Раздел 2. Применяемые системы охлаждения

Раздел 2. Применяемые системы охлаждения

В этой главе приводится классификация и краткое описание ПСО, применяемых в российской промышленности.

2.1 Классификация ПСО

В промышленности применяется достаточно много типов ПСО, различающихся между собой как принципом действия, так и конструкцией. Единой общепризнанной классификации ПСО не существует. В технической литературе используются разнообразные классификации ПСО, построенные на основании их различных признаков и характеристик:

а) по типу охлаждающего агента (теплоносителя):

- водные ПСО - в качестве охлаждающего агента используется вода (в любом ее виде - вода, пар или пароводяная смесь);

- газовые (в частности, воздушные, водородные и т.д.) ПСО - в качестве охлаждающего агента используется газообразное вещество (водород, воздух и т.д.);

- ПСО с использованием специальных хладагентов или иных теплоносителей - в качестве охлаждающего агента могут использоваться хладагенты (фреоны) или иные теплоносители (расплавы металлов или солей, растворы различных веществ и т.д.);

- гибридные (смешанные) ПСО;

б) по схеме движения охлаждающего агента:

- прямоточные ПСО - охлаждающий агент (теплоноситель) используется однократно, т.е. после передачи тепла от технологического оборудования или от рабочего тела охлаждающий агент сбрасывается в окружающую среду (открытый цикл использования теплоносителя);

- оборотные ПСО - охлаждающий агент используется многократно, т.е. после передачи тепла от технологического оборудования или от рабочего тела охлаждающий агент не сбрасывается в окружающую среду, а используется повторно (закрытый или замкнутый цикл использования теплоносителя);

- ПСО с повторным (последовательным) использованием охлаждающего агента - охлаждающий агент полностью или частично после передачи тепла от техно логического оборудования или от рабочего тела повторно (последовательно) используется для охлаждения других систем или механизмов (повторный или последовательный цикл использования охлаждающего агента). Данные системы фактически являются прямоточными;

- комбинированные (прямоточно-оборотные) ПСО - часть охлаждающего агента после передачи тепла от технологического оборудования или от рабочего тела сбрасывается в окружающую среду, а часть повторно используется для охлаждения тех же систем или механизмов (комбинированный цикл использования охлаждающего агента). Данные системы могут обладать свойствами и характеристиками систем прямоточных, оборотных и с повторным (последовательным) использованием охлаждающего агента. Комбинированная система применяется, как правило, в тех случаях, когда источник водоснабжения в отдельные периоды года не может обеспечить производственный объект достаточным количеством охлаждающей воды, а также с целью снижения объемов забора свежей воды из водных объектов или сброса тепла в водные объекты. Это вызывает необходимость полного или частичного перехода на оборотную систему с включением в работу всех имеющихся или части охладителей. Различные типы охладителей могут соединяться в одной системе как последовательно, так и параллельно. К комбинированным системам также относятся прямоточные ПСО, в которых организована подача части нагретой воды на вход ПСО, причем эта часть может достигать десятков процентов от расхода циркуляционной охлаждающей воды;

в) по типу контура охлаждения:

- открытые - охлаждающий агент находится в контакте с окружающей средой;

- замкнутые (или закрытые) - охлаждающий агент циркулирует в закрытом контуре и не контактирует с окружающей средой.

г) по количеству последовательно соединенных контуров:

- одноконтурные;

- двухконтурные и т.д.

д) оборотные системы классифицируются по типам применяемых охладителей - оборотные системы с водоемами-охладителями, градирнями различных типов, брызгальными бассейнами. В качестве водоемов-охладителей могут применяться наливные, русловые и отсечные водоемы (пруды, водохранилища). Основные типы применяемых градирен разделяются по методу создания потока охлаждающего воздуха: атмосферные, башенные с естественной тягой, вентиляторные с принудительной тягой или наддувом, эжекционные;

е) по схемам включения охладителей и объектов охлаждения: последовательные, параллельные и смешанные.

