ИТС 20-2016 Промышленные системы охлаждения

     2.3.5 Оборотные ПСО с водоемами-охладителями

По назначению, расположению и условиям питания водоемы-охладители разделяются на следующие группы:

- русловые водохранилища на водотоках;

- водоемы-охладители на естественных озерах и прудах;

- наливные искусственные пруды, сооружаемые вне водотока, с подпиткой из ближайших водных объектов;

- отсечные водоемы, представляющие собой часть природного водного объекта, отделенного от него дамбой.

Свободная поверхность водохранилища-охладителя не вся одинаково эффективно участвует в отдаче тепла, поступающего с нагретой циркуляционной водой. Количество тепла, отводимого с единицы площади того или иного участка поверхности водохранилища, зависит от температуры воды на этом участке. Схема циркуляции в водохранилище-охладителе определяется его формой, взаимным расположением водосбросных и водоприемных сооружений, а также струераспределительными и струенаправляющими сооружениями.

При проектировании крупных водохранилищ-охладителей с глубинами, достигающими десятков метров, и с объемами воды в сотни миллионов кубических метров следует учитывать, что кроме градиентных течений, вызываемых сбросом циркуляционного расхода и поступлением речной воды, в водохранилищах имеют место также ветровые, плотностные и компенсационные течения.

Ветровые течения приводят к сгону воды от подветренной стороны водоема и к нагону ее у наветренной стороны. Возникающий при этом горизонтальный градиент давления, направленный в сторону, противоположную ветру, вызывает один из видов глубинных компенсационных течений.

Известно, что вода имеет максимальную плотность при температуре 4°С, а при нагревании ее плотность уменьшается. Передача тепла в водную толщу за счет молекулярной диффузии и теплопроводности весьма слаба. Поэтому при прогреве верхних слоев воды возникает температурная стратификация: температура воды на поверхности оказывается выше, чем в глубинных слоях, и эта разница достигает иногда 10°С и более. При выпуске теплой воды на поверхность водохранилища может возникнуть устойчивая разница температур воды в верхних и нижних слоях и произойти расслоение потоков, имеющих различною плотность. В этом случае возникают верхнее теплое и глубинное холодное течения, которые могут быть разнонаправленными. Такие течения называются плотностными.

При сбросе нагретой воды в водохранилище у сбросных сооружений часто наблюдается понижение температуры воды на несколько градусов. Это объясняется тем, что нагретая вода, если она выходит в водохранилище со значительными скоростями, эжектирует массы холодной воды из придонных слоев и вовлекает их в циркуляционный поток. Этот смешанный поток, имея меньшую плотность, чем придонные слои, выходит на поверхность, а по направлению к сбросным сооружениям возникает глубинный ток холодной воды, являющийся вторым видом компенсационных течений.

Важной характеристикой водоемов-охладителей является коэффициент использования площади водохранилища, равный отношению активной зоны, участвующей в процессе теплообмена к общей площади акватории водоема. Этот коэффициент в зависимости от формы водохранилища, схемы расположения водосбросных и водоприемных сооружений и условий растекания циркуляционного потока может иметь значения от 0,5 до 0,95. Чтобы распределить транзитный поток циркуляционной воды по возможно большей части поверхности водохранилища и создать площадь активной зоны, достаточную для охлаждения расчетного расхода, нагретую на промышленном предприятии воду сбрасывают на значительном расстоянии от водоприемных сооружений, а также применяют струенаправляющие и струераспределительные сооружения.

Исследованиями установлено, что в больших и глубоких водохранилищах-охладителях, которые сооружаются, например, для современных мощных теплоэлектростанций, возможно создание объемной циркуляции воды. Для этого необходимо организовать прием воды только из глубинных слоев водохранилища, а нагретую воду сбрасывать на поверхность водохранилища с малыми скоростями. Тогда можно располагать сбросные сооружения вблизи водоприемных и даже совмещать их в одном сооружении. При этом нагретая вода, имеющая меньшую плотность, чем холодная, растекается по поверхности водохранилища и, охлаждаясь, переходит в глубинные слои, которые движутся к водоприемным сооружениям. Такая схема циркуляции позволяет отказаться от длинных отводящих каналов и струенаправляющих сооружений при высоком коэффициенте использования площади водохранилища.

