CC BY
49
э. иРьма англ РМШ имамжм; ИД И iki; iMUMQWI; СФМКТИ IB ;.шша
УДК 621.311.22
Энерго- и ресурсосберегающая технология оборотного водоснабжения охлаждающих систем
теплоэлектростанций
О. Ю. Кузнецов,
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, доктор технических наук, профессор
Е. А. Панкратова,
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, аспирант С. Ю. Дударе в,
НИЦ «Курчатовский институт», начальник научно-технологического комплекса В. В. Бутылин,
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, аспирант
Проведён анализ снижения энергоэффективности теплоэлектростанций, вызванного действующей технологией оборотного водоснабжения охлаждающих систем конденсаторных блоков. Показано, что подача добавочной воды в охлаждающую систему из поверхностного водного объекта без предварительной очистки вызывает опосредованные финансовые потери за счёт снижения выработки электроэнергии во время летнего периода эксплуатации, оплаты вынужденного сброса продувочной воды из системы и перерасхода добавочной воды на его компенсацию. Предложена технология минимизации солевой нагрузки на охлаждающие системы оборотного водоснабжения теплоэлектростанций, позволяющая исключить перерасход электроэнергии.
Ключевые слова: теплоэлектростанция, энергосбережение, энергоэффективность, парниковые газы, экологическая безопасность, охлаждающие системы оборотного водоснабжения, охрана окружающей среды.
В настоящее время технология оборотного водоснабжения охлаждающих систем теплоэлектростанций для компенсации потерь оборотной воды предусматривает подачу добавочной воды в систему из поверхностного водного объекта без предварительной очистки от карбонатной жёсткости. Такой приём, традиционно представляющийся экономически выгодным, вызывает, однако, опосредованные финансовые потери за счёт снижения выработки электроэнергии во время летнего периода эксплуатации, оплаты вынужденного сброса продувочной воды из системы и перерасхода добавочной воды на его компенсацию.
Снижение энергоэффективности станций, имеющее место в результате осадкообразования на тепло-обменных поверхностях при использовании в качестве добавочной, к примеру сырой речной, воды, прежде всего, определяется её щёлочностью, которая уже на входе в город периодически достигает максимальных значений 3,7 мг-экв/л, а в черте города - 4,3 мг-экв/л и выше [1]. На основании положений строительных норм и правил, регламентирующих проектирование охлаждающих систем оборотного водоснабжения, такая вода способна вызывать карбонатные отложения на поверхностях тепло-обменного оборудования уже при значении коэффициента упаривания КУ=1, т. е. даже в условиях пря-
моточного охлаждения. В соответствии со СНиП для предотвращения карбонатных отложений обработку добавочной или оборотной воды необходимо предусматривать при условии, когда произведение щёлочности добавочной воды и коэффициента упаривания больше или равно трём [2].
Проблему осадкообразования до конца не решает дорогостоящая шариковая очистка от отложений внутренних поверхностей трубок конденсаторов паровых турбин. В этих условиях, к примеру, на крупнейшей в России теплоэлектроцентрали ТЭЦ-25 ОАО «Мосэнерго» (установленная мощность 1370 МВт) ежегодно с мая по сентябрь систематически наблюдается рост температурного напора в конденсаторных блоках. В табл. 1 представлены среднемесячные (рассчитанные по эксплуатационным данным) значения роста температур охлаждающей оборотной воды при прохождении конденсаторных блоков названной станции. Они сгруппированы по сезонному признаку в две колонки, характеризующие рост температурного напора в конденсаторах паровых турбин за летний период и за отопительный сезон.
