют весной и осенью, горные в период таяния снегов. Помимо рек источниками водоснабжения могут быть озёра, моря, артезианские скважины.

Системы циркуляционного водоснабжения подразделяют на прямо­точные, смешанные и оборотные. Выбор источника и системы водоснабжения зависит от количества воды, потребляемой в различное время года, минимального расхода воды в реке в тот же период времени и её тем­пературы.

Прямоточная система водоснабжения применяется только в том случае, если минимальный расход воды в реке не меньше потребности в воде ТЭС. Речная вода проходит через конденсатор один раз и после этого сбрасывается в реку. Сброс производится ниже по течению, чтобы исклю­чить подмешивание сбросной воды к свежей. Расстояние между забором и сбросом определяется уклоном русла, скоростью течения реки, силой и направлением ветров в районе сброса и забора воды. В ряде случаев прямоточная схема требует создания искусственного подпора (плотины). При прямоточной системе нужно учитывать санитарные требования, требования рыбоохраны, наличие площадок для строительства ТЭС и возможность их использования.

Для прямоточной системы водоснабжения источником может служить озеро или море. В озере должно быть достаточное количество воды, и она должна быть проточной. При использовании морской воды должны предусматриваться мероприятия по защите оборудования от коррозии, в первую очередь конденсатора (электрохимическая защита, крепление трубок и т.д.).

Преимуществами прямоточной системы водоснабжения являются низкая температура воды, обеспечиваю­щая глубокий вакуум, недорогие гидротехнические сооружения.

Оборотная система циркуляционного водоснабжения приме­няется, если по техническим или экономическим причинам нельзя использовать прямоточную. Она  выполняется  с  прудами-охладителями,   градирнями   и   брызгальными  бассейнами.

Водохранилища (пруды) – охладители широко применяются в нашей энергетике. Они создаются на базе небольшой реки, с переменными расходами воды от максимума до нуля. При такой схеме для задержки воды устанавливается плотина и ложе пруда-охладителя за 2÷3 года заполняется водой. Из водохранилища вода подаётся на конденсатор, после конденсатора вода  сбрасывается на расстояние, обеспечивающее ее охлаждение на 8÷12 °С. При большой глубине пруда забор воды может производиться из придонного слоя (глубиной 6÷8 м и более), а подогретую воду можно сливать и вблизи места забора. В этом случае перемешивание тёплой и холодной воды обеспечивается за счёт стратификации.

Условия создания прудов-охладителей: рациональная форма, достаточные площадь и средняя глубина водохранилища (3÷4 м); благоприятное геологическое строение долины реки и створа плотины; минимальная фильтрация плотины; возможность обеспечения рекой го­ризонта воды в водохранилище и её стока, а также восполнения потери воды (за счет фильтрации, испаре­ния и др.); выполнение санитарных условий.

Строительство КЭС связано с положением по отношению к источникам водоснабжения: требуется максималь­ное приближение станции к источнику водоснабжения. В общем случае водохра­нилища-охладители могут сооружаться не только в поймах рек, но и в стороне от них (так называемые наливные водохранилища). Они могут за­полняться из источников водоснабжения расположенных на десятки километров от КЭС. Источник водоснабжения должен компенсировать потери воды в водохрани­лище.

ТЭЦ сооружают максимально приближённо к тепловым пот­ребителям. Так, промышленные ТЭЦ располагают на территории предприятия, отопитель­ные ТЭЦ максимально приближают к жилым районам, но в определённых слу­чаях, например, по санитарным условиям, возможно сооружение ТЭЦ на значительном расстоянии от места потребления тепловой энергии – до 20 км и более. В этих случаях использование водохранилищ для обо­ротного водоснабжения ограничено.

На современном уровне развития энергетики в ряде районов водные ресурсы исчерпаны. В этом случае на КЭС и ТЭЦ применяются  системы оборотного водоснабжения с градирнями. Это более слож­ные и дорогостоящие сооружения, по сравнению с рассмотренными. Работают они на принципе испарительного охлаждения.

11.З. Прямоточная система циркуляционного водоснабжения

Прямоточная система водоснабжения в техническом и экономическом отношении наиболее совершенна. Однако в последнее время её применение ограничивается отсутствием технических и экономических возможностей (необходимого запаса воды, санитарных условий и др.).

