CC BY
27
>
ч
виталий давиденко
главный конструктор проекта института тепло- и массообмена им. А.Б. лыкова нан Беларуси
Энергосбережение для большой энергетики
в настоящее время в республике Беларусь, как и в других регионах мира, остро стоит проблема рационального использования все возрастающих в цене энергоносителей. от ученых требуется разработка новых наукоемких быстроокупаемых технологий, направленных на сбережение энергоресурсов и не снижающих основных технических показателей производства. Это прежде всего относится к современным тепловым и атомным электростанциям, экономичность которых во многом определяется эффективностью работы башенных испарительных градирен, предназначенных для охлаждения оборотной воды, поступающей от конденсатора турбины электростанции и другого вспомогательного оборудования.
повысить охлаждающую способность современных градирен, обеспечив тем самым снижение удельного расхода топлива на выработку электрической энергии и увеличение располагаемой мощности электростанции, можно с помощью новых методов интенсификации процессов тепло- и массообмена, происходящих внутри градирен.
решением этих проблем в институте тепло- и массообмена им. А.в. лыкова нАн беларуси (ит1ГО) занялись около 15 лет назад. до этого ученые по заданию Госкомгидромета ссср изучали вопросы возникновения, развития и разрушения тропических циклонов (тайфунов) и ураганов. исследования проводились как в экспедициях на научно-исследовательских судах, так и в лабораторных условиях путем моделирования этих самых тайфунов в экспериментальных установках. причем отличить снимок созданного в лабораторной установке тайфуна от снимка настоящего тайфуна, сделанного с искусственного спутника земли из космоса, мог только опытный специалист. создавая циклоны в лабораторной установке путем закручивания по спирали паровоздушной среды над нагретой поверхностью жидкости, ученые обратили внимание на резкую интенсификацию процессов тепло- и массообмена внутри созданных устойчивых вихревых структур. Это подтвердили и натурные исследования атмосферных крупномасштабных вихревых образований в мировом океане, проведенные в морских экспедициях.
придя в большую энергетику из гидрометеорологии, сотрудники лаборатории термогидродинамики итмо нан Беларуси уже имели опыт интенсификации процессов тепло- и массообмена аэродинамическими методами: по заданию Атомэнергопроекта ссср решали проблемы, связанные с повышением тепловой эффективности работы суперградирни строящейся запорожской атомной электростанции. в 1993 г. опыт института оказался востребованным министерством топлива и энергетики республики Беларусь, и начались работы по созданию новых наукоемких энергосберегающих быстроокупаемых технологий повышения охлаждающей способности башенных испарительных градирен, используемых в энергетике страны, и внедрению их на электростанциях республики. Уже в 1996 г. разработанная лабораторией термогидродинамики система вихревой подачи воздуха в градирню свп-1 под коммерческим названием «аэродинамический завихритель» демонстрировалась на международной ярмарке в Ганновере (Германия), а в 1998 г. — на всемирной выставке «Экспо-98». технология повышения тепловой эффективности работы градирен путем закрутки входящего в градирню охлаждающего воздушного потока запатентована и вызвала большой интерес у специалистов-энергетиков западных стран и китая.
приступая к разработке новой технологии и проведя натурные исследования функционирования действующих в энергетике страны башенных испарительных градирен, ученые выяснили, что эффективность испарительного охлаждения в градирне зависит от многих факторов. в первую очередь от соотношения массовых расходов холодного воздуха, всасываемого в градирню, и оборотной теплой воды, идущей от конденсатора турбины электростанции для охлаждения. кроме того, на эффективность работы градирни влияют такие физические параметры, как температура и относительная влажность окружающего воздуха, распределение скорости ветра по вертикали и др. как показали натурные исследования, даже при относительно слабых ветрах внутри градирни существенно изменя-
ется картина течения по сравнению с условиями штиля. в нижней и верхней частях башни образуются устойчивые застойные зоны большого размера (составляющие примерно до третьей части от диаметра градирни) с циркуляционным характером течения паровоздушной смеси в них. Это заметно ухудшает эффективность работы и приводит к увеличению температуры оборотной воды, подаваемой в конденсатор турбины.
кроме того, на величину расхода входящего охлаждающего воздуха и его распределение в подоросительном пространстве большое влияние оказывает аэродинамика входа. видеосъемка визуализации входящих через воздуховходные окна градирни воздушных потоков, полученная с применением дымовых частиц нейтральной плавучести, показала, что на срезе окна имеется существенная неравномерность распределения скорости течения по высоте. при этом в верхней зоне воздуховходных окон наблюдаются застойные зоны и даже возвратные вихревые течения, направленные из градирни наружу. зона захвата внешнего окружающего воздуха типовыми градирнями невелика. все это приводит к уменьшению расхода воздуха через градирню и, следовательно, к снижению ее тепловой эффективности в целом.
