Технические решения по предотвращению теплового загрязнения водоемов в пределах урболандшафта

УДК 628.32

Т. С. Титова, Р. Г. Ахтямов, Э. С. Насырова

ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ТЕПЛОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ В ПРЕДЕЛАХ УРБОЛАНДШАФТА

Дата поступления: 29.1 1.2016 Решение о публикации: 19.12.2016

Цель: Разработка и научное обоснование технического решения по предотвращению теплового загрязнения водоемов - охладителей объектов электроэнергетики. Методы: Патентная проработка, методы системного анализа. Результаты: Установлено, что водоемы-охладители, в которые сбрасываются подогретые воды с объектов электроэнергетики, подвержены тепловому загрязнению. В связи с этим водоемы становятся непригодными для жилищно-коммунального хозяйства, а именно: для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения населения и рекреационного водопользования. Существующие технические решения по предотвращению теплового загрязнения водоемов имеют ряд недостатков: невысокую надежность ввиду сложности и громоздкости конструкции; ограниченные функциональные возможности, обусловленные неполноценным использованием теплоносителя и длительным нагревом холодной воды. На основе проведенной патентной проработки существующих способов снижения теплового загрязнения разработан тепло-утилизатор подогретых вод объектов электроэнергетики (патент РФ № 134621 ). Для разработанного теплоутилизатора характерно расширение функциональных возможностей существующих способов предотвращения теплового загрязнения за счет использования тепловой энергии подогретых вод электростанций для нагрева холодной воды и, соответственно, охлаждения подогретых вод. Практическая значимость: Предлагаемое техническое решение позволяет утилизировать тепло подогретых вод объектов электроэнергетики перед сбросом в водоем-охладитель. Тем самым теплоутилизатор предотвращает тепловое загрязнение водоема и, как следствие, обеспечивает требуемый уровень качества вод для водоснабжения и снабжает потребителя теплой водой, то есть способствует решению нескольких задач жилищно-коммунального хозяйства.

Урболандшафт, жилищно-коммунальное хозяйство, водоем, тепловое загрязнение, теплоутилизатор.

Tamila S. Titova, D. Eng., professor, Rasul G. Akhtyamov, Cand. Sci (Eng.), assoc. professor, Elina S. Nasyrova, postgraduate student, ElinaSagitovna@yandex.ru (Petersburg State Transport University) TECHNICAL SOLUTIONS FOR PREVENTION THERMAL POLLUTION OF PONDS WITHIN URBOLANDSCAPE

Objective: The development and scientific substantiation of technical solutions for prevention thermal pollution of cooling pond of power facilities. Methods: Patent study,

methods of system analysis. Results: Found that cooling ponds in which discharged heated water from electric power facilities, leading to thermal pollution. In connection with which the waters become unfit for housing and communal services, namely drinking and domestic water supply and recreational water use. The existing technical solution for preventing thermal pollution of water bodies have a number of drawbacks, namely low reliability due to the complexity and bulkiness of the structure; limited functionality due to not fully using the heat medium and long cold water. On the basis of the patent study of existing methods of reducing thermal pollution, the developed heat exchanger heated waters of power objects (patent RU № 134621). Designed heat exchanger characterized by enhanced functionality available ways to prevent thermal pollution due to the use of thermal energy of the heated waters of power plants for heating of cold water and correspondingly cooling the heated waters. Practical importance: The proposed by authors technical solution allows utilizing the heat energy of the heated waters of power facilities before discharge into cooling ponds. Thus, the heat exchanger prevents thermal pollution of the reservoir and consequently provides a desired level of water quality for water supply and supplies the consumers with warm water, i. e., contributes to several tasks of housing and communal services.

Urbolandscape, housing and communal service, pond, thermal pollution, heat exchanger.

Введение

Одной из отраслей жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), обеспечивающей функционирование урболандшафта и создающей комфорные условия для проживания населения, является теплоэнергетика, которая обеспечивает город электричеством, тепловой энергией и горячей водой. На территории РФ построено 358 тепловых электростанций (ТЭС) мощностью более 25 МВт. Работа ТЭС сопровождается использованием различных видов топлива (природного газа, мазута, угля) и значительных объемов воды, необходимой для охлаждения технических агрегатов.

Различают следующие системы циркуляционного водоснабжения

ТЭС:

- прямоточные: водозабор производится из водотока или проточного водоема, водоотведение соответственно;

- оборотные: водоемы-охладители, градирни и брызгальные бассейны;

- смешанные: прямоточно-оборотные.

