+7(499)322-81-32
Показать меню
Скрыть меню

Гибридные

Термины, определения, сокращения

Приведем определения терминов по ГОСТ Р ЕН 14705—2011, «Теплообменники. Методы измерения и оценки тепловых характеристик испарительных градирен (Heat exchangers. Methods of measurement and evaluation of thermal performances of wet cooling towers) », которые будут использоваться в тексте ниже.

Градирня (cooling tower). Теплообменное сооружение, предназначенное для охлаждения воды за счет теплообмена с потоком воздуха.

Испарительная градирня (wet cooling tower). Теплообменное сооружение, в котором теплообмен между водой и воздухом осуществляется прямым контактом.

Градирня с естественной тягой (natural draught cooling tower): Испарительное теплообменное сооружение, в котором движение воздуха происходит за счет разности плотностей холодного воздуха вне градирни и теплого воздуха внутри. К испарительным градирням с естественной тягой относятся башенные и открытые градирни.

Испарительная градирня с принудительной тягой (mechanical draught wet cooling tower). Теплообменное сооружение, в котором циркуляция воздуха осуществляется вентилятором.

К таким градирням относятся вентиляторные градирни.

Градирня с естественной тягой, усиленной вентилятором (fan assisted natural draught cooling tower): Теплообменное сооружение с естественной тягой и вспомогательным вентилятором, увеличивающим тягу.

Испарительная/сухая градирня, спроектированная для уменьшения шлейфа (reduced plume wet/dry cooling tower). Испарительное/сухое теплообменное сооружение, спроектированное для уменьшения шлейфа.

Испарительная/сухая градирня с пониженным уносом воды (water conservation wet/dry cooling tower). Испарительное/сухое теплообменное сооружение, спроектированное для снижения уноса воды.

Испарительная/сухая градирня (wet/dry cooling tower), или градирня с уменьшенным шлейфом (reduced plume cooling tower) Теплообменное сооружение, состоящее из двух частей. В первой части теплообмен между водой и воздухом происходит за счет прямого контакта, а во второй части через разделяющую их поверхность.

Такие градирни ещё называют гибридными градирнями. В такой градирне нагретая вода предварительно охлаждается в перовой секции потоком атмосферного воздуха, образованного естественной тягой, протекая по теплообменнику, как в сухих градирнях, а затем попадает во вторую секцию, напоминающую испарительную градирню с естественной тягой, усиленной вентилятором. В ней процесс охлаждения воды продолжается за счёт непосредственного (без разделяющей мембраны) взаимодействия её потока с потоком воздуха. Горячий сухой воздух, образовавшийся в сухой секции поступает в пространство над мокрой секцией. Такое решение позволяет снизить температуру воды на входе в «мокрую часть» аппарата, сократить энергозатраты на организацию движения воздушного потока в «мокрой части». Нагретый при сухом охлаждении воздух смешивается с насыщенным воздухом из мокрой секции, это уменьшает шлейф.

В этом разделе мы рассмотрим устройство и особенности гибридных градирен.

Сравнение испарительных и сухих градирен.

Испарительные градирни (башенные, сухие, открытые) совершенствовались десятки лет. Тем не менее, изменившиеся экономические условия, требования учета экологических факторов, прежде всего – повышение стоимости оборотной воды, и ужесточение требований по её использованию, заставили, в ряде случаев, отказаться от совершенных испарительных охладителей и найти другие решения. В 40-х годах прошлого века появились сухие градирни - результат изобретательской деятельности венгерских инженеров Геллера и Форго. Первоначально их использовали для охлаждения конденсаторов на тепловых электростанциях.

В таблицах ТГГ-1 – ТГГ 3 и на рисунке РГГ-1 приведены и проиллюстрированы основные показатели и параметры испарительных и сухих градирен.

Таблица ТГГ-1. Технические, экономические и экологические показатели различных типов градирен при охлаждении оборотной воды с температурой на входе в градирню до 45 ºС.

