Инженерные решения по снижению воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок на качество вод водоемов-охладителей

УДК 621.311.22:502

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ СБРОСОВ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА КАЧЕСТВО ВОД ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ

Т. ХАССАН, Р.Я. ДЫГАНОВА Казанский государственный энергетический университет

В данной работе рассмотрено несколько инженерных решений по снижению воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок на качество вод водоемов-охладителей. Представлено экологическое и экономическое сопоставление недостатков и преимуществ предлагаемых технологических приемов для конкретного объекта, что должно способствовать выбору правильного решения. Данное сопоставление соответствует ТЭЦ (мощностью электрической - 220 МВт, тепловой - 630 Гкал/ч) с забором оборотной воды до 12000 м /ч из озера площадью 119 га в условиях г. Казани. Отработанная теплая вода сбрасывается в циркуляционный канал и далее - в озеро.

Ключевые слова: ТЭЦ, тепловое загрязнение, градирни, эжекторное устройство.

Проблема защиты природных водных объектов от теплового загрязнения возникла в результате использования рек, озер и водохранилищ для охлаждения циркуляционной воды тепловых (ТЭЦ) и атомных (АЭС) электростанций. От электростанции в водоём непрерывно поступает поток воды с температурой, на 812 °С превышающей температуру воды в водоёме, что значительно превышает перегрев, разрешенный правилами. Вследствие повышения температуры воды в водоеме или водотоке изменяется видовой состав флоры и фауны, увеличивается количество биомассы, разлагаются растительные остатки, уменьшается содержание кислорода в воде, ухудшается ее качество и деградирует экосистема.

Согласно регламента условий спуска сточных вод в водоёмы, температура воды в водоемах летом при сбросе в них подогретых вод не должна превышать более чем на 3°С среднемесячную температуру самого жаркого месяца. По данным Татарского центра по гидрометеорологии самым теплым месяцем является июль, средняя температура которого равна 23 °С. Прямоточная система ТЭЦ с циркуляционным каналом обеспечивает снижение температуры воды перед сбросом в озеро до 5-6 °С. Следовательно, температура воды в выпуске циркуляционного канала будет составлять ~ 28 °С, что превышает перегрев, разрешенный правилами на 2-3 °С.

Для охлаждения циркуляционной воды на ТЭЦ могут применяться различные технические устройства. На ТЭЦ России широко применяется система технического водоснабжения с градирнями. По способу создания тяги воздуха градирни разделяются на вентиляторные, башенные и открытые. Открытые градирни предназначаются преимущественно для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м3/ч. Исходя из этого рассматриваются системы технического водоснабжения с использованием вентиляторных и башенных градирен. Кроме того, авторами предлагается инженерное решение, основанное на использовании эжекторной системы технического водоснабжения крупных конденсационных электростанций.

© Т. Хассан, Р.Я. Дыганова

Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

Расчет градирен надлежит выполнять исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и влажному термометрам (или относительной влажности воздуха) по многолетним наблюдениям при обеспеченности 1 - 10 % за летний период года (июнь, июль, август). Выбор обеспеченности можно производить в зависимости от категории водопотребителя.

Технологический - тепловой и аэродинамический - расчет необходим при проектировании новых и привязке существующих проектов градирен к местным метеорологическим условиям с учетом требований к температуре охлажденной воды и гидравлическим нагрузкам. Конечной целью расчета вентиляторных градирен является определение плотности орошения qж и числа градирен (или секций, если градирни секционные), обеспечивающих охлаждение заданного количества воды от температуры * 1 до температуры *2 при расчетных

параметрах атмосферного воздуха $ 1, ф 1 (т 1) и р5. Конечной целью расчета башенных градирен обычно является определение величины 2 при заданных значениях /ор, qж, Д, $ 1 и ф 1 [1].

Обозначения:

* 1 - температура воды на входе в градирню, °С;

*2 - температура воды на выходе из градирни, °С;

/ор - площадь оросителя градирни, м2;

qж - плотность орошения градирни (скорость движения воды по массе), м3/(м2-ч);

Д* - перепад температур воды в градирне, °С;

$ 1 - температура атмосферного воздуха по сухому термометру, °С;

ф 1 - относительная влажность атмосферного воздуха, % (доли единицы);

т 1 - температура атмосферного воздуха по влажному термометру, °С;

р 5 - барометрическое давление, кгс/м2.

Исходные данные для технологических расчетов, отобранные в условиях г. Казани на основе обеспеченности 10 %, которая соответствует продолжительности стояния температур $ 1 и т 1, и влажности ф 1 примерно 10 дней в году.

