Основными видами градирен являются:

• вентиляторные – испарительные, сухие, гибридные;
• башенные;
• эжекционные;
• открытые.

Цель выбора вида и конструкции градирни – получить технологически выверенное решение, обеспечивающее минимальную совокупную стоимость владения.

Выбор типов и конструкций градирен осуществляется на основании технологических и экономических расчётов. При технологических расчётах принимаются во внимание заданные проектом:

• расходы оборотной воды;
• количество тепла, которое должно отбираться от производимых продуктов (например, продуктов, получаемых в результате переработки нефти) и (или) охлаждаемого оборудования;
• устойчивость охладительного эффекта;
• метеорологические параметры;
• условия размещения градирен на площадях предприятия;
• химические составы добавочной и оборотной воды;
• санитарно-гигиенические требования к добавочной и оборотной воде;
• технико-экономические показатели системы водоснабжения.

В обязательном порядке учитываются требования природоохранных органов к градирням, как к источникам отрицательных воздействий на окружающую среду.

Выбор вида и конструкции градирни осуществляется, как правило, в два этапа.

На этапе технико-экономического обоснования осуществляется предварительный оценочный выбор вариантов, сужающий область возможных решений. Один из подходов к предварительному выбору мы рассмотрим ниже.

На этапе проектирования осуществляется детальный теплофизический, гидроаэродинамический расчёт и выбор конкретных технологических, конструкционных, архитектурно-планировочных и строительных решений, позволяющих получить требуемый результат при меньших финансовых затратах.

Эта работа осуществляется с привлечение производителей (поставщиков) градирен. В настоящее время на этом этапе широко используются численное моделирование процессов охлаждения оборотной воды и системы автоматизации проектирования.

Большинство параметров градирен могут быть вычислены с достаточной точностью или задаются проектом.

Наибольшую неопределённость в расчёты вносят метеорологические параметры, напрямую влияющие на устойчивость охладительного эффекта.

Температура окружающей среды, скорость и направление ветра, влажность воздуха могут изменяться в очень широких пределах.

Поэтому важной задачей, предшествующей выбору вида и конструкции градирни, является определение параметров атмосферного воздуха, которые будут использованы в расчётах.

Определение расчетных параметров атмосферного воздуха

G_ж - гидравлическая нагрузка равная объему охлаждаемой градирней воды в единицу времени, м³/ч,

t₁ – температура воды на входе в градирню,

t₂ – температура воды на выходе из градирни,

t_пр – оптимальная температура, до которой должны охлаждаться производимые продукты,

φ1 – влажность воздуха,

ϑ₁ - температура атмосферного воздуха по сухому термометру,

τ₁ - температура атмосферного воздуха по смоченному термометру.

Гидравлическая нагрузка G_ж, температура воды на входе t₁ в градирню и t₂ и на выходе из нее обычно задаются по результатам теплотехнических расчетов теплообменных аппаратов (конденсаторов, холодильников и др.), охлаждаемых водой.

При теплотехнических расчетах важно определить оптимальную температуру t_пр, до которой должны охлаждаться производимые продукты в аппаратах, и температуру воды, выходящей из градирни. Выбор более низких значений t_пр и t₂ увеличивает размеры теплообменных аппаратов и градирен; выбор более низкой температуры t₂ при заданном значении t_пр уменьшает размеры теплообменных аппаратов, но размеры градирни и затраты энергии на вентиляторы при заданной величине G_ж при этом увеличиваются. Повышение температуры t_пр в результате уменьшения разности t_пр - t₂ или увеличения t₂ может повлечь за собой снижение качества продукции и уменьшение производительности технологических установок. Целесообразно определять t_пр, t₂ и расход охлаждаемой воды G_ж исходя из требований технологического процесса и экономических соображений по результатам расчета всего контура, включающего теплообменные аппараты, градирни и циркуляционную насосную станцию.

Если указанные расчёты выполнить затруднительно, то при выборе температур t_пр и следует учесть, что вода может быть охлаждена в градирне до температуры более низкой, чем температура атмосферного воздуха по сухому термометру ϑ₁. Теоретическим пределом охлаждения воды в градирне является τ₁ - температура атмосферного воздуха по смоченному термометру. Учитывая, что с приближением расчетной температуры воды t₂ к теоретическому пределу охлаждения τ₁ требуются градирни всё больших размеров, при проектировании рекомендуется принимать расчетную температуру t₂ исходя из условия, чтобы разность t₂ - τ₁ была не менее 4‑5 °С. Разность t_пр - t₂ принимают равной 4-8 °С. Самое низкое значение разности t₂ - τ₁ и высокое t_пр - t₂ могут быть приняты лишь в случаях, если это диктуется жесткими требованиями производственного технологического процесса обеспечить максимально низкую температуру t_пр . В любом случае на практике расчетная разность t₂ - τ₁ не принимается меньше 2-2,5 °С.