При использовании прямоточной системы водоснабжения ТЭС размешается на берегу реки, территория ТЭС должна быть не затопляема, т.е. река должна иметь незначительные колебания уровня воды.

При применении прямоточной системы циркуляционные насосы  размещают на береговой насосной станции. Обычно это центробежные насосы производительностью до 12÷15 тыс. м³/ч с высотой всасывания 4÷5 м, ось рабочего колеса насоса располагается не выше 3÷4 м минимального уровня воды. Применение береговой насосной станции целесообразно в случаях, когда уровень воды или его колебания не обеспечивают самотечную подачу воды на всас насоса. Установка насосов циркуляционного водоснабжения в турбинном отделении менее экономична: требуется заглубление каналов (трубопроводов) для подвода воды на всас циркуляционных насосов,  фундаментов насосов и приемных колодцев. На крупных КЭС для циркуляционного водоснабжения применяются поворотно-лопастные  осевые  насосы  и  вертикальные  центробежные насосы с подпором 2÷5 м.

Вода, поступающая в циркуляционную систему, проходит через механические решётки для очистки воды от крупногабаритных предметов (грубая очистка). Решетки очищают  специальными решёткоочистительными машинами. Дополнительно очистка циркуляционной воды производится на вращающихся ситах или сетках. Они имеют промывочные струйные устройства, которые включаются автоматически при увеличении сопротивления сетки за счёт возрастания уровней на 15÷20 см.

От насосной станции вода подаётся на конденсаторы турбин по напорным  трубопроводам (водоводам) (рис. 11.2), расположенным вдоль фронта машинного отделения под землей. Для большей надежности предусматривается установка не менее 2-х трубопроводов, работающих параллельно. Устанавливаются обратные клапаны, задвижки у насосов и перед конденсаторами.

Схема прямоточного водоснабжения с береговой насосной представлена на рис. 11.3.

       Из водоприемника 3 вода циркуляционным насосом 4 подаётся в напорный трубопровод 5, по которому вводится в конденсатор 6. Из конденсатора 6 вода по сливным трубопроводам 7 сбрасывается в открытый отводящий канал 8, откуда через устройство поддержания уровня 9 поступает в открытый отводящий канал 10 и далее в водосбросное сооружение 11 (рис. 11.3).

На современных КЭС применяется блочная схема циркуляционного водоснабжения: один насос подаёт воду на конденсатор или его половину без арматуры.

На территории КЭС сливные каналы выполняются закрытыми, а за её пределами открытыми. Водоприёмное устройство в большинстве проектов сочетается с насосной.

При заборе воды из рек с большим количеством влекомых наносов или внутреннего льда (шуги) в отдельных случаях перед водоприемным устройством сооружают водозаборный ковш, который дамбой частично отгораживают от русла реки. В зимний период времени в водозаборный ковш  подаётся часть нагретой в конденсаторах турбин воды, чтобы поддерживать в приёмнике температуру воды +5 °С.

Водоприёмники имеют сооружения для очистки воды. Первичная очистка воды производится решётками, задерживающими крупные плавающие предметы. Второй этап очистки – пропуск воды через решётки размером ячеек 2x2 и 4x4 мм. Конструктивное выполнение их различно.

При прямоточной схеме использование затопленного слива воды позволяет применить сифон и за счёт этого снизить расход электроэнергии на привод  циркуляционных насосов. Применение сифона снизит величину напора циркуляционного насоса на 7÷8 м. При пуске системы, циркуляционного водоснабжения имеющей сифон, из нее должен откачиваться воздух эжектором или вакуумнасосом.

Давление Δр, МПа, создаваемое циркуляционными насосами рассчитывается по формуле

Dp = Dp_г +  Dp_к + Dp_с,                                           (11.4)

где Dp_г =g×h_г – давление, затрачиваемое на подъём воды на высоту h_г, МПа; g=9,81 кН/м³=0,01 МН/м³ – удельный вес воды; Dp_к=0,04÷0,06 МПа – гидравлическое сопротивление конденсатора; Dp_с – сопротивление всасывающих и нагнетательных трубопроводов, МПа. Общий напор насосов – Δр=0,1÷0,2 МПа и его нужно стремиться снизить за счёт приближения турбинного помещения к водоёму, обеспечением минимального превышения конденсаторов над уровнем воды, снижением количества арматуры на трубопроводах.