Технологический расчет вентиляторных градирен можно условно разделить на два этапа. На первом этапе определяется удельный расход воздуха X, на втором - плотность орошения q ж и число градирен (секций) N [1]. Типовой методический бланк вентиляторных градирен с исходными данными приводится в табл. 1.

Таблица 1

Результаты расчетов вентиляторных градирен с исходными данными

^ ж м3/ч * 1 °С * 2 °С Д* °С $ 1 °С т 1 °С ф 1 % р5 кгс/м2 X q ж м3/ (м2  ч) /ор м2 N

12000 35 25 10 23,4 17,8 55 10190 1,03 8 380 3,94

Расчетные графики для башенных градирен позволяют определять для каждого типоразмера градирни гарантийную температуру охлажденной воды *2 в зависимости от температуры наружного воздуха по сухому термометру $ 1 и его относительной влажности ф 1, плотности орошения qж и температурного перепада Д*. Температуры охлажденной воды башенных градирен следует © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

определять по графикам, выполненным на ЭВМ по программам, разработанным в математической лаборатории ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева. Температура охлажденной воды для каждого типоразмера градирни в условиях г. Казани приведена в табл. 2.

Таблица 2

Температура охлажденной воды для каждого типоразмера башенных градирен

»1 °С °С Ч ж м3/ (м2 ч) /ор =1100м2 /ор =1600 м2 /ор =2300 м2 /ор =3200 м2

ф1 % 12 °С высота градирни 52 м высота градирни 62 м высота градирни 75 м высота градирни 88 м

6 31,3 29,8 29 27,5

23.4 55 10 8 32,5 30,8 30,5 29,5

10 34 32,5 32 31,5

В целом перевод ТЭЦ на оборотную систему охлаждения с градирнями включает следующие аспекты:

1. С целью охлаждения циркуляционной воды для данного случая требуется установить четыре вентиляторные градирни с вентилятором ВГ 104 (Нема) и оросителем (деревянный капельно-пленочный) с плотностью орошения 8 м3/(м2-ч) (табл. 1), или башенную градирню высотой 88 м с плотностью орошения 6 м /(м -ч) и площадью оросителя 3200 м (табл. 2).

2. Вентиляторные градирни обеспечивают более глубокое и устойчивое охлаждение воды и допускают большие удельные тепловые нагрузки, чем башенные градирни. С использованием вентиляторных градирен температура охлажденной воды в выпуске циркуляционного канала будет равна 25 °С, что полностью удовлетворяет требованиям правил, тогда как температура воды при охлаждении с использованием башенной градирни, высотой 88 м, плотностью орошения 6 м3/(м2-ч) и площадью оросителя 3200 м2, равна 27,5°С (табл. 2), что превышает перегрев, разрешенной правилами на 2,5 °С и не решает проблему теплового загрязнения данного озера.

3. Высота башенной градирни, предусмотренная расчётом, должна составить 88 м. Установка ее будет сопровождаться значительным землеизъятием, меняя архитектурный план города, тогда как вентиляторные градирни требуют меньшей площади застройки. Кроме того, сооружение вентиляторных градирен дешевле на 50-80%, чем башенных. Но для привода вентиляторов требуется значительный расход электроэнергии, а сами вентиляторы и их приводы нуждаются в постоянном уходе и ремонте и, следовательно, вентиляторные градирни требуют дополнительных эксплуатационных расходов по сравнению с башенными.

4. Перевод ТЭЦ на оборотную систему охлаждения с испарительными градирнями поставит ряд новых экологических проблем. Градирни, как источник возможного негативного влияния на состояние окружающей среды, могут рассматриваться в следующих аспектах: унос капельной влаги, выброс вредных веществ, паровой факел и шум. Унос капельной влаги приведет к образованию осадков летом - в виде тумана, в зимний период - вызывая повышенную влажность и гололёд. Выбрасываемые капли будут содержать в сконцентрированном виде, за счет упаривания воды в градирне, вредные примеси, оставшиеся после очистки сточных вод, добавляемых в систему оборотного водоснабжения для восполнения неизбежных потерь воды из системы.

5. Определена эффективность охлаждения воды градирнями. Средняя годовая температура охлаждающей воды в оборотных системах примерно на 10-12 °С выше температуры охлаждающей воды из данного озера. Данное обстоятельство приводит к снижению КПД турбины на 1,5 - 2%.

6. Экономическая стоимость оборотной системы охлаждения с испарительными градирнями и ее эксплуатации во много раз превышает стоимость существующей системы.

Более перспективным видится решение проблемы с прежней прямоточной системой охлаждения вод ТЭЦ в случае, если для предотвращения сверхнормативного подогрева вод озера будет найден оптимальный инженерный вариант с одновременным решением экономических, технологических, экологических и социальных проблем. Авторами предлагается инженерное решение, основанное на использовании эжекторной системы технического водоснабжения крупных конденсационных электростанций.