Тепловой расчет водохранилища-охладителя производится для определения температуры охлажденной воды у места ее приема при заданной площади активной зоны или для определения необходимой площади активной зоны водохранилища при заданных тепловой и гидравлической нагрузках. Для ориентировочных расчетов можно принимать необходимую площадь водохранилища-охладителя в метеорологических условиях средней полосы России от 30 до 50 м для охлаждения 1 м/ч воды на 8°С-10°С, что соответствует гидравлической нагрузке 0,02-0,033 м/ч на 1 м активной площади водоема.

Место расположения водосбросных и водоприемных сооружений, а также сооружений, увеличивающих активную зону водохранилища (струераспределительных и струенаправляющих сооружений), выбирают исходя из условий получения необходимой площади активной зоны на основе технико-экономических расчетов и компьютерного моделирования. Струенаправляющие и струераспределительные сооружения выполняют в виде водосливов, лотков, труб, консольных водосбросов. Струераспределительные сооружения обычно выполняют в виде затопленных водосливов распластанного профиля либо в виде фильтрующих дамб из каменной наброски. Такие сооружения обеспечивают выпуск теплой воды на поверхность водохранилища с малыми скоростями, что предотвращает появление глубинного течения к водосбросу.

Наиболее рациональным типом сооружения для забора воды из водохранилища-охладителя глубиной не менее 4-5 м является глубинный водозабор, обеспечивающий получение воды из придонных слоев. Этим достигается наиболее низкая температура охлаждающей воды, предотвращение или резкое уменьшение захвата биологических загрязнений (микроорганизмов, низшей водной растительности, личинок моллюсков) и наиболее рациональная продувка водохранилища. При глубинном водозаборе резко уменьшается захват рыбы и, что особенно важно, мальков, которые обитают обычно на небольших глубинах. Глубинный водозабор обеспечивает также бесперебойную подачу воды к потребителям при шуговых явлениях без принятия мер по обогреву водозабора.

Во избежание подсасывания воды из верхних слоев входные окна глубинного водозабора должны быть расположены на достаточной глубине, а входные скорости воды должны быть минимальными: от 0,1 до 0,3 м/с.

Рисунок 2.18 - Схема циркуляции в пруде-охладителе округлой формы ([57]):

1 - промышленная площадка; 2 - насосная станция водозабора; 3 - сброс теплой воды; 4 - струенаправляющая дамба; 5 - плотина

Рисунок 2.19 - Схема циркуляции в пруде-охладителе вытянутой формы ([57]):

1 - промышленная площадка; 2 - насосная станция водозабора; 3 - водоотводящий канал; 4 - сброс теплой воды; 5 - зимний сброс; 6 - плотина

Отмечают следующие сравнительные преимущества и недостатки водоемов-охладителей:

- они обеспечивают более низкие температуры охлажденной воды, чем градирни и брызгальные бассейны, при меньшем колебании температуры в течение суток благодаря большой теплоаккумулирующей способности водоемов-охладителей;

- при применении водоемов-охладителей нет необходимости в создании напора для разбрызгивания воды (за исключением случаев расположения плавающих брызгальных установок для улучшения охлаждения), что позволяет снизить мощность циркуляционных насосов и уменьшить расходы электроэнергии на собственные нужды ПСО. Прямое потребление электроэнергии оборотными системами с водоемами-охладителями близко энергопотреблению прямоточных систем;

- водоемы требуют больших площадей и значительных капитальных затрат на их сооружение.

Потери воды из оборотных систем охлаждения с водохранилищами состоят из объемов фильтрации из водохранилища через ложе и ограждающие дамбы, а также естественное и дополнительное (за счет сброса нагретой воды) испарение с зеркала водохранилища. Для наливных и отсечных водоемов необходимо также учитывать объемы продувки, которые зависят от степени упаривания воды.

Таблица 2.11 - Ориентировочные потери воды с дополнительным испарением в водоемах- охладителях, в % от расхода циркуляционной воды ([14])