Расход  V, м³/с, циркуляционной воды

,         (11.5)

где G – расход охлаждающей воды, т/ч; r=1– плотность воды, т/м³; m– кратность охлаждения, т/т; D₀ и D_k– расходы пара соответственно на турбину и в конденсатор, т/ч; d₀ и d_k– удельный расход пара соответственно на турбину и конденсатор, т/МВт×ч;  – доля пропуска пара в конденсатор; N_э– электрическая мощность турбогенератора, МВт.

Мощность N_н, МВт потребляемая циркуляционными насосами:

,                                                  (11.6)

где h_н  –  КПД насоса.

Обычно мощность, потребляемая циркуляционными насосами, составля­ет 0,25÷0,35 % от мощности турбогенератора и определяется по формуле в %:

 ,                                         (11.7)

где h_э – КПД электродвигателя насоса. 

11.4. Оборотное водоснабжение с прудами-охладителями

Оборотное водоснабжение применяется, если дебет (поступление) источника водоснабжения недос­таточен, для прямоточной схемы или прямоточное водоснабжение не экономично из-за большого расстояния подачи воды или большой высоты подъёма. Для КЭС наиболее распространены в схемах оборотного водоснабжения пруды-охладители.

Применение прудов-охладителей предусматривает размещение главно­го корпуса вблизи пруда. Насосы размещаются в береговой насосной. Это связано со значительными колебаниями уровня воды в водоёме (до нескольких метров). Малые колебания уровня позволяют устанавли­вать насосы индивидуально у каждой турбины. Водоприёмник и насосная размещаются в наиболее глубоком месте, чаще у плотины.

Плотина выполняется земляной, каменнонабросной или бетонной. Длина плотины может составлять  3÷4 км, ширина по гребню до 10 м, высота - до 30÷40 м, устанавливают­ся сбросные устройства для выпуска паводковых вод и постоянного сброса воды. Места сброса и забора воды должны находиться на расстоянии, обеспечивающим необходимую глубину охлаждения воды. Создаются пруды-охладители на реках, озерах, а также на суходолах  (наливные пруды). Пруд-охладитель дорогое и трудоёмкое сооружение, обеспечиваю­щее малую фильтрацию через ложе. Заполняется пруд из верховьев реки и длительное время (до нескольких лет). Приток воды должен восполнять  убыль воды за счёт испарения и фильтрации. Пруды-охладители в сравнении с другими оборотными системами водоснабжения наиболее экономичны, обеспечивают более низкие и устойчивые темпера­туры охлаждающей воды, меньшие потери воды, отсутствие обмерзания, меньший расход электроэнергии на привод насосов.

Площадь водохранилища определяется по условиям охлаждения воды и зависит от мощности и тепловой нагрузки станции, климатических условий, формы пруда, величины акватории.

        Наиболее распространены следующие формы прудов-охладителей: а) вытянутая, дающая наибольший эффект охлаждения (рис. 11.4 а); б) округлой формы (рис. 11.4 б); в) искусственно сооружаемое вне долины реки (рис. 11.4.в).

При вытянутой форме пруда рас­стояние между забором и сбро­сом достигает 8÷10 км. Более полное использование поверх­ности пруда-охладителя достигается сооружением струенаправляющих и струераспределительных сооружений при сбросе нагретой воды. Большая глубина пруда позволяет выполнять забор воды с глубины, а сброс - в верхние слои в месте забора. Это снижает протяжённость и стоимость каналов (водоводов).

В водохранилище вода охлаждается за счёт конвекции (в основном в ночное и зимнее время), испарения и радиации.

 Уравнение теплового баланса пруда-охладителя в ГДж/сут.:

Q_с + Q_и + Q_р + Q_к + Q_в= 0,                                     (11.8)

где Q_с – приток тепла от воздуха к воде за счёт соприкосновения (конвекции);

      Q_и – тепло, затраченное на охлаждение воды за счёт испарения;

     Q_р – тепло солнечной радиации (Q_р для градирен не учитывается, для прудов-охладителей определяется по справочным данным);

    Q_к, – тепло, воспринимаемое водой в конденсаторе;

Q_в – тепло, отводимое проточной водой из охладителя (пруда)

Q_с = a_с(t - Q)×F_а;                                           (11.9)