Показатели

Тип

градирен

Вентиляторные

Башенные

Открытые (атмосферные)

Радиаторные (сухие)

Технические

Т1

Удельная тепловая нагрузка кВт/м2

93-175

70-120

35-60

0,25-2

Т2

Температура среднегодовая охлажденной воды t2 – τ, ºС

16-18

21-23

26-28

30-32

Т3

Глубина охлаждения воды t2 – τ, ºС*)

4-5

8-10

10-12

20-35

Экономические

Э1

Относительные базовые удельные затраты на 1 м2 площади градирен, капитальные**)

0,27-0,73

0,64-1,00

0,27-0,64

1,82-3,00***)

Э2

Относительные базовые удельные затраты на 1 м2 площади градирен, эксплуата­ционные****)

0,95-4,29

0,33-1,00

0,48-0,95

1,24-4,76

Экологические

Эк1

Выбросы в окружающую среду, отнесённые к 1 м3 охлаждаемой воды:

- тепла с паровым факелом, МДж/ч

12-80

20-60

20-40

20-40

- воды с капельным уносом и продувкой, м3/ч, максимум

0,035

0,03

0,02

-

Эк2

Выбросы загрязнений с капельным уносом и продувкой, кг/ч, максимум:

- органических (комплекс)

0,01

0,007

0,007

-

- минеральных солей

0,3

0,2

0,17

-

- механических примесей

0,01

0,007

0,007

-

Эк3

Потребление свежей воды, отнесённое к 1 м3 охлаждаемой воды, м3/ч (не более)

0,05

0,04,

0,03

0,02

*) t2 – температура воды на выходе из градирни, ºС, τ – температура окружающего воздуха по смоченному термометру, ºС.

**) За единицу относительных базовых капитальных затрат на м2 приняты максимальные капитальные затраты на башенные градирни.

***) Некоторые источники оценивают увеличение стоимости сухой градирни по отношению к испарительной при одинаковой тепловой нагрузке в 5 раз.

****) За единицу относительных базовых затрат на эксплуатацию на 1 м2 площади градирен приняты максимальные затраты на башенные градирни.

Таблица ТГГ-2. Сравнение основных показателей испарительной и радиаторной градирни.

Показатель

Градирня

испарительная

радиаторная

Количество охлажденной воды, м3

2000,0

2000,0

Температура нагретой воды, °С

40,0

40,0

Температура охлажденной воды, °С

28,0

28,0

Температура воздуха по влажному термометру, °С

19,3

19,3

Количество воды, охлаждаемое секцией градирни, м3

640,0

200,0

Число секций градирни, установленных в системе

3

10

Мощность вентилятора, кВт

32,0

75,0

Количество свежей воды на восполнение потерь, м3

100,0

-

Количество свежей воды на увлажнение воздуха или её нормализацию, м3

-

52,5

Площадь, занимаемая сооружениями на генплане, м2

3876,0

6480,0

Относительная стоимость секции градирни

1,0

2,5

Относительные капитальные затраты на все секции градирни

1,0

8,4

Расход электроэнергии при работе градирни 4000 часов в год,
тыс. кВт.ч

384,0

3000,0

Таблица ТТГГ-3. Влияние температуры воды, охлаждающей конденсаторы турбин, на КПД ТЭЦ.

Система водоснабжения

Показатели

Прямоточ­ная

Оборотная

Водохрани­лища - накопители

Брызгатель­ные бассейны

Испаритель­ные градирни

Радиатор­ные (сухие) градирни

Среднегодовая температура окружающей
воды, ºС

11

16

20

22

31

Температура конденсации
пара, ºС

26

31

36

39

43

Давление в конденсаторе турбины, кПа

3,4

4,5

6,5

7,1

8,7

КПД ТЭЦ, %

38,4

37,5

36,1

35,2

33,4

Рисунок РГГ-1. Схемы размещения водоблоков на генплане. Отношение площади, занимаемой водоблоком с драйкулерами и водоблоком с испарительными градирнями Sдк/Sиг = 1,67, а) - водоблок с испарительной градирней, б) - водоблок с радиаторной градирней, 1 ‑ испарительная градирня, 2 - насосная станция, 3 – помещение электрооборудования, 4 - реагентная, 5 – драйкулеры, 6 - резервная емкость.

Анализ таблиц и схемы убедительно показывает, то сухие градирни почти по всем параметрам уступают испарительным.

Подробный разбор причин, по которым это происходит, приведён в разделе Сухие градирни.

Поиск компромиссов

В том же разделе Сухие градирни показано, что использование сухих градирен обоснованно в случаях, если:

Но развитие технологий, увеличение площадей застроенных и освоенных территорий, наблюдаемое истощение запасов пресной воды приводит к тому, что число ситуаций, когда без сухой градирни не обойтись, растет.

