CC BY
355
И. А. Мутугуллина, Ю. В. Ваньков ПРЕИМУЩЕСТВА СИСТЕМЫ НЕПРЯМОГО СУХОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГЕЛЛЕРА
Ключевые слова: сухое охлаждение, система Геллера, электростанция.
Приведено описание системы непрямого сухого охлаждения ГЕЛЛЕР. Подробно рассмотрены ее основные элементы: смешивающий конденсатор, гидравлические машины, теплоотводящая поверхность
(охладительные дельты), подогревающие охладители (пиковые охладители), оборудование для создания потока воздуха. Проанализировано применение системы Геллера на современных электрических станциях.
Keywords: dry cooling,heller system,electricpower station.
The description of indirect dry cooling HELLER SYSTEM is given/ Its basic elements are in detail considered: the mixing condenser, hydraulic machines, a heat-removing surface (cooling deltas), warming up coolers (peak coolers), the equipment for creation of air flow. The application of Heller system in modern electric power stations is analysd.
Традиционные методы охлаждения на электростанциях - это чрезвычайно водоемкие процессы: такое охлаждение требует использования больших естественных водоемов (океан, море, большая река), а сброс тепла в них вызывает тепловое загрязнение окружающей среды. Испарительные (мокрые) градирни требуют также значительных объемов подпиточной воды: электростанция мощности 100 МВт нуждается в количестве воды, эквивалентном потребителю города с населением 50 000 жителей. Кроме того, испарительные градирни выбрасывают клубы насыщенных паров и загрязнения, сконцентрированные в охлаждающей воде, а это также наносит ущерб окружающей среде.
Существующие сухие и надежные мокросухие методы охлаждения предлагают все более осуществимые альтернативные решения. Эмитируя только тепло и чистый воздух, они не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду и в то же самое время освобождают электростанцию от зависимости от водных ресурсов.
В регионах, недостаточно обеспеченных водой, на выбор между испарительной и сухой системами охлаждения, кроме вопросов загрязнения окружающей среды, существенным образом воздействуют экономические соображения. Наиболее важным фактором, влияющим на принятые решения, является стоимость подпиточной воды градирни. В этих регионах электростанциях соперничают за ограниченные ресурсы воды с расширяющимися промышленными предприятиями и сельским хозяйством. Выбор в пользу электростанций с водосберегающей системой охлаждения обеспечивает возможность нормального развития целого региона при одновременном сохранении воды для будущего экономического роста [1].
Существует два типа одинаково оправданных сухих систем охлаждения - прямая и непрямая. Некоторые современные разработки, особенно с непрямой системой сухого охлаждения, существенно улучшили экономическую эффективность сухого охлаждения по сравнению с испарительной системой охлаждения. На долю непрямой системы охлаждения (известной как система ГЕЛЛЕР, названной так в честь профессора Геллера, основателя компании ЭГИ)
приходится почти половина суммарной мощности сухого охлаждения в мире. В настоящее время уже имеются электростанции, где отвод тепла обеспечивается полностью сухими/орошаемыми охладителями HEAD, целью которых является увеличение мощности охлаждения в летний период за счет использования небольшого дополнительного количества воды [2].
Несмотря на то, что имеется несколько типов систем охлаждения электростанций, спрос на экологически выгодные, экономящие воду системы сухого охлаждения постоянно возрастает. Прямоточные системы охлаждения нуждаются в крупных водоемах, таких как реки, озера и водохранилища, а отводимое тепло создает экологические проблемы.
Для систем охлаждения испарительного типа необходимо значительное количество добавочной воды. Дренажные стоки с высокой концентрацией солей также способствуют загрязнению природных водоемов. Кроме того, туман, образуемый испарительными градирнями, оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду.
Сухое охлаждение обеспечивает отличное решение проблем недостатка воды и экологического ущерба. Такая система выбрасывает только теплый и чистый воздух, который не вызывает необратимых процессов в окружающей среде и дает возможность сооружать электростанцию в отдаленных от источников воды местах. Независимость от источников воды может не только уменьшить затраты на систему охлаждения, но и облегчит получение согласия населения на строительство электростанции [2].