Q_и = r× G_и=r×b_и(p_t - p_Q)F_а;                                       (11.10)

Q_к = D_k× q_k = G_о.в × (i₂ - i₁);                                      (11.11)

Q_в = G_o× i_o- G_с× i_с - G_ф× i_ф.                                       (11.12)

Таким образом, на теплообмен системы “вода-воздух” для прудов-охладителей влияют следующие параметры: коэффициент теплоотдачи от воздуха к воде a_с, ГДж/(м²×К×сут.); средняя температура воды по поверхности потока t, °С; актив­ная поверхность охлаждения водохранилища F_а, м²; теплота парообразования воды r, ГДж/т; количество испаряемой с поверхности водо­хранилища воды G_и, т/сут.; коэффициент массоотдачи при испарении воды b_и т/(сут.×МПа×м²); парциальные давления водяных паров у поверхности воды р_t и в массе воздушного потока р_Q, МПа; пропуск пара в конденсатор D_k, т/сут; тепло конденсации пара в конденсаторе q_k, ГДж/т; расход охлаждающей воды G_o.в, т/сут.; энтальпия охлаждающей воды на входе i₁ и на выходе i₂ из конденсатора, ГДж/т; расходы воды: поступающей из реки в водохранилище G_o, сбрасываемой из водохранилища G_с, теряемой с фильтрацией G_ф, т/сут., и соответствующие этим расходам энтальпии воды: i_o, i_с, i_ф, ГДж/т.       

 Уравнение материального баланса воды в водохранилище, т/сут.:

G_o = G_с+ G_и+ G_ф.                                          (11.13)

При равенстве температур воздуха Q и охлаждающей воды в водоёме t(Q = t) уравнение теплового баланса примет вид

Q_k » Q_и.

D_k× q_k » G_и× r.

Так как q_k»r, то расходы конденсата и испаряемой с поверхности водохранилища воды равны

D_k = G_и,      .                                            (11.14)

При кратности ох­лаждения m=50 с поверхности водохранилища испаряется примерно 2 % циркуляционной охлаждающей воды (D_k=0,02G_о.в).  Если же помимо испарения тепло отдаётся и конвекцией (t>Q), то количество испаряемой воды снижается до 0,8÷1 %.

Теоретическим пределом охлаждения воды в водохранилище можно считать температуру мокрого термометра t. Температура охлаждённой в водохранилище воды равна температу­ре воды на входе в конденсатор и выше (t<t₁) температуры мокрого термометра на величину предела охлаждения

d t= t₁ – t,                                                 (11.15)

который характеризует совершенство работы охладителя.

Степень охлаждения воды

Dt = t₂ – t₁,                                                             (11.16)

определяется условиями работы (тепловым балансом) конденсаторов турбин

,                                                    (11.17)

т.е. в основном кратностью охлаждения m=G_ов/D_к, а не работой водохранилища-охладителя.

Активная площадь водохранилища рассчитывается по формуле:

.                                (11.18)

Здесь: F_тр - площадь транзитного потока, км²; F_в - площадь водоворотных зон, км²; F_тр и F_в определяются гидравлическим расчетом или моделированием; F_пр общая площадь пруда без застойных зон, км²;  - коэффициент использования водохранилища ().

Площадь водохранилища в первом приближении можно определить и по величине удельной площади  водохранилища (км²/МВт).

          f_уд  = F_пр / N_э.                                                     (11.19)

Для станций мощностью 1200 МВт площадь пруда-охладителя составит 4÷10 км². Расчет площади охладителя можно выполнить по номограммам, связывающим площадь охладителя, его естественную температуру и наг­рев воды в конденсаторе [4].

Схема трубопроводов охлаждающей воды циркуляционной системы с водохранилищем − охладителем аналогична схеме при прямоточной системе (см. рис. 11.2).

Смешанная система циркуляционного водоснабжения (прямоточно-оборотная) выполняется с бесплотинным водозабором или с русловой плотиной и применяется на ТЭС в случаях, когда дебет источников в период малой воды недостаточен для прямоточного водоснабжения или, когда ТЭС располагается на высоких отметках и прямоточная система нецелесообразна. При смешанной схеме водоснабжения предусматриваются искусственные охладители или часть воды в районе водозабора смешивается со свежей речной водой.

