Проблема
Технологические процессы практически всех энергетических установок сопровождаются производством «вредной» теплоты, которая должна быть отведена в окружающую среду. С учетом жестких нормативных ограничений на сброс теплоты в окружающую среду с использованием теплоемкой массы грунтов, рек и озер наиболее оптимальный с практической точки зрения подход к рассеиванию теплоты - использование атмосферного воздуха.
Параметры атмосферного воздуха существенно разнятся для различных регионов эксплуатации установок, сезона и времени суток, что вызывает определенные трудности при организации рассеивания теплоты. В данный момент времени коммерчески эффективные методы организации рассеивания теплоты в атмосферу осуществляются с использование драйкулеров и открытых вентиляторных градирен.
Суть методов охлаждения и их конструктивные особенности
Система рассеивания теплоты в окружающую среду с использованием драйкулеров в общем случае представляет из себя закрытый водяной контур с циркуляционным центробежным насосом, гидроаккумулятором, запорной арматурой и непосредственно трубчато-ребристыми теплообменными аппаратами с блоком вентиляторов для обеспечения принудительной циркуляции атмосферного воздуха.
Охлаждение воды осуществляется за счет теплообмена с окружающей средой через металлические стенки трубок аппарата. Термодинамическое ограничение – минимальная температура охлаждения ограничена текущей температурой окружающей среды.
Системы с открытыми вентиляторными градирнями представляют из себя разомкнутый водяной контур с бассейном градирни (сосуд открыт на атмосферу, «под налив»), центробежным насосом, запорной арматурой и непосредственно градирней. Градирня – аппарат, работающий под атмосферным давлением, в котором в противотоке двигается поток распыляемой форсунками воды (сверху – вниз) и воздуха из окружающей среды (снизу – вверх).
Охлаждение осуществляется за счет тепло-массообменных процессов при взаимодействии контактирующих фаз двух компонентов (вода и воздух): помимо классического теплообмена происходит частичное испарение воды и насыщение воздуха образующимися парами, которые способствуют реализации полезным образом фазового перехода для охлаждения оставшейся распыленной воды. Термодинамическое ограничение – минимальная температура охлаждения ограничена температурой мокрого термометра при текущем состоянии окружающей среды.
Конкретный пример для дальнейшего анализа методов
Исходные данные
Центробежный четырехступенчатый компрессор с мощностью на валу 2,4 МВт и мощностью электродвигателя 2,66 МВт с учетом межступенчатого и концевого охлаждения потребляет 335 м3/ч охлажденной до температуры не более 32 °С воды.
В номинальном режиме работы 255 м3/ч воды используется на межступенчатое и концевое охлаждение, 20 м3/ч на охлаждение статора электродвигателя, 16,5 м3/ч на охлаждение масла, около 18-20 м3/ч на компенсацию повышенного тепловыделения при форсированном режиме работы ~115 % от номинальной производительности и около 25 м3/ч приходится на неучтенные потери (запас). Эквивалентная тепловая нагрузка на систему охлаждения для указанных 335 м3/ч составляет 4,5 МВт.
Условия окружающей среды в регионе эксплуатации машины подразумевают наличия двух режимов работы: (1) нормальный и (2) экстремальный:
- Нормальному режиму работы соответствуют условия (температура средняя / давление атмосферное / влажность относительная): 30,5 °С / 0,98 бар (абс.) / 80 %.
- Экстремальному режиму соответствуют условия: 45 °С / 0,98 бар (абс.) / 17,8 %.
Массогабаритные характеристики
Система с драйкулерами – принимается 6 секций с производительностью 770 кВт каждая. Общая масса около 13,8 т, размеры секции 10,9х2,4 м, занимаемая площадь в плане ~160 м2.
Открытая вентиляторная градирня – производительность системы 335 м3/ч, что находится между типовыми значениями 250 м3/ч (4х4 м) 500 м3/ч (6х6 м), т.е. для рассматриваемого примера в плане градирня будет занимать площадь около 25 м2, масса около 4,5 т. Градирня требует организации бассейна из прочного пластика или бетона достаточной геометрической вместимости для обеспечения требуемых инерционных характеристик системы оборотного водоснабжения.
Степень соответствия режиму работы
Для рассматриваемого примера вода на входе в промежуточные и концевой охладители должна быть подана при температуре не менее 32 °С. До тех пор, пока температура окружающей среды превышает значение 32 – (6…12) = 20…26 °С, температуры воды на входе в промежуточные и концевой теплообменные аппараты будет выше требуемой. Это приведет к повышенному расходу воды в контуре и работе машины в режиме значительной перегрузки (перегрев подшипниковых узлов и их активный износ, повышенное энергопотребление, повышение температуры статора с риском аварийного останова машины, повышение температуры рабочей среды на входе в холодный блок – снижение количества жидких продуктов, и пр.).