Из представленных в табл. 1 данных видно, что средняя величина температурного напора в конденсаторных блоках станции за пять летних месяцев на 2,84 °С больше, чем в остальной период года. По
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru
№ 1 (43)2012, январь-февраль
шнЕРШшРЕтурсшсБЕШШЕтиЕшшэншвшяэФФЕшаштишЬ 17
Таблица 1
Среднемесячные величины роста температур (Д^ °С) охлаждающей оборотной воды в конденсаторных блоках ТЭЦ-25
Летний период Отопительный сезон
Месяц М, °С Месяц М, °С
Май 8,5 Январь 4,7
Июнь 8,1 Февраль 4,9
Июль 8,2 Март 5,5
Август 8,3 Октябрь 5,9
Сентябрь 7,8 Ноябрь 4,8
- - Декабрь 4,6
- - Апрель 7,0
В среднем за летний период 8,18 В среднем за отопительный сезон 5,34
имеющейся экспертной оценке инженерной службы ТЭЦ-25, в этих условиях суммарные потери отпуска электроэнергии станцией составляют около 18000 тыс. кВт-ч в год.
Что касается расхода добавочной воды на компенсацию вынужденного сброса продувки при существующем водно-химическом режиме эксплуатации охлаждающих систем оборотного водоснабжения, то этот фактор оказывает не меньшее влияние на суммарные потери отпуска электроэнергии теплоэлектростанцией, чем осадкообразование на поверхностях теплообмена в конденсаторных блоках. Так, по данным службы эксплуатации названной станции, расход природной воды на компенсацию вынужденного сброса продувочных вод достигает величины 14736 тыс. м3/год. Удельный расход электроэнергии на перекачку воды, как правило, не превышает 1 кВт-ч [3]. Очевидно, что максимальные потери отпуска электроэнергии станцией, связанные с перекачкой природной воды, могут достигать 14736 тыс. кВт • ч в год и сопоставимы с потерями вследствие осадкообразования (18000 тыс. кВт-ч в год).
Таким образом, суммарный перерасход электроэнергии, вызываемый существующим водно-химическим режимом эксплуатации охлаждающих систем оборотного водоснабжения ТЭЦ-25, в пределе можно оценить величиной 32736 тыс. кВт-ч в год. Исходя из установочной мощности названной станции 1370 МВт, последняя величина позволяет говорить о наличии скрытого резерва энергоснабжения в размере около 24 тыс. кВт-ч в год на каждый мегаватт установленной мощности.
Воспользоваться этим резервом позволяет разрабатываемая энерго- и ресурсосберегающая технология оборотного водоснабжения охлаждающих систем теплоэлектростанций. Её принципиальная особенность заключается в техногенной минимизации солевой нагрузки источника водоснабжения на охлаждающую систему оборотного водоснабжения теплоэлектростанции. Такую возможность предоставляет техническое решение, положенное в основу патента на изобретение [4]. Оно предусматривает глубокое умягчение добавочной технической (сырой речной)
воды в щёлочной среде перед её смешением с оборотной водой, подвергаемой испарительному охлаждению в градирнях. Указанный технологический приём создаёт в оборотной воде физико-химические условия, которые дают возможность поддерживать равенство расхода продувочной воды из циркуляционной системы уровню потерь технической воды теплоэлектростанцией без вынужденного сброса продувочных вод и опасности осадкообразования на поверхностях теплообмена в конденсаторах турбин.
Согласно разрабатываемой технологии, исходную техническую воду подвергают декарбонизации известкованием в осветлителях, затем осветлению в механических фильтрах, двухступенчатому умягчению натрий-катионированием и используют в качестве добавочной для компенсации потерь оборотной воды на унос, испарение и безвозвратное потребление на технологические нужды, включая подпитку теплосети. Расчёты показали, что в этих условиях концентрирование солей в оборотной воде циркуляционных систем охлаждения ТЭЦ-25 не превысит 3,5 раза.