11.5. Системы оборотного водоснабжения с градирнями

На ТЭЦ для охлаждения циркуляционной воды наиболее часто приме­няются градирни, при этом не требуется источник водоснабжения (река, озеро) расположенный вблизи станции. Их особенностью является компактность. Применяют гра­дирни как при расширении КЭС (если невозможно развитие прямоточного или прудового охлаждения), так и при строительстве КЭС.

По способу перемещения воздуха градирни разделяются на башен­ные, вентиляторные и открытые, а по способу образования поверхности охлаждения – на плёночные, капельные, брызгальные. В зависимости от направления движения воды и воздуха градирни выполняются противоточные, поперечноточные и смешанного типа (рис. 11.5). В башенных градирнях движение воздуха создаётся вытяжной башней, в вентиляторных – вентилятором, а в открытых – естественным движением воздуха (ветром).

        Для увеличения контакта воды с воздухом применяются оросительные устройства, которыми вода, подаваемая из конденсатора, разделяется на струи или капли и стекает вниз по щитам. Охлаждение воды происходит за счёт испарения и контакта с воздухом, поступающим в ороситель­ные устройства через окна. Нагретый и насыщенный водяным паром воз­дух отводится из градирни.

В плёночных градирнях оросительное устройство выполняется в виде щитов, выполненных из досок, асбоцементных листов или пластмассовых элементов, выполненных в форме сот. Устанавливаются они вертикально или с небольшим уклоном. Плёнки нагретой в конденсаторах турбин воды стекают по листам и при соприкосновении с воздухом охлаждаются. Воздух движется между листами.

В капельных градирнях оросительное устройство выпол­няется из горизонтальных брусков треугольного или прямоугольного сечения, размещаемых в несколько рядов по высоте. Расположение брусков может быть  коридорное, шахматное или каскадное. Капли воды падают с бруска на брусок и при соприкосновении с воздухом охлаждаются. В брызгальных градирнях вода распыливается соплами и в струях фонтанов охлаждается движущимся над брызгальном устройством воздухом. Охлажденная вода собирается в бассейне. Пленочные градирни имеют лучшие технические и экономические показатели благодаря большей поверхности охлаждения воды, стекающей в виде пленок по щитам и меньшему аэродинамическому сопротивлению

Для энергетики РФ характерно применение плёночных башенных градирен с естественной тягой. Вода циркуляционными насосами прокачивается через конденсатор турбин и подаётся к распределительным трубам, расположенным над оросительным устройством. Интенсивность охлаждения плёночной градирни по сравнению с капельной в 1,5÷2 paза выше. Вытяжные башни современных градирен выполнены из монолитного железобетона гиперболической формы. Ранее изготовлялись деревянными. Распределительные трубы пленочных градирен имеют сопла, распыливающие воду при давлении 0,015÷0,018 МПа. Основным размером градирни служит площадь оросительного устройства в горизонтальном сечении, которая достигает 4000÷6000 м², иногда до 9000 м². К оросительному устройству вода подаётся на высоту 9÷18 м, глубина бассейна - 2 м, высота вытяжной башни крупных градирен - 90÷150 м, диаметр выходного сечения - 45÷60 м.

Воздух поступает в нижнюю часть башни через окна высотой 3÷12 м, расположенные по ее периметру. Оросительные щиты выполняются высотой 120 и 250 см, ширина щитов 1,6 м, толщина - 5÷6 см, расстояние между щитами - 2,5 см.

Капельные градирни устанавливаются при неограниченной площади и применяются для охлаждения небольшого количества воды. В этих градирнях вода поступает в систему самотечных лотков, в днище которых установлены цилиндрические насадки. Под насадками расположены пластмассовые или фарфоровые тарелочки, с которых вода в виде струй и капель поступает на горизонтальные планки треугольного или прямоугольного сечения. По высоте они размещаются в несколько рядов. После них вода собирается в бассейне.

Капельно-плёночные градирни на периферии имеют оросительное устройство капельного типа, а в центральной части – устройство плёночного типа, имеющее более низкое гидравлическое сопротивление.

На ТЭЦ применяются крупные градирни площадью оросительного устройства (в горизонтальном сечении) 4000÷6500 м² и 9000 м². Их производительность определяется по летнему режиму при расчётных теплофикационных параметрах пара. В зимнее время температура охлаждённой в градирне воды,  не должна быть ниже 10÷12 °С, чтобы исключить обмерзание. Это обеспечивается перекрытием окон щитами и установкой по периметру градирни тепловой завесы.