Прямоточная водная ПСО (рисунок 2.1, а) характеризуется забором охлаждающей воды с естественной температурой из реки, озера или моря. Подогретая в теплообменных аппаратах вода сбрасывается через отводящую сеть ниже по течению, не возвращаясь к водозабору.

Рисунок 2.1 - Системы технического водоснабжения ТЭС ([53]):

а - прямоточная, б - оборотная с водоемом-охладителем.

Оборотная система технического водоснабжения (рисунок 2.1, б) характеризуется многократным использованием циркуляционной воды с охлаждением ее в охладителях различного типа и с восполнением потерь воды в системе из источника водоснабжения. В качестве охладителей циркуляционной воды в оборотных системах водоснабжения применяются водоемы-охладители, градирни различного типа, брызгальные бассейны или их сочетания.

Иногда в качестве отдельной категории ПСО выделяют непрямые двухконтурные системы охлаждения. Их характерным признаком является наличие между охлаждаемым технологическим оборудованием и охладителем, передающим тепло в окружающую среду, промежуточного оборотного контура. В принципе, ПСО любого типа может быть прямой или непрямой, поэтому наличие промежуточного контура охлаждения рассматривается в справочнике НДТ как один из возможных методов повышения экологической безопасности любых систем охлаждения, а непрямые системы с промежуточным контуром не выделяются в качестве отдельного класса ПСО.

Необходимо отметить, что все применяемые классификации не позволяют однозначно классифицировать конкретную конструкцию ПСО. Это связано с тем, что для каждой конкретной конструкции ПСО можно говорить лишь о преобладании определенных физических процессов, на использовании которых организована теплопередача в данной конструкции, над другими. Так в воздушных радиаторных системах широко используется орошение радиаторов водой, в системах, традиционно относимых к испарительным, существенная часть тепла отводится путем нагревания воздуха, проходящего через градирню, градирни с естественной тягой могут оснащаться вспомогательными вентиляторами, и т.д. В связи с этим любая классификация ПСО будет достаточно условной, определяемой в большей степени ее функциональным назначением.

В данном справочнике НДТ используется классификация ПСО, приведенная на рисунке 2.2. Она направлена на решение конкретной задачи идентификации НДТ ПСО и на разделение применяемых конструкций ПСО на классы, имеющие сходные показатели воздействия на окружающую среду, энергоэффективности и потребления природных ресурсов.

Рисунок 2.2 - Классификация ПСО, применяемых в Российской Федерации

Исходя из данной классификации, в справочнике НДТ рассмотрены следующие 10 типов систем охлаждения, применяемых российской промышленностью:

- прямоточные водные системы охлаждения;

- оборотные водные ПСО с брызгальными бассейнами;

- оборотные водные ПСО с водоемами-охладителями;

- оборотные водные ПСО с атмосферными градирнями;

- оборотные водные ПСО с башенными испарительными градирнями (с естественной тягой);

- оборотные водные ПСО с вентиляторными испарительными градирнями (с принудительной тягой или под наддувом);

- оборотные водные ПСО с эжекционными градирнями;

- воздушные ПСО с радиаторными градирнями с естественной тягой;

- воздушные ПСО с вентиляторными радиаторными градирнями (с принудительной тягой или под наддувом);

- комбинированные ПСО.

Остальные применяемые конструкции ПСО не выделяются в отдельные классы, а рассматриваются как вариации основных типов ПСО, перечисленных выше.

Некоторые технические и термодинамические характеристики наиболее распространенных промышленных систем охлаждения приведены для сравнения в таблице 2.1. Эти данные- ориентировочные, полученные при некоторых допущениях (см. примечания к таблице). Важно учитывать, что значения недоохлаждения могут изменяться и зависеть в значительной степени от конструкции теплообменника и характеристик окружающей среды. Соответственно изменятся и минимальные достижимые конечные температуры рабочей среды.