Как известно, известкование позволяет одновременно снижать жёсткость и щёлочность подготавливаемой воды [2]. Тем самым оно уменьшает солевую нагрузку на стадию натрий-катионирования, которая обеспечивает требуемую глубину умягчения в условиях влияния на неё щёлочности, регламентируемой нормами качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов [5]. При известковании свежей технической воды из поверхностного водного объекта остаточная щёлочность в общем случае может быть получена в пределах 0,8-1,2 мг-экв/л [2]. В процессе натрий-катионирования щёлочность умягчаемой воды не меняется, а концентрирование определяющих её компонентов в оборотной воде циркуляционной системы в 3,5 раза приводит к значению щёлочности сетевой воды 2,8-4,2 мг-экв/л. Температура сетевой воды в водонагревателях ТЭЦ-25 с учётом температурной разверки в водогрейных котлах не поднимается выше 150 °С. Щёлочность сетевой воды 2,8-4,2 мг-экв/л при температуре её нагрева до 150 °С, в соответствии с нормами качества сетевой и подпиточной воды водогрейных
котлов [5], ограничивает величину карбонатной жёсткости значениями 40-70 мкг-экв/кг. Это означает, что при степени концентрирования солей в оборотной воде до 3,5 жёсткость известкованной добавочной воды после умягчения натрий-катионированием, в худшем случае не должна быть выше 1120 мкг-экв/кг. При одноступенчатом умягчении воды натрий-катионированием, согласно рекомендуемому технологическому приложению строительных норм и правил [2], её общая жёсткость может быть снижена до 50-100 мкг-экв/кг, при двухступенчатом - до 10 мкг-экв/кг. Поэтому при отборе оборотной воды из охлаждающей системы для подпитки теплосети нат-рий-катионирование свежей технической воды, прошедшей стадию известкования, надлежит вести по двухступенчатой схеме. Это и определило необходимость использования в составе предлагаемой технологии двухступенчатого умягчения декарбонизованной воды натрий-катионированием.
Помимо энергосбережения не менее существенной ресурсосберегающей функцией представляемой технологии оборотного водоснабжения является предотвращение сброса действующими теплоэлектростанциями техногенной меди в составе вынужденного сброса продувки оборотной воды. Её концентрация в десятки раз превышает ПДК меди в воде водных объектов рыбохозяйственного назначения. Например, содержание меди в продувочной воде циркуляционных систем охлаждения ТЭЦ-25 достигает значений 0,032-0,100 мг/л. На фоне предельно допустимой концентрации меди в воде реки Москвы и её притоков, нормируемой величиной 0,001 мг/л, сброс такой продувочной воды наносит существенный экологический ущерб принимающему её водному объекту. Исходя из представленных выше диапазона концентраций и годового расхода продувочных вод легко рассчитать, что сброс этого токсичного металла в ливнесток, отводящий поверхностную сточную воду в один из притоков реки Москвы, может достигать 0,5-1,5 т в год. О техногенной природе повышенных концентраций меди в продувочной воде, во-первых, свидетельствует значительное превышение её концентрации в оборотной воде над содержанием в подпиточной из реки Москвы, которое по разным оценкам превосходит коэффициент
упаривания в 1,4-2,2 раза. Во-вторых, это предположение подтверждают представленные в табл. 2 результаты прямых измерений концентрации тяжёлых металлов, содержащихся в пробах оборотной охлаждающей воды, отобранных на входе и выходе конденсаторов пара турбин пятого и шестого блоков ТЭЦ-25 ОАО «Мосэнерго». Из представленных данных видно, что при однократном прохождении оборотной водой двух обследованных конденсаторов в ней селективно возрастает содержание меди. Скорее всего, она вымывается оборотной водой из охлаждаемых ею поверхностей нагрева конденсаторов турбин, выполненных из сплава МНЖ-5-1, материала на 94 % состоящего из меди.
И, наконец, из приведённых выше данных по оценке существующего на теплоэлектростанциях перерасхода электроэнергии, затрачиваемой на перекачку добавочной воды из источника технического водоснабжения, следует, что помимо энергосбережения представляемая технология обладает потенциалом ресурсосбережения. Прежде всего, это касается экономии природной воды, необходимой для компенсации оборотной воды в результате вынужденного сброса продувочных вод. Экономия природной воды в совокупности с энергосбережением, в свою очередь, обусловливает и экономическое преимущество представляемой технологии. Так в условиях ТЭЦ-25 при закупочной цене речной воды 6,55 руб./т её приобретение в количестве 14736 тыс. м3/год вызывает увеличение эксплуатационных затрат станции на 96,52 млн рублей в год. Сам же вынужденный сброс продувочных вод в названном количестве (14736 тыс. м3/год) при плате за сброс 8,76 руб./т вызывает увеличение эксплуатационных затрат станции на величину 130,89 млн руб. в год. Эти средства высвобождаются с момента перевода охлаждающих систем теплоэлектростанции в энерго- и ресурсосберегающий режим оборотного водоснабжения.