Вентиляторные градирни применяют в южных районах. Их используют на передвижных электростанциях. Особенность вентиляторных градирен – повышенный эффект охлаждения и простота регулирования температуры охлаждаемой воды. Они имеют меньшие размеры, но расход электроэнергии значительно выше и составляет до 0,5÷0,7 % вырабатываемой энергии. Движение воздуха создаётся пропеллерным вентилятором с вертикальной осью и приводом от электродвигателя. Стоимость вентиляторных и башенных градирен примерно одинакова.

Открытые градирни имеют небольшую производительность и повышенные потери воды при уносе. Применяются на малых ТЭС.

Охлаждение воды в градирнях происходит в основном за счёт испарения.  Количество  G_и теряемой при испарении воды связано с расходом  G_о.в охлаждающей воды следующим соотношением:

.                       (11.20)

Отсюда доля g_и теряемой при испарении воды

,                                      (11.21)

т.е. около 2 % расхода циркуляционной воды. С учётом конвективного теплообмена потеря воды в градирне снижается до 1,2÷1,5 %.

За счет давление воды, создаваемого циркуляционными насосами, в системе с градирнями преодо­левается высота подъёма, гидравлическое сопротивление конденсатора и трубопро­водов; это давление составляет 0,2÷0,25 МПа и выше.

   В связи с дефицитом воды перспективно применение воздушно-конденсационных установок системы Геллера-ФОРГО с поверхностными охладителями в сочетании с конденсаторами смешивающего типа (рис. 11.6). Особенностью схемы с поверхностными охладителями является то, что контур водоснабжения объединяется в конденсаторе с контуром питательной воды парогенераторов.  Для  охлаждения  используется  постоянная масса конденсата и чистой воды, проходящей в градирне внутри поверхностных алюминиевых охладителей, которые снаружи омываются воздухом. Охлаждающие колонки располагаются по периметру в нижней части башни в окнах для входа, охлаждающего воздуха. Если движение воздуха в градирне происходит за счёт естественной тяги, то она создаётся башней высотою 100 м и более.

Охлаждающая вода подаётся в конденсатор, конденсирует отработавший в турбине пар и затем делится на два потока: один подается на питание парогенераторов, а второй - на охлаждение в градирню.

       Системы циркуляционного водоснабжения с сухими градирнями имеют высокую стоимость, однако их применение, перспективно из-за дефицита воды.

     Схема системы оборотного водоснабжения с градирнями представлена на рис. 11.7.

 Тепловая нагрузка  градирни Q, кДж/ч:

,                  (11.22)

где G_о.в и  G_и - расходы охлаждаемой и испаряемой воды, т/ч; t₁ и t₂ - температура воды на входе в градирню и выходе из нее, °С; с_в– теплоёмкость воды, кДж/(кг×К).

Удельная гидравлическая нагрузка или плотность орошения ω, т/(м²· ч)

,

где F_a – активная площадь градирни, м².

Удельная тепловая нагрузка q, кДж/(м²×ч×°С):

 .

Удельная площадь градирен составляет 0,01÷0,02 м²/кВт, что в 300÷400 раз меньше по сравнению с площадью пруда-охладителя. Испарение воды приводит к увеличению концентрации солей в циркуляционной воде, и это требует применения продувки или химической обработки воды систем оборотного водоснабжения с градирнями. Для компенсации продувки и уноса воды в циркуляционную систему вводится добавочная вода.

11.6. Водный баланс ТЭС

Особенность водного баланса ТЭС с прямоточным водоснабжением (рис. 11.8 а) заключается в том, что подача воды на ВПУ (ХВО) производится после конденсаторов; вода после охладителей масла, воздуха, газа и чистая вода после подшипников сбрасывается на отводящий тракт. При использовании градирен (рис. 11.8 б) эта вода возвращается в подводящий тракт перед циркуляционными насосами. На ХВО вода подаётся из источника водоснабжения или после конденсаторов. Потери воды в системе ЗШУ компенсируются замасляной водой после подшипников и сбросной водой конденсаторов.