Таблица 2.4 - Ориентировочные технические характеристики различных типов систем охлаждения промышленного применения (кроме электростанций) ([9])

Система охлаждения	Охлаждающая среда (агент)	Основной принцип охлаждения	Минимальное недоохлаждение, °С(4)	Минимальная достижимая температура охлаждения охлаждаемой среды(5)°С	Мощность ПСО по отводимому теплу, МВт (тепл)
Прямоточная водная ПСО (одноконтурная)	Вода	Теплопроводность и конвекция	3 - 5	18 - 20	От < 0.01 до > 2000
Прямоточная водная ПСО (двухконтурная)	Вода	Теплопроводность и конвекция	6 - 10	21 - 25	От < 0.01 до > 1000
Оборотная водная ПСО с испарительными градирнями (одноконтурная)	Вода(1) Воздух (2)	Испарение(3)	6 - 10	27 - 31	От < 0.1 до > 2000
Оборотная водная ПСО с испарительными градирнями (двухконтурная)	Вода(1) Воздух(2)	Испарение(3)	9 - 15	30 - 36	От < 0.1 до > 200
ПСО с радиаторными градирнями или аппаратами воздушного охлаждения	Воздух	Теплопроводность, конвекция	10 - 15	40 - 45	От < 0.1 до 100

Примечания к таблице 2.1:

1) В этих ПСО вода является вторичным охлаждающим агентом. Тепло передается в атмосферу с водяным паром.

2) Воздух является охлаждающим агентом, с которым тепло отводится в окружающую среду.

3) Для этих ПСО испарение является основным механизмом теплопередачи. Тепло также передается путем теплопроводности и конвекции, но в меньшей доле.

4) Должны быть добавлены недоохлаждения теплообменника и градирни.

5) Конечные температуры зависят от климатических характеристик (приведены данные для средних центральноевропейских климатических условий: температура сухого термометра 30°C, мокрого термометра 21°C, температуры воды 15°C).

6) Производительность ПСО может достигать более высоких значений при комбинировании нескольких охлаждающих устройств.

При применении непрямых (двухконтурных) систем указанное недоохлаждение увеличивается на 3 - 5 K, что приведет к повышению температуры технологического оборудования.

Таблица 2.5 - Области применения ПСО

Охладитель	Удельная тепловая нагрузка на единицу площади поверхности охлаждения, кВт/	Разность температур воды после и до охладителя, °С	Разность температур охлажденной воды и атмосферного воздуха по мокрому термометру, °C
Вентиляторные градирни	93 - 116 и выше	3 - 20	4 - 5
Водоемы-охладители	0,23 - 0,47	5 - 10	6 - 8
Башенные испарительные градирни	70 - 116	5 - 15	8 - 10
Эжекционные градирни	97 и выше	5 - 40	2 - 4
Атмосферные градирни	8,1 - 17,4	5 - 10	10 - 12
Брызгальные бассейны	5,8 - 23	5 - 10	10 - 12
Радиаторные (воздушные) градирни	-	5 - 10	20 - 35

Примеры в таблицах 2.1, 2.2 показывают, что различным типам систем охлаждения соответствуют различные температуры отводимого тепла. По причинам высоких значений необходимой площади теплообменной поверхности и соответствующих капитальных затрат, воздушные системы охлаждения обычно не используются для очень больших мощностей, тогда как водные системы могут применяться для отведения до 2000 МВт и более тепла.

Недоохлаждение прямоточных систем равно сумме температурного напора и повышению температуры охлаждающей воды. Термин "температурный напор" означает разность температур между температурой пара, входящего в конденсатор (или конденсата, покидающего конденсатор) и температурой охлаждающего агента (воды) на выходе из конденсатора. Обычно встречающиеся на практике значения представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.6 - Примеры производительности и термодинамических характеристик ПСО, применяемых в энергетике ([9])

Система охлаждения	Недоохлаждение, °С	Мощность производственного процесса, МВт (тепл)
Прямоточные системы	13 - 20 (температурный напор 3 - 5)	< 2700
Открытые испарительные (мокрые) градирни	7 - 15	< 2700
Открытые гибридные градирни (в Российской Федерации не применяются)	15 - 20	< 2500
Воздушные конденсаторы	15 - 25	< 900

Рисунок 2.3 - График среднемесячных температур воды при прямоточном и оборотном водоснабжении с охладителями различных типов ([14])

Далее приведены описания принципов действия, конструкций и технических характеристик промышленных систем охлаждения, применяемых в Российской Федерации.