Тепловой расчет градирен производится исходя из неблагоприятных атмосферных условий для работы этих сооружений. Обычно это летние месяцы года. Следует также учитывать зимние условия, т.к. морозы могут вызывать обледенение рабочих агрегатов градирен и (или) замерзание жидких агентов.

Как следует из сказанного, выбирать для расчётов температуры и влажности значения, выбранные с «запасом» - не лучшее решение. Высокие температуры и влажность могут наблюдаться в течение года кратковременно. При этом чем выше расчётные температура и влажность, тем больше и энергозатратней будет спроектированная градирня. Это увеличит затраты на её создание и эксплуатацию. Если за основу расчётов выбрать заниженные температуру и влажность атмосферного воздуха, то на предприятии в течение длительного периода технологические продукты не будут охлаждаться до требуемой температуры. Это приведёт к снижению их качества, эффективности технологических процессов, возможно - необходимости остановки производства или авариям.

Следовательно, при выборе параметров атмосферного воздуха для проведения расчётов необходимо учитывать возможность повышения температуры воды на выходе из градирни выше заданной проектом, но оценивать длительность периода превышения с учетом технологии производства.

Расчет градирен, как требует СНиП 2.04.02-84, следует выполнять исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и смоченному термометрам (или относительной влажности воздуха) по многолетним наблюдениям при обеспеченности 1 - 10 % за летний период года (июнь, июль, август). Выбор обеспеченности можно производить в зависимости от категории водопотребителя по таблице ТВГ-1. Все водопотребители условно разделены на три категории в зависимости от уровня требований к температурам охлаждаемой воды.

Под обеспеченностью температуры (влажности) наружного воздуха понимается число лет, при которых за данные календарные сутки температура наружного воздуха (его влажность) не превышает заданного значения.

Параметры атмосферного воздуха для района строительства градирни, применяемые в расчётах, определяются с помощью таблицы ТВГ-2 по выбранной из таблицы ТВГ-1 величине обеспеченности метеорологических параметров.

Указанной в ТВГ-2 обеспеченности 1 % за три летних месяца соответствует обеспеченность примерно 0,25 % в разрезе года. Аналогично обеспеченности 5 % соответствует годовая обеспеченность 1,25 % и обеспеченности 10 % - годовая обеспеченность 2,5 %.

Таблица ТВГ-1. Категория водопотребителя и требуемая обеспеченность метеорологических параметров

Категория водопотребителя	Зависимость технологического процесса производства или работы оборудования от превышения температуры охлажденной воды (или охлажденного продукта) над расчетной	Обеспеченность метеорологических параметров за летний период года (июнь, июль, август) при расчете градирен, %
I	Нарушение технологического процесса производства в целом и, как следствие, значительные убытки	1 (1 дней)
II	Допускаемое временное нарушение технологического процесса отдельных установок	5 (5 дней)
III	Временное снижение экономичности технологического процесса производства в целом и отдельных установок	10 (10 дней)

Обеспеченности 1 %, указанной в ТВГ-1 соответствует продолжительность стояния температур ϑ₁ и τ₁ и влажности φ₁ примерно 1 день в году. Аналогично обеспеченности 5 % соответствует 5 дней в году и обеспеченности 10 % соответствует 10 дней в году.

Таблица ТВГ-2. Обеспеченность параметров атмосферного воздуха, %, φ₁ – влажность воздуха, ϑ₁ ‑ температура атмосферного воздуха по сухому термометру, τ₁ - температура атмосферного воздуха по смоченному термометру.

Пункты	Обеспеченность параметров атмосферного воздуха, %
наблюдения		1			5			10
	ϑ1	φ1	τ1	ϑ1	φ1	τ1	ϑ1	φ1	τ1
Алма-Ата	32,0	28	19,8	27,7	31	17,4	26,5	34	17,0
Астрахань	30,4	52	23,2	28,8	55	22,4	27,8	56	21,6
Ашхабад	36,3	18	20,2	34,8	20	19,8	33,9	22	19,7
Горький	26,8	48	19,6	24,0	52	17,8	22,7	56	17,3
Иркутск	22,0	63	17,6	20,5	68	16,9	19,7	71	16,5
Казань	26,8	43	18,7	24,6	51	18,2	23,4	55	17,8
Краснодар	28,0	55	21,6	26,5	57	20,6	25,5	59	20,1
Красноярск	24,4	55	18,6	22,5	61	17,8	21,4	64	17,2
Ленинград	26,0	56	20,1	23,2	60	18,3	21,7	63	17,4
Луганск	30,1	30	18,8	27,0	37	17,8	25,7	44	18,0
Москва	27,0	55	20,8	24,5	57	19,0	22,9	59	17,9
Новосибирск	25,4	54	19,3	23,3	59	18,2	22,0	63	17,6
Омск	27,4	44	19,4	24,1	50	17,6	22,5	55	17,0
Свердловск	25,8	49	18,8	23,2	57	17,8	21,5	62	17,0
Ташкент	31,2	37	21,0	29,4	38	19,8	28,6	40	19,6
Томск	24,3	60	19,2	22,3	64	18,0	21,0	68	17,4
Тула	25,5	56	19,6	23,1	60	18,2	21,6	63	17,3
Уфа	27,6	44	19,5	25,3	48	18,3	23,8	53	17,8
Харьков	28,5	38	19,2	26,4	45	18,8	24,9	52	18,6
Челябинск	26,0	51	19,4	23,7	54	15,8	22,4	58	17,3