В системе ГЕЛЛЕРА (рис. 1.) тепло
отработанного пара турбин поступает в замкнутую систему циркуляции конденсатора, которая обеспечивает дальнейший отвод и сброс тепла в окружающий воздух через систему мелкоребристых теплообменников [2] .
Главными компонентами этой системы являются: смешивающий конденсатор,
гидравлические машины, охладительные дельты,
подогревающие элементы (пиковые охладители), а также оборудование для создания потока воздуха.
В теплообменниках непрямой системы охлаждения используются различные типы оребренных поверхностей. Одним видом такой поверхности являются плоские алюминиевые листовые ребра на алюминиевых трубках (дельты типа ФОРГО).
Рис. 1 - Принципиальная схема системы ГЕЛЛЕРА [2]
Сухая система охлаждения дает возможность использовать стальные конструкции, покрытые алюминиевой обшивкой, которая хорошо защищает от влияния окружающего воздуха, причем воздух внутри градирни всегда суше и теплее окружающего. Выбор типа оболочки градирни зависит от экономических показателей [2].
Использование системы сухого охлаждения требует выбора паровых турбин, работающих при давлении в конденсаторе выше, чем при испарительном охлаждении. Для турбин,
подключаемых к системе ГЕЛЛЕРА, нужно выбирать точки максимальной мощности при худшем вакууме. Современная система Геллера легко подключается к циклу тепловой электростанции и дает благоприятные результаты по многим аспектам, особенно с точки зрения эксплуатации, ремонта и маневренности.
В процессе эксплуатации систем водоснабжения тепловых электростанций, как и всяких других элементов тепловой схемы и сооружений ТЭС, неизбежно возникает необходимость оценки правильности выбора системы, анализа преимуществ и недостатков того или иного технического решения по ней с точки зрения экологической безопасности, учета влияния системы водоснабжения на окружающую среду. Важен подобный подход и для воздушноконденсационных установок (ВКУ) охлаждения воды.
Из различных систем оборотного водоснабжения ТЭЦ наиболее широкое применение в России получили системы с испарительным охлаждением воды. Предпочтение таким системам отдано в силу их технико-экономических преимуществ. В последнее время, однако, произошла существенная неблагоприятная переоценка парового облака, создаваемого при определенных погодноклиматических условиях теплым воздухом,
выходящим из испарительных градирен. Образование такого облака чревато целым рядом последствий, которые могут оказать отрицательное воздействие на окружающую среду и условия жизни населения [2].
Все паровые турбины с традиционным паровым или комбинированным циклом действия оборудованы определенными типами систем охлаждения для утилизации скрытого (конденсационного) тепла, уносимого выходящим из турбины паром [3].
Так как, в конечном счете, выбросы тепла принимает окружающая среда, то есть атмосфера или природные водные бассейны, система охлаждения, которая передает скрытое тепло выходящего пара турбины приемнику тепла, через испарительную систему до сухого охлаждения, при этом возможны их различные комбинации.
Традиционные водяные системы, а тем более испарительные системы охлаждения как самые емкие потребители воды, связанные с действием электростанции, несомненно, нуждаются в значительных количествах воды в окрестностях электростанции.
Увеличение спроса на водо - сберегающие системы охлаждения отмечается рядом специалистов по проектированию градирен, и к настоящему времени в основном закончены разработки и находят широкое применение два различных типа систем сухого охлаждения:
- непрямая система сухого охлаждения, известная как система ГЕЛЛЕР;
- прямая система - воздушноохладительный конденсатор [3].
С момента ее рождения в 40-х годах и до настоящего времени система ГЕЛЛЕР прошла большой путь, и теперь она находит применение в любом климате от полюсов до тропиков, а ассортимент технических решений обеспечивает построение экономичной, надежной и комплексной системы сухого охлаждения.
Система ГЕЛЛЕР способна работать с градирнями с естественной тягой и принудительной тягой, при этом предпочтение отдается варианту градирни с естественной тягой.