Расход воды из реки для летнего расчётного режима составляет для прямоточной схемы 104÷107 %, а в оборотной системе с градирнями до 3 % расхода воды на конденсаторы турбин.

11.7. Технико-экономические характеристики систем водоснабжения

Для обеспечения  давления 3÷4 кПа в конденсаторах конденсационных турбин при среднегодовой температуре охлаждающей воды 10÷12 °С, в конденсаторах турбин типа Т и ПТ − 6÷7 кПа при температуре воды 20 °С расход циркуляционной воды для турбин мощностью 50 МВт составляет 8000 м³/ч, а для турбин мощностью 800 МВт – 80000 м³/ч.

Капитальные затраты на гидротехнические сооружения зависят от рельефа местности, свойств грунта и строительных материалов и для различных станций могут отличаться в несколько раз. Удельный прирост капитальных затрат характеризует изменение капитальных затрат на строительство гидротехнического сооружения и относится к единице площади активной зоны. Он также меняется в широких пределах в зависимости от рассматриваемых условий.

Удельный прирост капитальных затрат K_а определяет расчётные затраты на систему водоснабжения. Увеличение K_а при одинаковой поверхности конденсатора приводит к необходимости снизить удельную площадь водохранилища. В этом случае возрастает температура воды, кратность охлаждения, давление отработавшего пара. Оптимальные значения удельной площади водохранилища и кратности охлаждения соответствуют минимальным расчётным затратам. С увеличением удельного прироста капитальных затрат K_а оптимальная удельная площадь активной зоны f_а снижается. При снижении f_а от 3,8÷4,0 до 2,1÷2,4 м²/кВт, оптимальная кратность охлаждения m=G_о.в/D_к возрастает от 38÷40 до 45÷50. Стоимость сооружений технического водоснабжения составляет от 4 до 12 % стоимости ТЭС.

Выбор системы водоснабжения производится по расчётным затратам или сроку окупаемости Т, год.

 лет,                                        (11.23)

где  и  – капитальные затраты на сооружение и оборудование сравниваемых систем водоснабжения, руб.;

 и – сумма ежегодных эксплуатационных расходов на сравниваемые системы, руб./год

;

,

S'_a – ежегодные отчисления на амортизацию и капитальный ремонт, руб./год;

S'_э – годовая стоимость электроэнергии, расходуемой на перекачку воды, руб./год;

S'_Т – годовая стоимость топлива, перерасходованного за счёт ухудшения вакуума в конденсаторах турбин, руб./год;

S'_д– ежегодные дополнительные эксплуатационные расходы, руб./год.

11.8. Особенности работы циркуляционных систем на морской воде

ТЭЦ завода "Азовсталь", Сумгаитская и Красноводская ТЭЦ и др. для охлаждения отработавшего пара в конденсаторах турбин используют морскую воду. Особенности проектирования и эксплуатации таких ТЭЦ определяются свойствами морской воды: высокой солёностью, жёсткостью и коррозионностью. Гидрология морских водоёмов отли­чается большими колебаниями уровня и температуры воды, волнениями, донными наносами, загрязнённостью в прибрежной зоне. При проектирова­нии учитывают также и влияние биологических факторов (планктон, морские животные, медузы и др.) круп­ная водяная растительность. Особое внима­ние уделяется защите гидротехнических сооружений. Система водоснаб­жения на морской воде обычно выполняется прямоточной.

Тип водозаборного устройства определяется береговыми условиями. В закрытых гаванях и естественных бухтах, на побережье с большим па­дением дна  (глубина у берега 2÷3 м и более) сооружаются портовые водоприёмники. Выполняются они в виде железобетонных колодцев-камер, имеющих входные окна, выполненные заподлицо с красной линией порта (набережной). Чтобы избежать занос камер песком порог их входных окон приподнимается не менее чем на 1 м над дном моря, окна имеют съёмные решётки с ячейками 100x100 мм. Второй этап – механическая очистка неподвижных решёток вращающимися щётками и сетками со сливными устройствами. Размещаются очистные сооружения в закрытом помещении, которое располагается над камерой-колодцем. После очистки морская вода поступает самотёком по каналам к насосной станции. Если насосная станция и водоприёмник совмещены, то всасывающие патрубки насосов размещаются в чистых отсеках водоприемной камеры.