В таблице ТВГ-3 приведено распределение среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому термометру ϑ₁ по зонам за летний период с 14 мая по 15 сентября за 9 лет одного из городов Средней Азии.

Таблица ТВГ-3. распределение среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому термометру ϑ₁ по зонам температуры за летний период с 14 мая по 15 сентября за 9 лет для одного из городов Средней Азии.

Зоны темпера­туры, °С	Число дней стояния температур по годам										На­раста­ющим итогом	Обеспе­ченность за период с 15.05 по 15.09, %	Число дней с температурой, превышающей температуру зон с 15.05 по 15.09	Обеспе­ченность за год, %
	1-й	2-й	3-й	4-й	5-й	6-й	7-й	8-й	9-й	Всего за 9 лет
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
34 - 33	-	-	1	-	-	-	-	-	-	1	1	0,09	0,1	0,03
33 - 32	-	-	1	-	-	-	-	1	-	2	3	0,27	0,3	0,1
32 - 31	-	-	1	6	2	-	-	3	-	12	15	1,34	1,7	0,5
31 - 30	2	-	3	3	4	-	3	8	1	24	39	3,49	4,3	1,2
30 - 29	4	-	4	5	8	-	4	13	4	42	81	7,26	9,0	2,5
29 - 28	1	5	5	8	7	3	7	3	8	45	126	11,29	14,0	3,8
28 - 27	1	9	6	15	9	11	14	3	11	79	205	18,37	22,8	6,2
27 - 26	17	13	7	13	10	8	16	3	14	101	306	27,42	34,0	9,3
26 - 25	13	16	11	11	11	19	12	8	16	117	423	37,90	47,0	12,9
25 - 24	13	26	10	11	12	14	9	12	12	119	542	48,57	60,2	16,5
24 - 23	10	8	18	5	12	13	5	15	14	100	642	57,53	71,3	19,5
23 - 22	12	12	11	13	6	12	15	7	16	104	746	66,85	82,9	22,7
22 - 21	7	8	11	4	8	11	6	8	8	71	817	73,21	90,8	24,9
21 - 20	12	6	8	8	11	8	7	17	4	81	898	80,47	99,8	27,3
20 - 19	6	12	10	4	9	6	8	6	5	66	964	86,39	107,1	29,3
19 - 18	10	3	7	5	7	9	3	8	4	56	1020	91,40	113,3	32,0
18 - 17	3	3	5	9	2	4	5	3	1	35	1055	94,53	117,2	32,1
17 - 16	5	2	3	2	3	2	5	2	1	25	1080	96,77	120,0	32,9
16 - 15	1	-	2	2	2	3	3	1	1	15	1095	98,12	121,7	33,3
15 - 14	2	1	1	-	1	1	1	2	2	11	1106	99,10	122,9	33,7
14 - 13	5	-	1	-	-	-	1	-	1	8	1114	99,82	123,8	33,9
13 - 12	-	-	-	-	-	-	-	1	1	2	1116	100,00	124,0	34,0

Расчетная температура по проценту обеспеченности может быть определена методом линейной экстраполяции по таблице, аналогичной ТВГ-3, составленной для района размещения проектируемой градирни.

Среднесуточные температуры и влажности, необходимые для составления таблиц, подобных ТВГ-2, вычисляются по данным четырехкратных замеров этих параметров в течение дня: в 9 ч 00 мин, 12 ч 00 мин, 15 ч 00 мин и 18 ч 00 мин. Данные об этих параметрах для районов строительства (или ближайшего к нему района) можно получить в «Росгидромет», meteorf.ru.