2.2 Прямоточные водные системы охлаждения

В прямоточных водных системах охлаждения вода подается из водного объекта (реки, озера, моря) через открытые подводящие каналы непосредственно к производственному объекту. После теплообменников или конденсаторов нагретая вода сбрасывается в поверхностный водный объект. Тепло передается от технологического оборудования к охлаждающему веществу - воде через разделительную стенку в виде труб в трубчатом теплообменнике или в виде пластин в пластинчатом теплообменнике.

Рисунок 2.4 - Схема прямоточной системы охлаждения

Прямоточные системы бывают, главным образом, большой производительности охлаждения (> 1000 МВт (тепл)), но могут иметь и небольшую производительность (<10 кВт). Типичные для крупных электростанций расходы воды для отведения 1 МВт (тепл) находятся в диапазоне от 0,02  (при нагреве воды в конденсаторе на 12°C) до 0,034  (при нагреве воды на 7°C). Прямоточные системы позволяют достичь наиболее низких конечных температур охлаждения с уровнем недоохлаждения 3°С - 5°C.

Экологические аспекты прямоточных систем:

- использование (но не безвозвратное изъятие из водных объектов) больших объемов воды;

- тепловое воздействие на водные объекты, в результате которого возможно недопустимое повышение температуры воды водного объекта;

- риск повреждения и гибели рыбы и других водных организмов в результате их попадания в ПСО;

- потребление энергии, главным образом, циркуляционными насосами;

- риск утечек охлаждаемого вещества в водные объекты в случае, если охлаждается экологически опасное вещество;

- образование твердых отходов на мусорозадерживающих решетках на водозаборе.

Прямоточные системы, как правило, используются для охлаждения крупных производственных объектов в энергетике, химической промышленности и на нефтеперерабатывающих заводах. Вода, используемая для прямоточного охлаждения, забирается, главным образом, из поверхностных водоемов. Для небольших систем, например, охлаждения компрессоров, насосов, может использоваться водопроводная или подземная вода. Наличие надежного и достаточно холодного источника воды вблизи промышленной площадки является существенным условием для применения прямоточных систем. На применимость также может оказывать влияние качество воды поверхностного водоема и ограничения по объемам сброса тепла, но обычно качество воды реже является ограничивающим фактором, чем в случае оборотных систем.

Иногда прямоточные системы применяются в комбинации с градирнями или другими охладителями с целью охлаждения сбросной воды перед ее выпуском в поверхностный водоем. В качестве дополнительного охладителя также применяются брызгальные устройства. Эти дополнения к прямоточным системам применяются в качестве аварийного средства понижения температуры сбросной воды в ситуациях:

- при возможности циркуляции нагретой воды к водозабору при определенных природных явлениях (периодические течения, нагонные явления), что может приводить к повышению температуры воды на водозаборе этой же самой или другой промышленной установки;

- в качестве аварийного средства снижения температуры сбросной воды при аномально высоких температурах воды водных объектов;

- для снижения температуры в периоды особой чувствительности гидробионтов к температуре воды (нерест, миграции).

Рисунок 2.5 - Схема прямоточной системы охлаждения с градирней на выпуске

В качестве еще одного варианта прямоточных ПСО применяются двухконтурные прямоточные системы. Этот вариант конструкции охлаждения подобен прямой одноконтурной прямоточной системе, однако в нем отсутствует прямая передача тепла от технологического оборудования к охлаждающему веществу, которое отводится в окружающую среду. Тепло передается от рабочей среды или оборудования в замкнутый вторичный контур, и затем, через дополнительные теплообменники - охлаждающей воде, поступающей в поверхностный водоем.

С двухконтурным прямоточным охлаждением могут быть достигнуты практически столь же низкие конечные температуры технологического оборудования, но из-за наличия дополнительного теплообменника недоохлаждение может увеличиться на 3°С - 5°С в зависимости от эффективности теплообменника.

