Термины, определения, сокращения

Приведем определения терминов по ГОСТ Р ЕН 14705—2011, «Теплообменники. Методы измерения и оценки тепловых характеристик испарительных градирен», 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 и эжекционные 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 (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.

Устройство гибридных градирен подробно рассмотрено в разделе «Гибридные градирни».

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.

Сухие градирни

Сухие градирни – результат изобретательской деятельности венгерских инженеров Геллера и Форго. Первоначально их использовали для охлаждения конденсаторов на тепловых электростанциях.

Если в теплообменном сооружении теплообмен между воздухом и водой происходит только через разделяющую их поверхность, то их называют «сухие градирни» или драйкулеры (заимствованное из английского «dry cooler»). В нашей стране сухие градирни называют ещё аппаратами воздушного охлаждения, АВО и радиаторными градирнями.

В полностью «сухих» и испарительных/сухих градирнях, или драйкулерах, в качестве охлаждающего агента выступает атмосферный воздух. Охлаждаемый агент в испарительных/сухих градирнях – вода. В полностью сухих градирнях помимо воды могут использоваться антифризы или другие жидкости. Охлаждаемый агент движется в радиаторах, состоящих из оребрённых, для увеличения площади теплообмена, труб, без непосредственного контакта с воздухом.

Принудительная тяга создаётся вентиляторами, естественная – использованием вытяжной башни.

В некоторых случаях (например, в очень жаркую погоду) для повышения эффективности теплообмена часть труб сухой градирни орошается снаружи водой. Такая конструкция напоминает оросительный теплообменник, состоящий из змеевика, по которому протекает охлаждаемый агент, и системы орошения. Система орошения включает верхний желоб, равномерно распределяющий воду по длине змеевика и корыта, в котором собирается неиспарившееся вода.

Сухие градирни состоят из следующих основных узлов:

• радиаторов (секций) из оребренных алюминиевых, углеродистых, нержавеющих или латунных труб, по которым протекает охлаждаемая вода;
• осевых вентиляторов, прокачивающих атмосферный воздух через радиаторы;
• насосов и трубопроводов, обеспечивающих циркуляцию холодной и горячей воды;
• воздухоподводящих патрубков и жалюзи, обеспечивающих плавный подвод воздуха к вентилятору;
• формообразующих и опорных конструкций.

В некоторых случаях в состав радиаторной градирни включаются орошаемые водой оребрённые радиаторы. Их используют для охлаждения циркулирующей воды в наиболее жаркие месяцы года, иногда - для её подогрева, чтобы избежать расхолаживания градирни.

Следует обратить внимание, что наличие орошения некоторых секций оребрённых труб не делает градирню «гибридной». Гибридная градирня – это сочетание сухой и мокрой градирен. Циркулирующая в системе охлаждения вода проходит, охлаждаясь, через радиаторы, а затем дополнительно охлаждается до более низкой температуры при непосредственном контакте с атмосферным воздухом.

В радиаторных градирнях применяются различные типы вентиляторов, в том числе диаметром 7 и более метров, используемые и для испарительных градирен.

Сухие градирни можно использовать для непосредственного охлаждения продуктов производства, например, для их конденсации, или для охлаждения воды, используемой для охлаждения других теплообменных установок.

На рисунке РДК-1 приведена схема и фотография сухой градирни с принудительной тягой и верхним расположением вентиляторов.

Рисунок РДК-1. Сухая градирня с принудительной тягой и верхним расположением вентиляторов.

На рисунке РДК-2 приведён чертеж общего вида секции сухой градирни с принудительной тягой и нижним расположением вентиляторов.

Рисунок РДК-2. Чертёж общего вида секции сухой градирни с принудительной тягой, 1 - секции оребренных труб (радиаторов), или «охлаждающие дельты», 2 – вентилятор.

На рисунке РДК-3 приведена схема сухой градирни с естественной тягой. Размеры даны в метрах.

Рисунок РДК-3. Схема сухой градирни с естественной тягой, 1 – вытяжная башня, 2 – охладительные дельты (радиаторы), 3 жалюзийные решётки.

Для интенсификации теплообмена, протекающего в сухих градирнях без контакта воздуха с охлаждаемым агентом может использоваться орошение оребренных труб снаружи водой. Это приводит к образованию парового шлейфа и невозвратным потерям воды.

На рисунке РДК-4 показана мощная сухая градирня с принудительной тягой и устройством водяного орошения.

Рисунок РДК-4. Мощная сухая градирня с принудительной тягой и устройством водяного орошения.

На рисунке РДК-5 показано устройство вертикальных охладительных дельт.

Рисунок РДК-5. Элемент (дельта) сухой градирни: а – охладительная дельта, б - блок теплообменника, в – нижняя камера системы циркуляции воды, 1 охладительная колонна, 2 – жалюзи, 3 – стальные несущие конструкции, 4 – поток воздуха, 5 – трубка, 6 – ребро, 7 – горячая вода, 8 – холодная вода.

Сравнение сухих градирен с испарительными

По сравнению с другими видами градирен сухие градирни самые дорогие и неэффективные.

В таблице ТДК-1 приведены технические, экономические и экологические показатели различных типов градирен.

Из таблицы видно, что по большинству технических и всем экономическим параметрам сухие градирни уступают всем другим типам градирен, но превосходят их по экологическим параметрам.

Экология и недостаток воды – основные причины, толкающие проектировщиков и инженеров к установке на некоторых объектах сухих градирен.