А если объединить в одной установке сухую и испарительную градирню? Какие преимущества (или недостатки) мы получим?

В случае необходимости закрытого контура охлаждения без контакта с воздухом – никаких. Охлаждение воды с ядовитыми примесями можно выполнять только на сухих градирнях.

В условиях недостатка воды для восполнения потерь преимущества уже возможны. Снизив температуру воды на входе в «мокрую часть» градирни за счёт предварительного охлаждения воды в «сухой» части градирни можно сократить безвозвратные потери на испарение и капельный унос.

В условиях высоких температур нагрева охлаждающей воды, температура t1 воды на входе в градирню ≥ 40 ºС, может оказаться очень существенным и определяющим фактором при выборе конструкции охладителя.

Испарительные градирни не могут работать с водой, имеющей такую температуру на их входе. Слишком высоки безвозвратные потери на испарение, водораспределительная система, форсунки, ороситель, некоторые другие конструкции градирни должны быть выполнены из дорогостоящих термостойких материалов. Сухая градирня успешно работают с горячей водой. Остудив в сухой части воду до температуры, делающей возможной её подачу в мокрую часть, мы получим на выходе из мокрой части охлажденную воду, температура которой будет определяться температурой смоченного термометра τ1, а не температурой сухого термометра ϑ.

Можно будет улучшить условия работы технологических производственных аппаратов, т.к. температура воды t2 на выходе из градирни будет ниже.

Площадь оребрения и длина труб для прокачки воды в сухой части уменьшатся, давление на входе водоводов градирни для прокачки воды через трубы снизится, а это приведет к снижению стоимости охладителя, росту КПД турбин ТЭС.

Смешение горячего и относительно сухого воздуха, вырабатываемого сухой частью градирни, и насыщенного паром воздуха из её испарительной части приведет к уменьшению концентрации влаги в выходящем из градирни воздухе. Это должно привести к уменьшению парового факела над градирней, снижению орошения территории вокруг неё конденсатом, образующимся в случае, если на выходе из градирни воздух перенасыщен влагой.

Примерно такие рассуждения послужили отправной точкой для начала работ по созданию гибридных градирен.

И они были разработаны.

Рассмотрим их основные схемы и показатели.

Замечание. В контуре охлаждения можно использовать последовательное соединения чисто сухих и чисто испарительных градирен. Такие решения разработаны и используются. Но тогда снижается синергический положительный эффект, возникающий при объединения сухой и мокрой частей в одном охладителе.

Схемы гибридных градирен

На рисунках РГГ-2 – РГГ-4 показаны различные схемы гибридных градирен.

Рисунок РГГ-2. Принципиальная схема гибридной градирни с преимущественно принудительной тягой.

Рисунок РГГ-3. Гибридная градирня башенного типа:

1 – вытяжная башня; 2 охладительные дельты и жалюзи; 3 – циркуляционные водоводы сухой части; 4 – горизонтальные перекрытия; 5 – водосборный бассейн; 6 – циркуляционные водоводы испарительной части; 7 – железобетонные опорные конструкции; 8 – водораспределительная система; 9 - блоки оросителей; 10 - водоуловитель; 11 – окна забора воздуха испарительной части; 12 – несущий опорный каркас испарительной части; 13 – сухой нагретый воздух; 14 – насыщенный паром и содержащий мелкодисперсные капли воды нагретый воздух.

Рисунок РГГ-4. Схема гибридной градирни с комбинированной подачей воздуха на примере градирни производства фирмы «Бальке-Дюрр»:

1 – башня; 2 – сухие охлаждающие теплообменники; 3 – ороситель; 4, 5 – вентиляторы сухой и мокрой частей; 6 ‑ жалюзи; 7 ‑ смешивающие элементы; 8 – водоуловитель; 9 – система распределения воды; 10, 12 – подача нагретой воды в сухие охлаждающие теплообменники и на ороситель; 11, 13 – отвод охлажденной воды от сухой и мокрой частей; 14 – шумопоглотители; 15 – сухой нагретый воздух; 16 – насыщенный нагретый воздух.

Показатели гибридных градирен

Технологические и технико-экономические показатели гибридных градирен лучше по сравнению с сухими, хотя уступают испарительным. Достоинствами гибридных градирен являются:

Пример. Рассмотрим изменение состояния воздуха в гибридной градирне, изображенной на рисунке РГГ-3. Диаграмма состояний воздуха показана на рисунке РГГ-5. В качестве параметров состояния используются ϑ ‑ температура воздуха по сухому термометру, τ – температура воздуха по смоченному термометру, φ ‑ относительная влажность атмосферного воздуха, χ - влагосодержание воздуха.