При расчете градирен по среднесуточным параметрам атмосферного воздуха следует учитывать, что их усреднение даже за сутки приводит к тому, что в дневные часы довольно продолжительного летнего периода охладительный эффект градирни может быть недостаточным, т.е. фактическая температура охлажденной воды t₂ будет выше расчетной. Общее число часов работы градирни в летний период, когда фактическая температура t₂ будет выше расчетной, может оказаться больше в 3 - 4 раза по сравнению с числом часов, полученных по обеспеченности, рассчитанной по среднесуточным температурам и среднесуточной относительной влажности воздуха.

Теперь, когда известны параметры, влияющие на выбор градирен и особенности, присущие этим параметрам, рассмотрим подход, позволяющий осуществить первоначальный выбор вида и конструкции градирни.

Выбор и конструкции градирни

Наиболее широко используются башенные и вентиляторные (включая сухие и гибридные) градирни.

Учитывая разнообразие вида градирен и очень большое разнообразие их конструкций, выбор конкретного решения может быть неоднозначным.

Таблица показателей

В таблице ТВГ-4 приведены основные показатели, влияющие на выбор и башенных градирен, и связи между показателями. В следующем разделе приведен пример, показывающий, как воспользоваться таблицей для выбора вида и конструкции градирни.

Подходы к выбору открытых и эжекционных градирен будут рассмотрены ниже.

Таблица ТВГ-4. Показатели, влияющих на выбор вентиляторных и башенных градирен в системах оборотного водоснабжения. Ид. – основной идентификатор показателя, связанные ид. – идентификаторы показателей, связанные с основным идентификатором показателя.

Показатель	Ид.	Связан­ные ид.	Градирни вентиляторные	Градирни башенные
Расход воды в системе, м3/ч	1	15-17	До 100	-
	2	15-18, 21, 23		100-1000
	3	18-24		1000-10 000
	4	19-24		10 000-100 000
	5	22, 24		Более 100 000
Температура нагретой воды, ºС	6	79-83		До 50
	7	79, 80	До 60	-
	8	34-36	Выше 60	-
Перепад температур нагретой и охлаждённой воды, ºС	9	26	3-20 и выше	-
	10	26-28		5-15
Концентрация загрязнений в охлаждаемой воде, мг/л	11	55, 58	До 25 для нефтепродуктов и до 50 для взвешенных веществ
	12	56, 57	Более 25 для нефтепродуктов, жиров и смол и до 120 для взвешенных веществ
	13	59	Загрязнения, образующие на конструкциях градирен отложения, не смываемые водой
	14	34, 36, 43, 44	Наличие токсичных веществ
Площадь орошения одной градирни, м2	15	29, 30, 72-74, 78	До 7	-
	16	29, 31, 74	4-48	-
	17	29, 70, 72, 73	4-24
	18	31, 70, 72	32-120	-
	19	31, 70, 72	128-320	-
	20	31, 70, 72	288-648	-
	21	31, 75	64-1152	-
	22	32, 71, 72	400, 750, 1200	-
	23	72, 76	-	16-256
	24	72, 76	-	324-4000 и более
Высота градирни, м	25	-	1,5-42	18-92 и более
Подача воздуха	26	48, 49	Механическая	-
	27	48		Естественная
	28	48, 49	Комбинированная
Тип вентилятора	29	76, 77, 78	Осевой общепромышленного назначения	-
	30	78	Радиальный общепромышленного назначения	-
	31	70, 76, 77	ВГ25, ВГ50, ВГ70	-
	32	71, 40	Диаметром 10,4м; 14 м; 20 м	-
Охлаждение воды при контакте с воздухом	33	40	Ороситель (испарительные градирни)
Охлаждение воды без контакта с воздухом	34	41	Теплообменник (сухие градирни)
Охлаждение воды смешанное	35	41	Ороситель и теплообменник (гибридные градирни)
	36	40	Теплообменник с набрызгом воды
Способ передачи тепла от воды к	37	33	Испарение части воды
воздуху	38	34	Теплопередачей через стенки теплообменника
	39	35	Испарением и теплопередачей
Выбросы из градирен в атмосферу	40	33, 36	Нагретый и насыщенный паром воздух
	41	34, 35	Нагретый воздух
Капельный унос, %	42	34	Отсутствие
	43	15	Менее 0,01
	44		0,01 – 0,05
	45	16-22	0,1-02	-
	46	23, 36	0,5-1
	47	59	1-1,5
Схема подачи воздуха	48	29, 31, 32	Отсасывающая
	49	29,30	Нагнетательная
	50	33	Противоточная
	51	33	Поперечноточная
	52	33	Смешанная
	53	50, 51	Однопоточные
	54	51	Двухпоточные
Тип оросителя	55	79-83	Пленочный
	56	79, 82, 83	Капельный	-
	57	79, 82	Капельно-плёночный
	58	79-83	Комбинированный
	59	-	Брызгательный	-
Тип водоуловителя	60	45	Жалюзийный
	61	43, 44	Сотовый, с криволинейным очертанием лопаток
	62	43, 44	Решетчатый
Располагаемый	63	68, 51	До 1
остаточный напор на отметке	64	68, 69	1-2
водораспределительной системы градирни, м	65	69	Более 2
Тип системы распределения воды в градирне	66	15-24, 50, 64, 65	Напорный трубчатый
	67	51, 52, 63	Безнапорный (трубчатый, лотковый, в виде бассейна)
Тип разбрызгивающих устройств	68	66, 67	Ударные, в том числе сливные трубки
(сопел)	69	66	Центробежные, (тангенциальные, эвольвентные, винтовые)
Размещение градирен в плане	70	29, 31	Секционные	-
	71	23, 24, 29, 30, 32	Отдельно стоящие
Размещение градирен относительно уровня земли	72	15, 17‑20, 22‑24	На поверхности земли
	73	15	На эстакаде	-
	74	15, 16	На зданиях с плоской кровлей	-
	75	21	Совмещенные с насосной станцией	-
Способ изготовления	76	16-24	Строительные конструкции
	77	16, 17	Комплектно-блочного исполнения	-
	78	15	Заводского изготовления	-
Конструктивные материалы оросителя и водоуловителя	79	55-57	Дерево
	80	55	Асбоцементные листы
	81	55	Стеклопластиковые листы
	82	55-58	Полиэтилен низкого давления
	83	55-58	Поливинилхлорид пластифицированный
Конструктивные материалы несущего каркаса и ограждающих конструкций	84	17, 23	Дерево
	85	15-24	Сталь профильная
	86	15, 16, 21	Алюминиево-магниевые сплавы	-
	87	18-22, 24	Сборно-монолитный железобетон
	88	22, 24	Монолитный бетон
Конструктивные материалы обшивки	89	84	Деревянные щиты
	90	84, 85	Асбоцементные листы усиленного профиля
	91	84, 86	Стеклопластиковые листы усиленного профиля
	92	84, 86	Профилированные листы пластифицированного ПВХ
	93	84-87	Алюминиевые или стальные (оцинкованные) листы
	94	87	Железобетонные стеновые панели
	95	88	Монолитный железобетон
	96	80, 81, 83, 85‑88	Невозгораемые
	97	79, 82, 84, 89	Возгораемые