При этом наиболее эффективными с точки зрения негативного влияния на природную среду являются градирни, которые исключают использование компонентов природной среды - водных объектов. Однако на практике широко используются водоемы-охладители, в которые сбрасываются подогретые воды с ТЭС, вызывающие их тепловое загрязнение [1-5, 10-12, 14-16]. В соответствии с СанПиН 2.1.5.980-00 при превышении летней температуры поверхностных вод в результате сброса сточных вод больше чем на 3 °С

среднемесячной температуры воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет водный объект становится непригодным для ЖКХ, то есть для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения населения и рекреационного водопользования.

Одновременно с изучением влияния ТЭС на природную среду ведется разработка способов снижения и предотвращения теплового загрязнения водоемов в пределах урболандшафта. Одним из современных способов снижения температуры сбрасываемых подогретых вод ТЭС является рекуперация тепла.

Этот способ снижения теплового загрязнения реализуется в следующих технических решениях:

- утилизатор тепла сточных вод, представляющий собой теплообмен-ный резервуар стоков, состоящий из горизонтального контейнера для сточной воды, внутри которого параллельно расположены плоские теплообменники из нержавеющей стали с холодной водой системы водоснабжения [13];

- отопительная система с оптимизированной схемой рекуперации тепла отработанных вод, включающая тепловой насос, удерживающий резервуар отработанных вод, и теплообменник для рекуперации тепла [6];

- теплоутилизатор, состоящий из корпуса, разделенного герметичной перегородкой на отсеки для горячей и холодной сред, и пучка тепловых труб, проходящих через отсеки и закрепленных в перегородке [9];

- теплоутилизатор, состоящий из частично заполненного теплоносителем корпуса с тангенциальным патрубком подвода теплоносителя и трубы слива последнего и размещенного внутри корпуса змеевика и очистительного устройства, выполненного в виде плавающего на поплавке ротора, соединенного с фильтром, щетками и заслонкой [8].

Недостатком приведенных технических решений является невысокая надежность ввиду сложности и громоздкости конструкции; ограниченные функциональные возможности, обусловленные не полноценным использованием теплоносителя и длительным нагревом холодной воды.

Разработка теплоутилизатора

На основе проведенного исследования существующих способов снижения теплового загрязнения разработан теплоутилизатор [7] подогретых вод объектов электроэнергетики, представленный на рисунке.

Теплоутилизатор состоит из заполненного теплоносителем корпуса 1, выполненного из теплоизоляционного материала, с патрубком 2 подвода теплоносителя, патрубком 3 подвода холодной воды, патрубком 4 отвода охлажденной воды и патрубком 5 отвода подогретой воды. Патрубки 3 и 5 снабжены задвижками 6 и 7. В корпусе 1 размещены змеевики 8 и 9 для нагреваемой среды, которые соединены между собой, при этом змеевик 9 меньшего

2

^ 6

/

7

Теплоутилизатор подогретых вод объектов электроэнергетики: 1 - корпус теплоутилизатора; 2 - патрубок подвода теплоносителя; 3 - патрубок подвода холодной воды; 4 - патрубок отвода охлажденной воды; 5 - патрубок отвода подогретой воды; 6, 7 - задвижки; 8, 9 - змеевики; 10, 11 - датчики температуры

диаметра расположен внутри змеевика 8 большого диаметра. На патрубке 3 и на месте соединения змеевиков 8 и 9 с патрубком 5 установлены датчики температуры 10 и 11.

Разработанный теплоутилизатор подогретых вод объектов электроэнергетики работает следующим образом: одновременное наполнение змеевиков 8 и 9 холодной (водопроводной) водой осуществляется через патрубок 3 (задвижка 6 открыта). После заполнения змеевиков 8 и 9 задвижка 6 закрывается. Змеевики 8 и 9 выполнены в спиралевидной форме. Наполнение корпуса 1 теплоносителем (подогретыми водами с объектов ТЭС) осуществляется через патрубок 2, при этом обеспечивается постоянный подвод теплоносителя по патрубку 2 и отвод охлажденной воды по патрубку 4 в водоем-охладитель. Корпус 1 представляет собой цилиндр, выполненный из теплоизоляционного материала. В результате теплообмена между теплоносителем в корпусе 1 и холодной водой в змеевиках 8 и 9 вода нагревается до температуры теплоносителя. При равенстве температур по показаниям датчиков 10 и 11 откроется задвижка 7 для отвода подогретой воды потребителю. После полного опорожнения змеевиков 8 и 9 закроется задвижка 7 и откроется задвижка 6 для их заполнения.

Заключение

Предлагаемое техническое решение позволяет утилизировать тепло подогретых вод ТЭС перед сбросом в водоем-охладитель. Тем самым тепло-

утилизатор предотвращает тепловое загрязнение водоема и, как следствие, обеспечивает требуемый уровень качества вод для водоснабжения и снабжает потребителя теплой водой, то есть способствует решению нескольких задач ЖКХ.