Для открытой вентиляторной градирни ситуация обстоит иначе. Температура эффективного охлаждения воды зависит от температуры мокрого термометра, т.е. для условия нормального режима работы (30,5 °С / 80 %) эффективная температура охлаждения 27,5 °С, а для экстремального режима работы (45 °С / 17,8 %) 24,16 °С. С учетом запаса на неэффективность процесса охлаждения 4,5…6 K, при более высокой температуре окружающей среды и закономерно меньшей относительной влажности открытая вентиляторная градирня обеспечивает работоспособность системы охлаждения.
Технологические особенности
Запас по кавитации
В закрытом водяном контуре драйкулера с циркуляционным насосом и гидроаккумулятором запас по кавитации насоса обеспечивается даже при значительных гидравлических сопротивлениях трубопроводах и трубопроводной обвязки.
Поскольку бассейн градирни открыт на атмосферу, то запас по кавитации такой системы на гидравлические сопротивления трубопровода всасывания ограничен и сильно зависит от взаимного расположения нивелирных отметок минимального инструментального уровня в бассейне и патрубка всасывания насоса.
Подпитка системы и подготовка воды
Закрытый контур драйкулера может работать на заведомо умягченной технической воде без прямой необходимости организации системы контроля качества и умягчения воды, а также подпитки. Однако, практически во всех современных коммерческих решениях для закрытых оборотных контуров система контроля качества и умягчения предусматривается проектом. Факт ухудшения состояния воды оборотного контура позволяет планировать своевременное обслуживание теплообменного оборудования.
Открытый контур вентиляторной градирни требует постоянного контроля качества и умягчения воды. Помимо этого, в соответствии с нормативными требованиями часть воды, перекачиваемая насосами, должна быть возвращена в бассейн градирни через фильтр механической очистки (особенно в период паводков, п. 2.9.3 ВУТП-97). Подпитка открытого контура является обязательной, поскольку до 1,5 % от расхода воды испаряется и уносится в атмосферу в процессе контакта фаз, около 1 % от расхода воды испаряется с зеркала бассейна, около 0,5 % от расхода воды принимается в качестве компенсации утечек.
Рабочая среда
Для закрытого контура драйкулера помимо воды могут быть использованы растворы гликолей, что допускает прокладку трубопроводов вне отапливаемых помещений и эксплуатацию аппаратов в условиях отрицательной температуры окружающей среды.
В открытом контуре градирни может использоваться только подготовленная техническая вода, что создает риск ее замерзания в бассейне или трубопроводе всасывания насоса при простое установки в холодный период года. В случае перехода установки в режим длительного ожидания или стоянки вода из трубопроводов должна быть удалена, а бассейн должен подогреваться. Если нагреватели в бассейне не установлены, вода должна быть слита.
Эксплуатация и обслуживание
Для двух рассматриваемых вариантов для обеспечения нормального режима работы необходима установка осевых вентиляторов. Целесообразно обеспечивать регулирование производительности этих вентиляторов с использование регуляторов частоты питающего тока.
Для сборки секций градирен и сборки трубчато-ребристых аппаратов распространенным является решение с резервированием вентиляторов.
Трубчато-ребристые теплообменные аппараты могу быть очищены от загрязнений при непродолжительной остановке вентиляторов. Обслуживание вентиляторов и бассейнов градирен требует полной остановки секции (вентилятор + связанный бассейн) и опорожнения бассейна.
Надежность конструкции открытой градирни существенно выше, чем трубчато-ребристых аппаратов, поскольку вероятность механических повреждений и утечек в секциях аппаратов с протяженными трубами выше.
Наиболее уязвимыми в конструкции градирен являются форсунки, которые могут забиться механическими частицами или потерять кривизну профиля сопел из-за износа. Подобные проблемы в работе градирни могут быть выявлены при комплексном систематическом анализе системы оборотного водоснабжения.
Выводы
Как видно, из результатов количественного и, преимущественно, качественно анализа технологические и эксплуатационные преимущества на стороне драйкулеров.
За счет сниженных массогабаритных характеристик, большей термодинамической эффективности и устойчивости в части сохранения работоспособности при изменении условий окружающей среды вариант организации системы охлаждения с открытыми вентиляторными градирнями является более предпочтительным в установках зарубежного производства.
Активное развитие и исследования перспективных неметаллических конструкционных композиционных материалов, позволяют изготавливать более легкие, прочные и дешевые типовые элементы для «набора» градирен любой конфигурации и производительности.