Пример выбора градирни по таблице показателей

На стадии ТЭО требуется отобрать возможные варианты вида и конструкции градирен для охлаждения оборотной воды.

Исходные данные приведены в таблице ТВГ-5.

Таблица ТВГ-5. Исходные данные для выбора градирен проектируемого предприятия на стадии ТЭО.

№	Параметр	Значение
1	Расход воды в системе	20 000 м3/ч
2	Температура нагретой воды на входе в контур охлаждения	38 ºС
3	Требуемая температура охлаждённой воды на выходе из контура охлаждения	25 ºС
4	Температура атмосферного воздуха по сухому термометру	24,5 ºС
5	Температура атмосферного воздуха по смоченному термометру	19 ºС
6	Глубина охлаждения воды	6 ºС (25-19)
7	Концентрация нефтепродуктов в оборотной воде	До 15 мг/л
8	Концентрация взвешенных веществ в оборотной воде	До 25 мг/л
9	Капельный унос из градирни, не более	0,05%
10	Количество охладителей на площадке предприятия, не менее (выбирается из соображений надежности, удобства выполнения ремонтных работ и экономичности – одна из градирен может быть остановлена на ремонт или в холодное время года)	2
11	Напор воды в водораспределительной системе	До 3 м

Найдём решение, опираясь на таблицу ТВГ-4.

В ТВГ-4 находим строку, с интервалом расхода, содержащим значение 20 000 м3/ч (строка № 1 в ТВГ-5). Это будет строка с Идентификатором, равным 4.

Для идентификатора 4 имеются связанные идентификаторы 19-24. Выписываем для них соответствующие показатели применения градирни:

19 - площадь орошения одной градирни от 128 до 320 м²,

20 – от 288 до 648 м²,

21 – от 64 до 1152 м²,

22 – 400, 750, 1200 м² (градирни вентиляторные),

23 – от 16 до 256 м²,

24 – от 324 до 4000 м² и более (градирни башенные).

Из дальнейшего рассмотрения исключаем вентиляторные градирни с площадями орошения 750 и 1200 м² по условию размещения не менее двух охладителей на площадке предприятия (строка 10 ТВГ-5).

Рассмотрим связанные индексы к индексам 19 и 20:

31 – вентиляторы типа ВГ,

70 – градирни секционные,

72 – размещаются на поверхности земли.

К связанному идентификатору 21:

31 –вентиляторы типа ВГ,

75 – градирни совмещены с насосной станцией.