Точка 1 на диаграмме соответствует состоянию атмосферного воздуха, поступающего в градирню:

ϑ = 10 ºС,

τ = 7,5 ºС,

φ = 70,8 %,

χ = 5,38 г/кг.

При работе только в мокром режиме воздух нагреется до ϑ = 28,8 ºС, с увеличением влагосодержания до χ = 26 г/кг. Этому состоянию соответствует точка 2. Состояние воздуха соответствует насыщению воздуха паром более, чем на 100%. На выходе из градирни будет наблюдаться паровой (точнее – туманный) факел.

При работе в гибридном режиме воздух, прошедший мокрую часть, нагревается до ϑ = 26,5 ºС, влагосодержание увеличивается до 22,8 г/кг. Этом состоянию соответствует точка 3. Воздух насыщен парами до 100% влажности.

Влагосодержание воздуха, прошедшего сухую часть градирни, не изменяется и равно влагосодержанию воздуха на входе в градирню, χ = 5,38 г/кг. Температура части воздуха, прошедшего радиаторы сухой части градирни увеличивается с ϑ = 10 ºС до ϑ = 28 ºС, что соответствует точке 4. Идеальному перемешиванию потоков сухого и насыщенного воздуха из градирни соответствует точка 5, которая разделяет линию 4 – 3 примерно пополам. Этой точке соответствуют ϑ ≈ 26 ºС, φ ≈ 71 % и χ ≈ 14,5 г/ кг. Диаграмма РГГ 4 показывает, что относительная влажность φ входящего воздуха практически не изменилась после перемешивания за устройствами теплообмена, повысилась только его температура и влагосодержание χ. Над градирней такой воздух не отличается от окружающего, факел не образуется.

Целю теплофизических и аэродинамических расчётов гибридных градирен является выбор оптимальных (в реальности – близких к оптимальным) размеров и соотношений поверхностей теплообмена для сухой и мокрой частей градирни и требуемых расходов воздуха для них.

Расчёты необходимы как при проектировании новых градирен, так и при привязке типовых проектов градирен к местным метеорологическим условиям с учетом требований к температуре охлажденной воды, объёмным и гидравлическим нагрузкам со стороны технологических аппаратов объекта.

Сейчас широко используются численные методы расчётов, в которых в основном применяются конечно-разностные методы решения уравнений теплофизики и аэродинамики.

По охлаждающей способности гибридные градирни обгоняют сухие, но уступают испарительным.

Рисунок РГГ-5. Диаграмма состояния воздуха в работающей гибридной градирне при Рб = 760 мм рт. ст.; 1 – окружающего атмосферного; 2 - выходящего из градирни при работе только мокрой части; 3 – выходящего из мокрой части при работе в гибридном режиме; 4 – выходящего из сухой части при работе в гибридном режиме; 5 – выходящего из градирни после смешивания сухого и насыщенного воздуха.

По охлаждающей способности гибридные градирни обгоняют сухие, но уступают испарительным.

Гибридные градирни сложнее строить. Они требуют высококвалифицированного обслуживания при эксплуатации не только самих градирен, но и всей системы водооборота. При недостаточной водоподготовке на стенках радиаторных труб могут образоваться нерастворимые минеральные или органические отложения. Оребрение труб подвержено загрязнению пылью и другими частицами, например, растительного происхождения (типичный пример – тополиный пух). Способность к водоохлаждению снижается, нарушаются штатные режимы работы, увеличивается риск аварий.

Для целей управления гибридной градирней должна использоваться соответствующая АСУТП водоохлаждения, взаимодействующая с другими АСУТП предприятия, поставляющим ей необходимые для формирования управляющих воздействий исходные данные.

Совокупность всех этих факторов приводит к тому, что в РФ гибридные градирни не получили широкого распространения.

Хотя, конечно, за ними будущее в ряде областей народного хозяйства, на территориях со специфическими климатическими особенностями и требованиями по охране природы.

Правила портала и отказ от ответственности
Информационный специализированный ресурс gradirni.org
Проект B2B-Studio.ru
Перейти к полной версии Перейти к мобильной версии