Установка системы вихревой подачи воздуха в градирню (аэродинамического завихрителя) позволяет устранить перечисленные негативные аэродинамические особенности и повысить ее тепловую эффективность.
в основу разработки аэродинамического завихрителя положен способ создания с помощью вертикальных направляющих щитов крупномасштабных вихревых потоков с вертикальной осью вращения в подоросительном пространстве градирни, так как это происходит в атмосферных вихревых образованиях. они позволяют существенно улучшить аэродинамику воздушных потоков на входе и внутри градирен, интенсифицировать процессы тепло- и массообмена. в таких градирнях результирующая скорость воздушного потока, помимо вертикальной и горизонтальной составляющих, приобретает еще одну компоненту — тангенциальную, что приводит к более глубокому и равномерному проникновению охлаждающего воздушного потока в радиальном направлении. Это увеличивает путь его взаимодействия и время контакта входящего в градирню воздушного потока с разбрызгиваемой охлаждаемой водой. следствием этого является дополнительное (по сравнению с типовой градирней без аэродинамического завихрителя) понижение температуры оборотной воды на 1—2 ^ и более, зависящее от климатических и погодных условий (особенно в жаркое время года) и режимов работы турбины.
Аэродинамический завихритель, устанавливаемый перед воз-духовходными окнами градирни, представляет собой воздухо-направляющий аппарат, состоящий из вертикальных щитов, расположенных с определенным шагом по периметру градирни и расположенных под оптимальным углом к плоскости воздухо-входных окон градирни.
опыт лабораторного моделирования аэродинамических и тепловых процессов в башенных испарительных градирнях позволил определить размеры и конфигурацию вертикальных направляющих щитов завихрителя, шаг их установки и диапазон углов, при котором достигается наибольшая величина выигрыша в тепловой эффективности работы градирни.
на основе данных лабораторного и математического моделирования в 1996 г. завершилось создание экспериментального образца аэродинамического завихрителя (шифр свп-1), в основу которого положена вышеуказанная научная идея. он был разработан и изготовлен в итмо нан Беларуси и установлен на градирне №1 минской тЭц-4, площадь орошения составила 3200 м2, производительность по циркуляционной воде — до 28 000 м3/ч. в течение всего весенне-осеннего периода 1997 г. на нем были проведены экспериментальные исследования для отработки оптимальных режимов охлаждения оборотной воды и сравнительные испытания двух градирен одинаковой конструкции — модернизированной и не-модернизированной.
Эти работы позволили определить оптимальный угол установки щитов аэродинамического завихрителя для данного типа градирен, при котором достигается максимальный выигрыш в тепловой эффективности модернизированной градирни. при этом режиме работы средняя величина выигрыша по температуре охлаждаемой воды за сезон достигла 1,3°с, а по тепловому коэффициенту полезного действия — до 9 %. Это дает экономию топлива на энергоблоке мощностью 250 мвт в размере до 1500 т условного топлива за сезон. к примеру, в переводе на мазут это составляет 20 железнодорожных вагонов-цистерн. модернизация градирни окупается в течение одного-двух сезонов, а далее приносит прибыль.
Аэродинамический завихритель за счет дополнительного охлаждения циркуляционной воды в градирне улучшает работу вспомогательного оборудования электростанции (масло- и газоохладителей турбогенераторов, вспомогательных теплообменников, насосного оборудования и др.). кроме того, в тяжелый летний период до 10 % увеличивается располагаемая мощность энергоблока, работу которого обеспечивает модернизированная градирня. для регионов с более высокими летними температурами, чем в республике беларусь, экономическая эффективность от использования аэродинамического завихрителя будет гораздо значительнее.
исследования продемонстрировали, что даже при слабом ветре происходит тангенциальная закрутка входящего потока в подо-росительном пространстве, который проникает дальше к центру градирни и не поднимается сразу вертикально вверх, как это имеет место в типовых устройствах. линии тока входящих воздушных потоков устойчивы по всей высоте воздуховходного окна, отсутствуют застойные зоны и обратные течения в верхней части окон под козырьком, зона захвата воздушного потока на входе в градирню увеличилась в 2—3 раза.
по результатам сравнительных сезонных испытаний экспериментального образца аэродинамический завихритель был рекомендован к внедрению в энергетике республики беларусь головным научно-исследовательским проектным институтом руп «белнипи-энергопром» и концерном «белэнерго».