К индексу 22:

32 – вентиляторы диаметром 10, 4 м,

71 – градирни отдельно стоящие,

72 – размещаются на поверхности земли.

По заданным концентрациям загрязнения оборотной воды – нефтепродуктов до 15мг/л (строка 7 ТВГ-5) и взвешенных веществ (строка 8 ТВГ-5) в ТВГ-4 выбираем идентификатор 11. Для градирен может быть применён ороситель плёночный (связанный идентификатор 55) или комбинированный (индекс 58).

Дополнительными идентификаторами к 55 и 58 определяются возможные материалы оросителя: 79 – дерево, 80 – асбоцементные листы, 81 – стеклопластиковые листы, - 82 – ПНД, 83 – ПВХ.

Заданному в строке 9 ТВГ-5 значению капельного уноса из градирни 0,05% обеспечивается водоуловителями – сотовыми и с криволинейным очертанием лопаток (идентификатор 61) или решетчатым (идентификатор 62).

Для работы разбрызгивающих сопел зададим напор воды в водораспределительной системе – до 3м (строка 11 ТВГ-5). Такому напору соответствует идентификатор 65. По дополнительному идентификатору 69 к идентификатору 65 и дополнительному идентификатору 66 к идентификатору 69 определяем, что система должна быть напорной трубчатой с центробежными соплами.

Результат. Для последующих технологических, технических и экономических расчётов выбираем градирни наземные секционные, совмещенные с насосной станцией (или) отдельно стоящие с площадью сечения 400 м2, с вариантами оросителей из различных материалов и водоуловителями трех конструкций, а также с напорной трубчатой системой распределения воды для всех вариантов градирен. Циркуляционные насосы должны быть подобраны из условия подачи 20 000 м³/ч воды на градирни при остаточном напоре в системе водораспределения 3 м.

Дополнительные факторы

На электростанциях для охлаждения оборотной воды применяются в основном башенные градирни, на предприятиях промышленности, торговых и общественных объектах – вентиляторные.

Решение о преимущественном применении башенных градирен на ТЭС и АЭС, нормативно закреплённое в 1950 ‑ 1960 гг., оказалось верным. Оно основывалось на:

• требовании охлаждения больших объёмов воды;
• опыте зарубежных стран с похожими на РФ климатическим характеристиками (север США; Канада, скандинавские страны). Большая первоначальная стоимость башенных градирен в процессе эксплуатации компенсируется меньшими затратами на эксплуатацию и ремонт;
• на законодательстве СССР (в какой-то мере), согласно которому расходы электроэнергии на работу вентиляторов оплачивала сама электростанция.

Казалось, что если цель выбора вида и конструкции градирни – получение технологически выверенного решения, обеспечивающего минимальную совокупную стоимость владения, то для больших тепловых энергетических объектов альтернативы башенным градирням нет.

За истекший немалый период накоплен большой опыт эксплуатации башенных и вентиляторных градирен. Появились новые виды конструкционных материалов для оросителей, водоуловителей, водораспределительных систем. Появились отечественные вентиляторы с диаметром лопастей до 20 м.

Качественное изменение вентиляторных градирен делает теперь привлекательным их использование в РФ на мощных энергетических объектах по следующим причинам:

• суровый климат. Вентиляторные градирни лучше башенных противостоят сильному ветру, меньше подвержены обмерзанию, т.к. зимой могут работать при выключенном вентиляторе за счет естественной тяги. Такой режим позволяет сохранить температуру воды t₂ на уровне, не допускающем образование наледи на конструкциях градирни;
• на мощных ТЭС в условиях рыночной экономики увеличилась потребность в маневрировании вырабатываемой мощностью. Маневрирование мощностью приводит к достаточно резкой смене тепловых нагрузок, что, в свою очередь требует гибкой системы охлаждения воды. Маневренность в системе охлаждения легче обеспечить вентиляторными градирнями, отключая вентиляторы и используя только естественную тягу, или отключая секции градирен. Большее количество вентиляторных градирен при их относительно меньшей мощности упрощает процесс регулирования теплоотвода по сравнению с ситуацией, когда на станции установлено небольшое количество башенных градирен большой единичной мощности. Появляется возможность включить управление градирням в единый контур АСУТП предприятия;
• вентиляторные градирни возводятся быстрее, что сокращает сроки строительства энергообъекта в целом. Их проще ремонтировать и демонтировать;
• появление на рынке РФ доступных вентиляторов большой производительности диаметром 15 – 20 м;
• расширение прав руководства энергообъекта при решении финансовых и технических вопросов.

Поэтому, выполнив предварительный отсев вариантов использования тех или иных видов градирен с помощью таблицы ТВГ-4, необходимо всё же ещё раз оценить технологические, экологические, экономические аспекты использования вентиляторных градирен в условиях Российской Федерации.