При эксплуатации тепловых электростанций наиболее экономичной, по капитальным вложениям и эксплуатационным затратам, является прямоточная система технического водоснабжения. В прямоточных системах вода используется однократно, поэтому перегрев воды на водозаборе отсутствует.

Предлагаемая система состоит из двух основных элементов: водозабора и эжекторного устройства на сбросе нагретой воды в водоем [2]. Водозабор вынесен вверх по течению от места сброса, что обеспечивает подачу воды для охлаждения конденсаторов с низкой, близкой к естественной, температурой. Эжекторное устройство представляет собой гидротехническое сооружение, состоящее из струенаправляющей дамбы 1, входной части 5 с береговым укреплением, камеры смешения, напорных трубопроводов 3 нагретой воды, водослива 2. Нагретая в конденсаторах электростанции вода по сбросному каналу 4 через водослив поступает по соплам напорных трубопроводов в камеру смешения (рис. 1).

4

Рис. 1. Предлагаемая схема эжекторной системы технического водоснабжения ТЭЦ

Результаты расчетов по формулам, изложенным в работе [3], свидетельствуют о том, что эжекторное устройство позволит снизить температуру сбросной воды с 28 °С до 25 °С, что полностью удовлетворяет требованиям правил. Расход воды из озера будет составлять ~ 1,7 м3/с. Расход воды, поступающей в камеру смешения, ~ 5 м3/с. Нагретая вода будет вытекать со скоростью 1,5-2 м/с из трети сопел, расположенных равномерно в камере смешения под углом 20° к поверхности дна камеры.

Уровень воды в сбросном канале на несколько метров выше уровня в водоеме, поэтому кинетическая энергия сбросного потока в камере смешения эжектора создает большие выходные скорости, под действием которых происходит подсасывание холодной воды из источника. Благодаря интенсивному турбулентному перемешиванию происходит существенное снижение температуры сбросной воды до значений, допустимых правилами. Работа эжектора в целом обеспечивается за счет кинетической энергии сбросного потока, возникающей из-за разности уровней воды в сбросном канале и на поверхности водохранилища, без затрат электроэнергии. За эжектором, вниз по течению, распространяется мощный поток слегка нагретой воды, который перемешивается с водой водоема. Теплоотдача в атмосферу и вовлечение холодной воды водоема снижает температуру в нем.

Таким образом, в ходе проведенной работы рассмотрены два способа охлаждения воды после конденсаторов паровых турбин по снижению воздействия тепловых сбросов энерготехнологических установок на качество вод водоемов-охладителей: охлаждение воды в градирнях и охлаждение воды в эжекторной системе технического водоснабжения крупных конденсационных электростанций. Градирня - самостоятельная сложная тепломеханическая установка. Относительно большие капительные вложения, эксплуатационные затраты а также их большое негативное влияние на окружающую среду и социальные условия обитания определяют стремление к ограничению их строительства. Исходя из этого, было найдено оптимальное инженерное решение - сохранение прямоточной системы технического водоснабжения с использованием энергии сбросного потока крупных электростанций для организации управляемого принудительного течения в водоеме. Это существенно снизит эксплуатационные затраты и полностью решит как экологическую, так и социальную проблемы.

Summary

In this research some engineering decisions were made to reduce impact of energotechnological installations thermal effluent on water quality of water reservoir-coolers. Ecological and economical comparison of drawbacks and advantages of the suggested technological methods are submitted for a particular object. The comparison was carried out in conditions of Kazan heat station (electrical capacity - 220 MW, thermal capacity 630 kcal/h) with diversion capacity of 12000 M3/h from a lake with the area of 119 hectare. The hot wastewater is discharged into the circular channel and further into the lake.

Key words: power plant, thermal pollution, cooling tower, ejector device.

Литература

1. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84).

2. Никитин И.К., Костин А.Г., Доманов В.Н., Новиков В.А. Эжекторные системы технического водоснабжения ТЭС и АЭС как средство улучшения качества воды в водоеме // Энергетик. 1992. №8.

3. Robert H. Turner, Yunus A Cingel, Fundamentals of thermal-fluid sciences. 2004. C. 184-185.

Поступила в редакцию 23 ноября 2009 г.

Хассан Тана - аспирант кафедры «Инженерная экология и рациональное природопользование» (ИЭР) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-917-9361504. E-mail: thanahassan@gmail.com.

Дыганова Роза Яхиевна - д-р биол. наук, профессор, академик РАЕН, заведующая кафедрой «Инженерная экология и рациональное природопользование» (ИЭР) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-43-24.