Если побережье подвержено действию волн, то создаются защитные дамбы, которые кроме защиты от действия волн защищают входные окна водоприёмников от забивания водорослями и шугой. При слабом падении дна приёмные устройства (трубы) выносятся на значительные расстояния от берега. На мелководье при невысокой загрязнённости воды применяются вынос­ные водозаборы облегчённого типа.

При использовании морской воды большое внимание уделяется вопро­сам надёжности. Основные причины неисправностей – коррозия, забивание донными наносами и органическое обрастание водозаборов и водоводов. Поэтому предусматривается установка резервных насосов, самотечных и закрытых напорных водоводов и перемычек.

Для защиты от коррозии наружные поверхности труб покрываются асфальтобитумными мастиками, пластмассами, эмалями. Для защиты от внутренней коррозии применяются различные ингибиторы, добавляемые в воду, например, гексаметафосфат натрия. Положительные результаты даёт применение пластмассовых, железобетонных, деревянных труб. Для борьбы с органическим обрастанием один раз в 10÷15 суток выполняют обратный ток нагретой в конденсаторах  турбин циркуляционной воды.

11.9. Борьба с загрязнением конденсаторов и

обработка циркуляционной воды

Для поддержания необходимого качества циркуляционной воды производят

механическую очистку воды от посторонних примесей, снижение или поддержание заданной величины карбонатной жёсткости и борьбу с органическими загрязнениями.

Для механической очистки применяются грубые решётки, вращающиеся механические сетки со смывными устройствами.

При эксплуатации трубки конденсаторов забиваются накипью, илом, песком, мелкой рыбой, обрастают микроорганизмами. Поэтому периодически в зависимости от степени загрязнения и солевого состава воды производится очистка трубок конденсаторов механическим, физическим или химическим методом.

Химическая очистка выполняется хлорированием и кислотной промывкой охлаждающей циркуляционной воды. Для борьбы с органическим обрастанием конденсаторов и трубопроводов производят хлорирование – периодическое введение в воду свободного хлора или хлорной извести. При кислотной промывке происходит взаимодей­ствие слабых растворов соляной или серной кислоты с накипью. В результате труднорастворимые соли переходят в легкорастворимые и вымываются водой. В процессе кислотной промывки для защиты трубок от коррозии в кислотный раствор вводятся ингибиторы, осуществляется периодический контроль путем анализа проб воды на сливе из конденсатора. Резкое снижение ионов кальция и магния в сливной воде, показывает на окончание процесса кислотной промывки.

Физические методы применяются для очистки конденсаторов от органических обрастаний. Производится промывка конденсаторов турбин горячей водой при температуре 45÷50 °С. Органические обрастания напорных трубопроводов удаляются периодической промывкой нагретой в конденсаторе водой, что требует устройства дополнительных перемычек и задвижек в системе водоснабжения.

Механические и химические методы очистки трубок от накипи не  дают нужного эффекта и поэтому для борьбы с накипью необходимо предусматривать профилактические меры. Основную массу низкотемпературной накипи (85÷90 %) составляет карбонат кальция (СаСО₃). Отложение солей СаСО₃ на поверхностях нагрева обусловлено в основном следующими причинами:

1) в оборотных системах за счёт упаривания растёт концентрация солей карбонатной жёсткости;

2) в воде при нагревании снижается концентрация СO₂ и бикарбонат кальция Ca(HCO₃)₂ переходит в карбонат кальция (CaCO₃), выпадающий в осадок;

3) в результате повышения температуры циркуляционной воды происходит понижение растворимости солей временной жёсткости.

Профилактические мероприятия, приводящие к снижению низкотемпературных накипеобразований в системах технического водоснабжения ТЭС:

– продувка циркуляционной системы;

– умягчение воды известкованием (CaOH₂);

– подкисление воды;

– фосфатирование воды.

Кроме того, для борьбы с накипью применяется обработка воды дымовыми газами, магнитная обработка и катионирование циркуляционной воды.

Величина продувки α_пр циркуляционной системы рассчитывается по формуле

,                                            (11.24)

где  , S'_прод – временная жесткость соответственно добавочной и продувочной воды;  S'_прод = 4200¸4500 мг-экв/л.

,                                                     (11.25)

Здесь Dt – зона охлаждения; k=0,06¸0,08 – зимой; k=0,12 – весной, осенью; k=0,16 – летом.