Эта система имеет уникальные преимущества по сравнению с системой сухого охлаждения с принудительной тягой, которые состоят в следующем:
- применение градирни с естественной тягой для сухого охлаждения (вариант с естественной тягой апробирован исключительно с системой ГЕЛЛЕР) радикально сокращает паразитные потери энергии (отсутствует необходимость применения вентиляторов), тем самым повышается эффективность генерирования энергии на 1,5-2 % по сравнению с градирнями с принудительной тягой;
- единственными вращающимися
компонентами системы являются насосы циркуляции охлаждающей воды, потребность в регулярном техническом обслуживании которых
исключительно мала по сравнению с градирнями с принудительной тягой;
- звуковая эмиссия практически равна нулю по сравнению с градирней с принудительной тягой;
- рециркуляция теплового воздуха от устья градирни к ее входу, которая наблюдается в ветреную погоду у градирни с принудительной тягой, исключена в системе ГЕЛЛЕР с естественной тягой [3].
Охлаждение осуществляется в так называемых охладительных дельтах, выполненных в виде треугольников, разделенных на параллельные сектора, через которые за счет естественной тяги градирни поднимается поток охлаждающего воздуха.
Возрастающее потребление электроэнергии и связанная с этим эксплуатация природных ресурсов вынуждают инженеров во всем мире совершенствовать технологии производства электроэнергии. Это, в свою очередь, ускорило развитие систем охлаждения электростанций, нацеленных на сбережение драгоценных ресурсов, таких как первичная энергия и вода.
Такой богатый источник охлаждающей среды, как океан, доступен лишь для электростанций, построенных вблизи него. В прошлом электростанции на площадках в сухих регионах обычно размещались в окрестностях рек, но в наше время отдача этих источников уже заметно снизилась, и вода стала цениться гораздо выше, чем несколько десятилетий назад [3].
При использовании непрямой системы охлаждения ГЕЛЛЕРА для обеспечения требуемого охлаждающего потока воздуха может применяться либо принудительная (с помощью вентиляторов), либо естественная тяга (с использованием естественной циркуляции воздуха).
С увеличением мощности турбин естественная тяга становится все более и более привлекательной, так как, из-за необходимости подъёма
теплообменников на все большую высоту (для обеспечения подвода к ним достаточного количества воздуха) стоимость градирни с принудительной тягой -возрастает. Применение естественной тяги становится оправданной для блоков мощностью выше 50 Мвт, а для небольших блоков - только в случае наличия специальных требований, например, строгого ограничения по уровню шума.
Система ГЕЛЛЕР с естественной тягой имеет следующие преимущества по сравнению с системой сухого охлаждения с применением принудительной тяги:
• исключение потребления электроэнергии на собственные нужды для продува основного потока воздуха, что, по сравнению с сухим охлаждением с принудительной тягой, приводит к увеличению эффективности и отпуска электростанции на 2 %;
• устранение шума и дополнительное, в зависимости от размещения градирен, экранирование шума от других энергоблоков станции;
• исключение рециркуляции горячего воздуха - общего недостатка градирен с принудительной тягой;
• низкая потребность в обслуживании, в связи с отсутствием большого числа вентиляторов и их движущихся частей;
• больший срок службы и надежность;
• исключение необходимости сооружения дымовой трубы при отводе дымовых газов через градирню, в результате чего достигается низкая концентрация загрязнений на уровне земли;
• значительное увеличение экономической эффективности.
Решение о выборе той или иной системы охлаждения следует принимать на основе сопоставления суммарных инвестиционных затрат: капитальные (при строительстве) и дополнительных (при эксплуатации) системы охлаждения, при этом нужно учитывать, что срок службы системы охлаждения должен соответствовать полному сроку службы электростанции, а это свыше трех десятков лет.
Применение в энергетике морально устаревшего технологического оборудования, такого как испарительные градирни (в сочетании с конденсаторами поверхностного типа), приводит к следующим потерям, снижающим экономичность энергетической установки, в целом:
- пережог топлива по причине ухудшения теплопередающих свойств, засорения трубчатой системы конденсаторов турбин;
- пережог топлива из-за недоохлаждения циркуляционной воды в испарительных градирнях по причине низкой надежности и систематического засорения и выхода из строя тепломассообменного оборудования градирни [4];
- систематические затраты на поддержание и восстановление работоспособности комплекса испарительная градирня - трубчатый конденсатор.