Об эжекторных градирнях

Условия выбора эжекторных градирен в таблице ТВГ-4 не рассматриваются. Тяга в этих градирнях создается высоконапорным потоком мелкодисперсной воды, увлекающей атмосферный воздух за счет эффекта эжекции. Эжекция - процесс смешения двух сред, в котором одна среда, находясь под давлением, двигаясь, оказывает воздействие на другую среду и заставляет двигаться её в требуемом направлении.

В эжекторных градирнях отсутствует вентилятор и другие движущиеся части.

Достоинствами градирен такого вида являются:

• способность работать на горячей воде с t₁ ≥ 60 ºС;
• вентилятор, редуктор, электромотор вентилятора отсутствуют, а значит – их не надо обслуживать и ремонтировать;
• надежность насоса высокого давления выше, чем совокупная надёжность тракта мотор + редуктор + вентилятор.

Недостатками эжекторных градирен являются:

• большие энергозатраты на создание высокого давления воды в форсунках;
• большой капельный унос;
• сложность эксплуатации в суровых климатических условиях России.

Эжекционные градирни продолжают совершенствоваться. Возможно, при проведении ТЭО следует рассмотреть их как альтернативу вентиляторным и сухим градирням, особенно при охлаждении воды с температурой t₁ ≥ 60 ºС.

О гибридных градирнях

Как альтернатива сухим градирням могут быть рассмотрены гибридные градирни. С одной стороны, они могут работать с горячей водой (t₁ ≥ 40 ºС), с другой – обеспечивают большую, чем у сухих градирен, глубину охлаждения, т.е. меньшую разность между t₂ и τ₁. В то же время они не обладают важным достоинством сухих градирен – отсутствием потерь оборотной воды за счёт парового факела и капельного уноса. В настоящее время опыт их эксплуатации в РФ ещё невелик.

Расчет открытых градирен

Устройство и место установки открытых градирен

Открытые градирни - капельные и брызгальные - предназначаются в основном для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м³/ч, обслуживающих водопотребителей II и III (СНиП 2.04.02-84. На рисунке РВГ-1 приведена схема открытой капельной градирни площадью в плане 2 х 4 м.

Градирни обладают высоким охладительным эффектом, не используют электроэнергию для подачи воздуха, их конструкция проста, они удобны в эксплуатации и ремонте.

Применение открытых градирен ограничивается требованием их размещения на открытых площадках, свободно продуваемых ветром, а также технологической возможностью кратковременного повышения выше расчётной температуры охлаждаемой воды t₂ на выходе из градирни для охлаждаемых аппаратов в период штилей, в особенности в летнее время.

Водораспределительная система, как правило, выполняется двузонной; верхняя (расчётная) - для летних условий эксплуатации, нижняя - для зимних. Для предупреждения переохлаждения воды должны быть предусмотрены трубы для сброса теплой воды непосредственно в бассейн, минуя ороситель.

Размещение градирен на генплане промышленного предприятия должно осуществляться только в один ряд с учетом беспрепятственного доступа к ним воздуха. Расстояния между отдельными градирнями в ряду следует принимать не менее 5 - 6 м. Градирни следует располагать длинной стороной перпендикулярно господствующему направлению ветра в летний период. Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос паров и капель воды в сторону от расположенных поблизости сооружений и дорог.

Условие продуваемости ветром требует, чтобы ширина активной зоны оросителя была не более 4 м (без учета жалюзи).

Охладительный эффект работы открытых градирен надежно обеспечивается при следующих оптимальных условиях:

• удельной тепловой нагрузке 29,3 - 62,6 МДж/ (м² × ч);
• перепада температуры воды t₂ - t₁ = Δt = 5 - 10 °С;
• глубине охлаждения воды t₂ - τ₁ = 10 - 12 °С.

Рисунок РВГ-1. Схема открытой капельной градирни: 1 - водораспределительная система; 2 - оросительное устройство; 3 - воздухонаправляющие жалюзи; 4 - переливной водовод; 5 - грязевой водовод; 6 ‑ отводящий водовод.

Расчёт открытой капельной градирни по графику охлаждения воды

Определение площади оросителя и охладительного эффекта открытых градирен производится по графику, приведенному рисунке РВГ-2.

Рисунок РВГ-2. График охлаждения воды для открытой капельной градирни.

График охлаждения составлен для расчетных данных: n_р = 10, τ₁ = 20 ºС и W = 1,5 м/с. Угол наклона жалюзи ‑ 45º, ширина градирен без учета жалюзи - 4 м, где:

n_р – число решеток,

τ₁ – средняя температура воздуха по смоченному термометру,

W – средняя скорость ветра.