Библиографический список

1. Афонина Е. Ю. Многолетняя динамика зоопланктона в водохранилище-охладителе ГРЭС в условиях Забайкалья по материалам мониторинга (на примере Харанорско-го водохранилища) / Е. Ю. Афонина, М. Ц. Итигилова. - Хабаровск: ДВО РАН, 2005. -С. 130.

2. Горюнова С. В. Антропогенное эвтрофирование водоема - охладителя АЭС как возможная причина чрезвычайной ситуации техногенного характера / С. В. Горюнова // Вестник российского университета дружбы народов, серия: Агрономия и животноводство. - 2009. - № 2. - С. 35-42.

3. Зубарева Э. Л. Качество поверхностных вод: проблемы и решения / Э. Л. Зубарева, Н. А. Белоконова // Экология и промышленность России. - 2007. - № 6. - С. 28-29.

4. Масликов В. И. Природно-технические системы в энергетике / В. И. Масликов, М. П. Федоров // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2005. - № 6. - С. 7-16.

5. Морозова О. Г. Факторы эвтрофикации экосистемы водоемов-охладителей и принципы оптимизации качества воды для технологических целей и аквакультуры: автореф. дисс. ... д-ра биолог. наук: 03.00.16 / О. Г. Морозова. - Красноярск, 2003. - 38 с.

6. МПК F24D11/02. Отопительная система с оптимизированной рекуперацией тепла отработанных вод / Мур Ален. № 2011112855/12.2009.

7. Патент 134621 РФ. Теплоутилизатор подогретых вод объектов электроэнергетики / А. Н. Елизарьев, Э. С. Хаертдинова, И. В. Садыков, А. А. Зиновьев, Н. Н. Красногорская, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО Уфимский гос. авиац. технич. ун-т. -2013120742/06, опубл. 20.11.2013.

8. Патент 2042099 РФ. Теплоутилизатор / И. Ю. Яркова, заявитель и патентообладатель И. Ю. Яркова, опубл. 20.08.1995.

9. Патент 2375660 Укр. Теплоутилизатор / А. Н. Гершуни, А. П. Нищик, заявитель и патентообладатель научно-производственное кооперативное предприятие «РИКС» (иА) - 2007116086/06, опубл. 10.12.2009.

10. Пашкова М. А. Мониторинг токсикантов в экосистеме водоема-охладителя для обеспечения производства энергии и гидроэкологической безопасности территории на примере Березовской ГРЭС-1: автореф. дисс. ... канд. биолог. наук: 03.00.16 / М. А. Пашкова. - Красноярск, 2004. - 25 с.

11. Рихтер Л. А. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций / Л. А. Рихтер, Э. П. Волков, В. Н. Покровский. - М.: Энергоиздат, 1981. -294 с.

12. Токарева О. Ю. Комплексный анализ изменения состояния водоема - охладителя ТЭС и возможные пути его восстановления: на примере озера в г. Чите: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 25.00.36 / О. Ю. Токарева. - Чита, 2004. - 21 с.

13. Утилизация тепла сточных вод [Электронный ресурс]. URL: http://www. polarsolvostok.ru/texdoc/stok.html (дата обращения 01.11.2016).

14. Хаертдинова Э. С. Исследование экологического состояния водоемов урбанизированных территорий в условиях теплового загрязнения / Э. С. Хаертдинова, А. Н. Кутли-ахметов, А. Н. Елизарьев, Р. Р. Муллаянов и др. // Вода: химия и экология. - 2012. - № 5. -С. 3-10.

15. Хассан Т. Моделирование теплового факела для оценки эффективности инженерных решений по снижению теплового загрязнения водоема-охладителя ТЭЦ: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 03.02.08 / Т. Хассан. - М., 2012. - 21 с.

16. Хендерсон-Селлерс Б. Умирающие озера. Причины и контроль антропогенного эвтрофирования / Б. Хендерсон-Селлерс, Х. Р. Маркленд. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990. -С. 290.

References

1. Afonina E. Ju. & Itigilova M. C. Mnogoletnjaja dinamika zooplanktona v vodohra-nilishhe-ohladitele GRJeS v uslovijah Zabajkal'ja po materialam monitoringa (na primere Ha-ranorskogo vodohranilishha) [Long-term dynamics of zooplankton in reservoir-cooler of the GRES in the conditions of Transbaikalia according to the materials of the monitoring (for example, Kharanorskaya reservoir)]. Khabarovsk, 2005. 130 p.