По опыту эксплуатации, практическое применение системы ГЕЛЛЕРА исключает все перечисленные проблемы в течение всего срока эксплуатации без принятия дополнительных мер по поддержанию проектных параметров системы, тем самым обеспечивается экономия топлива в размере 2-3% в год.
По оценке специалистов [5], капитальные затраты на «сухое» охлаждение в 1,5; 2 раза выше затрат на испарительное охлаждение. При сухом охлаждении вакуум в поверхностном конденсаторе на 3-4% хуже, чем при охлаждении технической воды в испарительной градирне.
При этом, компенсацией роста затрат на единицу мощности при применении сухой СИСТЕМЫ ГЕЛЛЕРА на примере турбин большой мощности типа ЛМЗ 1000МВт / 3000об/мин, станет:
• применение смешивающего
конденсатора, способного увеличить мощность турбины на 1,0-1,5%;
• исключение систематические затрат, связанных с оплатой водопользования в условиях прогрессирующего ужесточения природоохранных
нормативов и роста цены водопользования;
• отсутствие необходимости строительства гидротехнических сооружений;
• исключение проблем, связанных с обработкой продувочной воды из чаши бассейна испарительной градирни и проблем засоления почвы;
• улучшение водно-химического режима в закрытом контуре «градирня-конденсатор», что предотвращает загрязнение трубок конденсатора при применении поверхностных конденсаторов и обеспечивает проектный теплосъем в течение всего срока службы оборудования при применении смешивающих конденсаторов;
• сокращение капитальных затрат на
турбоустановку: при сухих градирнях турбине
достаточно три цилиндра низкого давления, вместо четырех при испарительных градирнях;
• укорочение турбины обеспечит сокращение длины машзала на 1 пролет (12 м);
• экономия на разности стоимостей смешивающих конденсаторов и поверхностных с нержавеющими трубками;
• отсутствие капитальных затрат на восстановление башни сухой градирни работающей в комфортных условиях сухого воздуха, при больших капитальных затратах на восстановление мокрых башен испарительной градирни, особенно в условиях увеличения проектного срока службы оборудования до 60 лет.
В последнее время увеличение бытового, сельскохозяйственного и промышленного потребления
воды вынуждает проектировщиков минимизировать потребление воды, так как этого ценного природного ресурса скоро не будет хватать, если его потребление продолжится в таком неограниченном количестве. Необходимость признания глобальной проблемы недостатка воды становится еще более очевидной, если посмотреть на нее в свете потребления воды, типичного для производства электроэнергии. Это означает, что потребление воды блоком мощностью 200 МВт эквивалентно непрерывному потреблению воды средним городом с население 100 000 человек [6].
Литература
1. Невский А.В. Термодинамический подход к
проектированию энергосберегающих химикотехнологических систем водопотребления / Ватагин В.С., Шарнин В.А., Усанова О.А., Бушуев М.В. // Вестник Каз. технол. ун-та. -2010.-№2. С.145-149.
2. Сабо З. Прогрессивная система непрямого сухого охлаждения // Энергетик. Специальный выпуск. 2000. С.8-12.
3. Горбачев А.И., Кондратьева Т.Р., Казинци И.
Экологические предпосылки применения воздушноконденсационных установок // Энергетик. Специальный выпуск. 2000. С.22-24.
4. Гайнутдинов Р.Ш. К тепловому расчету в
поверхностных теплообменниках // Вестник Каз. технол. ун-та. -2011.-№2. С.58-62.
5. Балог А., Такач З. Непрямая система сухого охлаждения для современных электрических станций // Энергетик. Специальный выпуск. 2002. С.13-21.
6. http://www.ekodelta.com.
© И. А. Мутугуллина - канд. техн. наук, зав. каф. математики и прикладной механики Бугульминского филиала КНИТУ, [email protected]; Ю. В. Ваньков - канд. техн. наук, зав. каф. промышленные теплоэнергетические установки и системы теплоснабжения КГЭУ, [email protected].