При других значениях n_р, τ₁ и W к данным графика вносятся поправки с применением коэффициентов, определяемых по графикам поправок Рисунок РВГ-3.

Расчет градирни сводится к определению требуемой площади градирни f_ор или температуры охлажденной воды t₂.

Пример 1. Требуется определить площадь градирни f_ор при условиях: G_ж = 60 м³/ч, τ₁ = 19 °С, Δt = 12 °С, t₂ = 28 ºС, W = 1,0 м/с, n_р = 10.

По графику, рисунок РВГ-2, для Δt = 12 °С и t₂ - τ₁ = 28 - 19 = 9 °С определяется расчетная плотность орошения q ¢_ж = 4,8 м³/ (м² × ч).

По графикам рисунка РВГ-3 принимаются коэффициенты: α_t = 0,95, α_w = 0,9, α_n = 1,0.

Расчетная плотность орошения с поправками будет равна:

q_ж = 4,8 × 0,95 × 0,9 × 1 = 4,1 м³/ (м² × ч).

Требуемая площадь орошения градирни f _ор = 60/4,1 = 14,6 м².

Таким образом, к установке принимается градирня площадью 16 м².

Рисунок РВГ-3. Графики поправок к расчету открытой капельной градирни, а) - поправка к плотности орошения на величину температуры по смоченному термометру; б) - то же, на величину скорости ветра; в) - то же, на число рядов решеток оросителя.

В настоящее время открытые градирни используются редко, но пример расчёта теплофизических параметров открытой градирни использован в качестве иллюстрации процедур, выполняемых и при расчёте градирен других типов. При таких расчётах также строятся «графики» зависимости одних параметров от других. Но для башенных, вентиляторных сухих и гибридных градирен расчёты намного сложнее в силу большей сложности механизмов теплообмена и наличия дополнительных параметров, описывающих: потоки воздуха и пара, создаваемые принудительной тягой; капельные взвеси; градиенты влажности и температур; межфазные переходы и пр.

Необходимые расчёты и их экспериментальную проверку обязан выполнить производитель (поставщик) градирен. Для этого он может привлекать специализированные организации. Но ответственность за результат целиком лежит на нём.

В разделе 5 национального стандарта РФ, ГОСТ Р ЕН 14705—2011, «Теплообменники. Методы измерения и оценки тепловых характеристик испарительных градирен» определены гарантии поставщика, которые он обязан предоставить заказчику:

«…

5 Гарантии

5.1 Общие положения

Перед подписанием договора поставщик должен предоставить имеющуюся в наличии эксплуатационную документацию с указанием значений гарантийных параметров, в зависимости от допустимых параметров воздействия, для того чтобы документально закрепить гарантируемые характеристики поставляемой градирни.

5.2 Гарантийные документы

5.2.1 Поставщик градирни должен гарантировать:

а) напор насоса градирни;

b) среднюю температуру охлажденной воды t_c, зависящую от:

- температуры сухого термометра t_s;

- относительной влажности φ или температуры смоченного термометра t_w;

- диапазона охлаждения z или температуры горячей воды t_h;

- расхода воды m или qme.

Также поставщик должен гарантировать, где необходимо, такие параметры, как:

- мощность вентилятора F_p;

- коэффициент влияния;

- коэффициент рециркуляции;

- давление (атмосферное) р_а;

- атмосферный температурный градиент G.

Однако для градирен с естественной тягой по договору должны выполняться расширенные испытания для определения влияния ветра на площадке на характеристики градирни. В данном случае поставщик гарантирует, что средняя температура охлажденной воды t_c будет зависеть от:

- скорости ветра V₁₀;

- направления ветра D₁₀.

Гарантийные документы могут быть представлены в виде сравнительных таблиц эксплуатационных характеристик, графиков, аналитических выражений, компьютерных программ и т. п.

Кривые эксплуатационных характеристик должны быть представлены в формате, указанном в приложении А, однако допускаются и другие форматы или соответствующие формулы при условии, что они предоставляют ту же информацию.

Кривые должны иметь точность показаний 0,1 ºК. Зона, в которой разрешено проводить приемные испытания, должна быть указана согласно 5.3.2.

Если для учета влияния других параметров предусмотрены корректировочные кривые (например, скорость ветра, атмосферный градиент, ослабление факела, атмосферное давление, коэффициент влияния, коэффициент рециркуляции), они должны применяться в соответствии с условиями договора.

с) Для градирен смешанного типа состояние воздуха на выходе должно определяться по каждому из указанных граничных условий:

- температуре сухого термометра t_s;

- относительной влажности φ или температуре смоченного термометра t_w.

Контроль других показателей устанавливается договором.

…».

Конец цитаты.

Так что стандарт, а значит и закон, на стороне заказчика.