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

*) 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. Эксплуатационные расходы определяются по составу показателей работы градирен. Такими показателями являются:

• расчетное число дней работы в году;
• расчетное число часов работы в сутки;
• расчетное число часов работы в году;
• расчетное число часов работы в году вентиляторов;
• расход и стоимость электроэнергии;
• амортизационные отчисления;
• стоимость обслуживания градирен;
• стоимость текущего ремонта;
• прочие.

Пример. Сравнение основных показателей испарительной и сухой градирни

В таблице ТДК-2 приведены показатели вентиляторной испарительной и вентиляторной сухой градирен одинаковой производительности.

На рисунке РДК-6 показаны схемы размещения секций испарительных и сухих градирен на генплане предприятия.

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

Рисунок РДК-6. 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.

Сухие градирни, оборудованные, например, вентилятором 2ВГ 70, при использовании для охлаждения воды с уровнем температур, принятым для испарительных градирен, имеют производительность 170-200 м³/ч, тогда как секция испарительной градирни с тем же вентилятором имеет производительность 1000-2000 м³/ч при одинаковой стоимости.

Эксплуатация драйкулеров усложняется в зимний период из-за возможности замерзания циркуляционной воды при недостаточном её нагреве в технологических аппаратах, или во время внезапного прекращения подачи воды циркуляционными насосами.

Для предупреждения замерзания воды в трубках радиаторов, что приводит к их повреждению и разрушению, требуется устройство емкостей для спуска воды из системы при аварийных ситуациях, произошедших в зимнее время, или заполнение системы низкозамерзающими жидкостями (антифризами).

Контур циркуляции с радиаторными градирнями, как правило, работает на умягченной воде. Умягчение достигается специальной подготовкой с помощью химических соединений и требует соответствующих затрат. В аварийных ситуациях или при ремонте сооружений циркуляционного контура рекомендуется сливать воду из системы в какую-либо емкость, т.к. как эта вода была специально подготовлена.

Влияние сухих градирен на КПД ТЭС

Охлаждаемая воздухом поверхность радиаторов (поверхность радиаторов с воздушной стороны) из-за отсутствия испарения воды и низкой теплопроводности атмосферного воздуха должна быть больше, чем поверхность непосредственного контакта воды и воздуха в испарительных градирнях. Оребрённая поверхность радиаторов с воздушной стороны может составлять 600 000 и даже 10⁶ м² в крупных градирнях. Соответственно, велика и протяжённость труб, по которым циркулирует жидкость в градирне.

Сечение и высота вытяжной башни и(или) размеры и производительность вентиляторов должны быть большими. Расход воздуха при «сухом» теплообмене, когда вода остывает лишь за счёт передачи тепла воздуху через стенки трубок и рёбер радиатора, в 3 – 5 раз превышает расход воздуха при испарительном охлаждении воды.

Так как на выходе из сухой градирни температура воды не может быть ниже температуры воздуха по сухому термометру (если не брать в расчёт сухие градирни с внешним орошением охладительных дельт), то среднегодовая температура воды на выходе из неё, и, следовательно, температура конденсации пара в конденсаторе турбины тепловой электростанции будут выше.

Эти факторы приводят к тому, что в оборотной системе с сухой градирней оптимальное остаточное давление пара в конденсаторе турбины будет выше.

Это означает, что КПД ТЭС, оснащенной драйкулерами, будет ниже по сравнению с любыми другими видами охлаждения воды, что и иллюстрирует таблица ТДК-3.

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

Снижается не только КПД, возрастают затраты электроэнергии, а значит, и расход топлива на собственные нужды.

Например, для АЭС при той же тепловой мощности парогенератора уменьшается расчётная электрическая мощность энергоблока, а в летнее время располагаемая мощность турбоагрегата может быть ниже расчётной.

Для промышленных предприятий при использовании испарительных охладителей температура t_пр на выходе может быть выше начальной температуры охлаждающей воды t₂ на 4 – 8 ºС, а при сухом способе охлаждения t_пр должна быть выше не менее, чем на 10 – 15 ºС температуры воздуха ϑ по сухому термометру.

Холодопроизводительность системы воздушного охлаждения с сухими градирнями зависит не только от времени года, но и от времени суток, т.к. температура окружающего воздуха по сухому термометру может резко меняться от дня к ночи.

Стабильная работа сухих градирен возможна при стабильной тепловой нагрузке, в особенности в холодное время года. При энергообеспечении промышленных и других объектов, выполняемом ТЭС и ТЭЦ, количество выделяемого ими тепла может резко меняться в течение суток. Это приводит к возникновению повышенной опасности размораживания радиаторов и выходу из строя не только градирни, но и остановке всей станции.

Применимость сухих градирен

Использование сухих градирен обоснованно в случаях, если:

• необходимо построить закрытый, не контактирующий с атмосферным воздухом контур оборота воды, например, в случае наличия в охлаждаемой воде токсичных примесей.
• жесткими ограничениями на доступные объемы воды для восполнения безвозвратных потерь на испарение и капельный унос, возникающих при использовании испарительных градирен. Оценка обеспеченности водой должна сопровождаться анализом перспектив развития территории, на которой будет размещаться проектируемый объект. Например, потребление воды блоком мощностью 200 МВт при использовании испарительного теплообменника эквивалентно непрерывному потреблению воды средним городом с населением 100 000 человек;
• высоких температур нагрева (оценочно - ≥ 40 ºС) воды на выходе из производственных технологических аппаратов, что затрудняет или делает невозможным её охлаждение в градирнях испарительного типа (не говоря о прямоточных, накопительных, брызгательных системах).