В заключение необходимо отметить, что если рассматривать парниковые газы с позиций рамочной концепции ООН об изменении климата как глобальный экологический ресурс, то предлагаемая технология после реализации на практике вводит в действие технологический ресурс поглощения и
Таблица 2
Содержание тяжёлых металлов в оборотной воде на входе и выходе конденсаторов турбин пятого и шестого блоков ТЭЦ-25
Объект анализа Концентрация металлов в оборотной воде, мг/л
медь никель хром марганец
Оборотная вода блока № 5 на входе в конденсатор 0,031 0,00240 0,00125 0,032
Оборотная вода блока № 5 на выходе из конденсатора 0,036 0,00237 0,00125 0,032
Оборотная вода блока № 6 на входе в конденсатор 0,029 0,00239 0,00190 0,031
Оборотная вода блока № 6 на выходе из конденсатора 0,032 0,00231 0,00190 0,031
ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.aidf.nt
№ 1443)2012, январь-февраль
снижения их выбросов. Согласно укрупнённой оценке, она позволяет обеспечить в течение пяти лет сокращение совокупных единиц выбросов парниковых газов ориентировочно на 5 %, в том числе около 4 % за счёт сокращения техногенных выбросов в результате энергосбережения и около 1 % в результате поглощения из атмосферного воздуха оборотной водой в градирнях. Названный уровень сокращения выброса и поглощения парниковых
газов весьма значим в масштабах теплоэнергетики стран, ратифицировавших Киотский протокол, учитывая обязательство сторон о пятипроцентном сокращении совокупных антропогенных выбросов парниковых газов в эквиваленте диоксида углерода с 2008 по 2012 год.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки, ГК № 16.516.11.6126.
Литература
1. Кузнецов О. Ю., Кузьмина Н. П. Влияние антропогенной нагрузки на ресурсы технического водоснабжения (на примере Москвы-реки) // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 10.
2. СНиП 2.04.02-84. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения / Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1985.
3. Методические рекомендации по определению потребности в электрической энергии на технологические нужды в сфере водоснабжения, водоотведения и очистки сточных вод. Центр муниципальной экономики и права. - М., 2007.
4. Способ утилизации продувочной воды циркуляционной системы Патент РФ на изобретение № 2279409. Кузнецов О. Ю. // БИ, 2006. - № 19.
5. Нормы качества сетевой и подпиточной воды водогрейных котлов, организация водно-химического режима и контроля. Методические указания РД 24.031.120-91.
Energy-economy and resource-economy water recycling technology systems of thermal power plants cooling systems
O. Yu. Kuznetsov,
D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia, Ph.D., professor
E. A. Pankratova,
post-graduate student
S. Yu. Dudarev,
National research centre «Kurchatov institute», Head of Science and technology complex
V. V. Butylin,
post-graduate student
The analysis of energy-efficiency decrease of combined heat and power plants, is caused by current technology of water circulation in condenser units was made in this paper. It has been shown that using of additional water in the cooling water recycling system from surface water resources without any treatment causes subsequent financial loss due to energy production decrease in the summertime, payment for forced blow-down water dropping and additional water overusage for its compensation. A technology of minimization of salt loading on circulation cooling systems of power plants that allows to exclude over usage of electricity, caused by formation of precipitate in condenser units and pumping of increased quantities of additional water (devoted to forced dropping of blow-down water) has been offered.
Keywords: thermal power plant, energy-efficiency, energy-economy, greenhouse gases, environmental safety, cooling water recycling system, environmental protection.