вертикальные поворотные щиты экспериментального образца аэродинамического завихрителя для градирни № 1 представляли собой каркас с деревянным заполнителем и вертикальной осью вращения для экспериментального определения величины оптимального угла установки таких щитов. в дальнейшем конструкция была упрощена и уже на первом промышленном образце аэродинамического завих-
46
НАУКА И ИННОВАЦИИ №4(38)_2006
Внешний вид реконструированной градирни № 1 Гродненской ТЭЦ-2 с аэродинамическим завихрителем
рителя, внедренном в 2000 г. на градирне № 4 мтЭц-4, направляющие щиты установлены стационарно под оптимальным углом и выполнены из железобетонных изделий. Это удешевляет конструкции и позволяет эксплуатировать их без капитального ремонта и обслуживания в течение длительного периода времени (до 50 лет). в этом году заканчивается модернизация последней из четырех имеющихся градирен минской тЭц-4.
примененный здесь тип аэродинамического завихрителя называется выносным, так как его вертикальные направляющие щиты установлены непосредственно перед зимним жалюзийным устройством и выполняют только функцию закрутки входящего в градирню охлаждающего воздушного потока.
в дальнейшем коллективом лаборатории термогидродинамики итмо нан беларуси были разработаны другие конструкции аэродинамических завихрителей, в том числе встроенных, в которых вертикальные направляющие щиты устанавливаются непосредственно в воздуховходное окно градирни вместо горизонтального жалюзийного устройства и эксплуатация градирни при этом производится в двух режимах:
• весенне-осеннем, когда вертикальные направляющие щиты завихрителя постоянно находятся в положении «открыто» под оптимальным углом установки относительно окружности, вписанной в габариты оросителя градирни;
• зимнем, когда вертикальные направляющие щиты находятся в положении «закрыто».
Аэродинамический завихритель данного типа внедрен на градирне № 1 Гродненской тЭц-2, начато внедрение на бобруйской тЭц-2.
для подобного типа градирен с квадратной формой основания было найдено удачное конструктивное решение, при котором переменные углы установки секций вертикальных направляющих щитов относительно каждой из четырех сторон воздуховходного окна являлись оптимальным углом относительно касательной к окружности, вписанной в габариты башни, что позволило ликвидировать застойные зоны с недостаточным охлаждением в углах подоросительного пространства градирни.
модернизация действующих градирен производится следующим образом. выбор схемы аэродинамического завихрителя зависит от типа градирни, ее конструктивных особенностей, габаритов, производительности по циркуляционной воде, мощности и режимов рабо-
ты энергетического блока, на который она работает, особенностей рельефа местности, наличия возле нее других градирен, зданий и сооружений, климатических условий и розы ветров.
Анализ перечисленных выше данных, обследование состояния технологической части градирни, а также предварительные натурные аэродинамические исследования входящих в нее воздушных потоков производятся сотрудниками лаборатории термогидродинамики итмо НАН беларуси. Ученые определяют обобщенную картину течений воздушных потоков в зоне исследуемой градирни с учетом взаимного влияния соседних крупных объектов при преобладающем направлении ветра в районе электростанции и выявляют зоны максимального влияния соседних объектов на аэродинамику входящих в градирню охлаждающих воздушных потоков. для их оптической визуализации используются источники дыма (дымовые шашки, применяемые в армейских химических войсках) и осуществляется видеосъемка аэродинамических процессов телевизионной видеокамерой.
для уточнения параметров разрабатываемого аэродинамического завихрителя при необходимости производится лабораторное моделирование аэродинамических процессов, происходящих на входе в воздуховходные окна макета градирни на имеющихся в итмо НАН беларуси экспериментальных стендах. Это дает возможность определить конфигурацию, размеры и шаг направляющих щитов завихрителя, а также уточнить оптимальный угол их установки.
в результате проведенных исследований принимаются технические решения по реализации технологии повышения охлаждающей способности градирни. совместно с проектировщиками руп «белНи-пиэнергопром» разрабатывается строительный проект реконструкции градирни с утверждаемой архитектурной частью.
изготовление и монтаж аэродинамического завихрителя производится без больших капитальных затрат, в короткие сроки и без остановки работы градирни.
Экономия энергоресурсов от применения данной технологии (как и повышение располагаемой мощности энергоблока, и улучшение работы вспомогательного оборудования) начинается с момента установки вертикальных направляющих щитов аэродинамического завихрителя на свои фундаменты. при малых затратах на изготовление и установку, отсутствии расходов в процессе эксплуатации, быстрой окупаемости объекта внедрения (один-два сезона), экологической безопасности и высокой технической эффективности новой технологии инвестирование модернизации действующих (или разработки вновь проектируемых) градирен в энергетике целесообразно и весьма прибыльно.
к сожалению, в настоящее время, несмотря на то что модернизацию башенной испарительной градирни можно проводить без остановки ее работы, на практике она производится в основном при плановом выделении средств на капитальную реконструкцию градирни. желательно в короткие сроки осуществить модернизацию всех оставшихся в республике действующих башенных испарительных градирен тепловых электростанций, что при небольших затратах обеспечит значительное энергосбережение в большой энергетике.