2. Gorjunova S. V. Vestnik rossiyskogo universiteta druzhbyi narodov, seriya: Agronomi-ya i zhivotnovodstvo - Bulletin of Peoples' Friendship University of Russia. Series: agronomy and animal industries, 2009, no. 2, pp. 35-42.

3. Zubareva Je. L. & Belokonova N. A. Ekologiya ipromyishlennost Rossii - Ecology and industry of Russia, 2007, no. 6, pp. 28-29.

4. Maslikov V. I. & Fedorov M. P. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. - Energetika Bulletin of the Russian academy of sciences. Energy, 2005, no. 6, pp. 7-16.

5. Morozova O. G. Faktory jevtrofikacii jekosistemy vodoemov-ohladitelej i principy optimizacii kachestva vody dlja tehnologicheskih celej i akvakul'tury [Factors of eutrophication of the ecosystem of reservoirs-coolers and the principles of optimizing the quality of water for technological purposes and aquaculture: autoabstract]. Krasnoyarsk, 2003. 38 p.

6. MPK F24D11/02. Otopitel'naja sistema s optimizirovannoj rekuperaciej tepla otrabotannyh vod/Mur Alen [Heating system with optimized recovery of waste water heat]. № 2011112855/12.2009.

7. Patent RU 134621. MPK F28C. Teploutilizator podogretyh vod ob'ektov jelektrojen-ergetiki [Heat exchanger the heated waters of power objects]. A. N. Elizar'ev, Je. S. Haertdinova, I. V. Sadykov, A. A. Zinov'ev, N. N. Krasnogorskaja; patent aphlicant and owner FGBOU VO Ufa State Aviation Technical University (RU). 2013120742/06, publ. on 20.11.2013.

8. Patent RU 2042099, MPK F28C3/06. Teploutilizator [Heat exchanger]. I. Ju. Jarkova; patent aphlicant and owner I. Ju. Jarkova (RU), publ. on 20.08.1995.

9. Patent UA 2375660, MPK F28D15/02 (2006.01). Teploutilizator [Heat exchanger]. A. N. Gershuni, A. P. Nishhik; patent aphlicant and owner NPKP "RIKS" (UA). 2007116086/06, publ. on 10.12.2009.

10. Pashkova M. A. Monitoring toksikantov v jekosisteme vodoema-ohladitelja dlja obespechenija proizvodstva jenergii i gidrojekologicheskoj bezopasnosti territorii na primere Berezovskoj GRJeS-1 [Monitoring of toxicants in the ecosystem of cooling pond for the production of energy and hydroecological safety of the territory, for example, Berezovskaya GRES-1: autoabstract]. Krasnoyarsk, 2004. 25 p.

11. Rihter L.A., Volkov Je. P. & Pokrovskij V. N. Ohrana vodnogo i vozdushnogo basse-jnov ot vybrosov teplovyh jelektrostancij [Protection of water and air pools from emissions of thermal power plants]. Moscow, 1981. 294 p.

12. Tokareva O. Ju. Kompleksnyj analiz izmenenija sostojanija vodoema-ohladitelja TJeS i vozmozhnye puti ego vosstanovlenija: na primere ozera v g. Chite [Comprehensive analysis of the state change of the cooling pond of thermal power plants and possible ways of its restoration: the example of lake in the city of Chita: autoabstract]. Chita, 2004. 21 p.

13. Utilizacija tepla stochnyh vod [Recycling heat from waste water], availaible at: http://www.polarsolvostok.ru/texdoc/stok.html (cited 01.11.2016).

14. Haertdinova Je. S., Kutliahmetov A. N., Elizar'ev A. N., Mullajanov R. R. & Kras-nogorskaja N. N. Voda: himiya i ekologiya - Water: chemistry and ecology, 2012, no. 5, pp. 3-10.

15. Hassan T. Modelirovanie teplovogo fakela dlja ocenki jeffektivnosti inzhenernyh reshenij po snizheniju teplovogo zagrjaznenija vodoema-ohladitelja TJeC [modeling of the thermal torch to assess the effectiveness of engineering solutions to reduce thermal contamination of the cooling pond of CHP: autoabstract]. Moscow, 2012. 21 p.

16. Henderson - Sellers B., Marklend H. R. Umirajushhie ozera. Prichiny i kontrol' an-tropogennogo jevtrofirования [Dying of the lake. Causes and control of anthropogenic eutro-phication]. Leningrad, 1990. 290 p.

ТИТОВА Тамила Семеновна - д-р техн. наук, профессор, заведующая кафедрой, проректор по научной работе; АХТЯМОВ Расул Гумерович - канд. техн. наук, доцент; НАСЫРОВА Элина Сагитовна - аспирант, ElinaSagitovna@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).

© Титова Т.С., Ахтямов Р. Г., Насырова Э.С., 2016