Риск поступления веществ из технологического процесса в поверхностный водоем для данной конструкции - минимальный, поэтому непрямая прямоточная система охлаждения воды может использоваться в случаях, когда утечка охлаждаемого вещества (например, масла, химических веществ) в охлаждающую воду создает недопустимо высокие риски для окружающей среды.

Рисунок 2.6 - Схема двухконтурной (непрямой) прямоточной системы охлаждения

Прямоточные ПСО очень широко применяются в промышленности Российской Федерации и в мире. В таблице 2.4 приведены сведения о количестве электростанций, применяющих различные типы ПСО (по данным отраслевой отчетности Минэнерго России за 2014 год). Изданных таблицы видно, что прямоточные и комбинированные (применяющие прямоточные системы охлаждения к части оборудования) системы применяются на более чем половине тепловых и атомных электростанций. Доля производства электроэнергии и установленной мощности электростанций с прямоточными и комбинированными ПСО существенно превышают половину, поскольку такими системами охлаждения оснащены наиболее крупные электростанции, в то время как оборотные ПСО применяются в основном на ТЭЦ, расположенных в населенных пунктах, вблизи от потребителей тепла.

Таблица 2.7 - Количество электростанций, применяющих различные типы ПСО

Тип ПСО	АЭС	ГРЭС	ТЭЦ	ГЕОЭС	ТЭС	ВСЕГО	Доля в общем количестве, %
Прямоточная	1	15	40	2	4	62	25%
Комбинированная	1	17	49	-	4	71	28%
Оборотная	8	25	81	-	3	117	47%
ВСЕГО	10	57	170	2	11	250	100%

В таблице 2.5 приведены сведения о применении различных типов ПСО на ТЭС и АЭС США за 2004 - 2014 годы и доля установленной электрической мощности () ТЭС и АЭС, использующих данные типы ПСО, в общей установленной электрической мощности. Доля электростанций, использующих прямоточные системы, постепенно снижается и по количеству (2004 год - 43%, 2014 год - 35%), и по установленной мощности (2004 год - 39%, 2014 год - 36%). Тем не менее, количество применяемых в США прямоточных систем значительно.

Таблица 2.8 - Количество эксплуатируемых систем охлаждения различных типов и суммарная установленная электрическая мощность ТЭС, оборудованных различными системами охлаждения, в США в 2004 - 2014 годах (Источник: Интернет-сайт U.S. Energy Information Administration (EIA), eia.gov/electricity/annual/xls/epa_09_03.xlsx)

Год	Прямоточные системы		Оборотные ПСО с водоемами-охладителями		Оборотные системы охлаждения с градирнями различного типа		Воздушные системы охлаждения		Гибридные системы охлаждения		Прочие типы систем охлаждения
	Колич.	Доля в , %	Колич.	Доля в , %	Колич.	Доля в , %	Колич.	Доля в , %	Колич.	Доля в , %	Колич.	Доля в , %
2004	794	39%	178	15%	812	43%	41	2%	1	0,02%	27	2%
2005	782	38%	171	15%	810	44%	41	2%	2	0,05%	27	2%
2006	762	38%	171	15%	814	44%	43	2%	2	0,05%	28	2%
2007	757	37%	170	14%	823	44%	43	2%	2	0,05%	28	2%
2008	746	37%	162	14%	823	45%	44	2%	2	0,05 %	24	2%
2009	730	37%	162	14%	833	46%	56	2%	3	0,09%	12	1%
2010	759	38%	176	14%	868	44%	60	2%	4	0,20%	21	2%
2011	724	37%	179	14%	875	45%	61	2%	4	0,20%	21	2%
2012	667	37%	159	12%	883	46%	64	2%	5	0,21%	27	3%
2013	609	36%	152	12%	855	46%	66	2%	5	0,21%	22	3%
2014	585	36%	147	13%	829	46%	68	2%	5	0,22%	33	4%

2.3 Оборотные водные ПСО

Основным классификационным признаком оборотных водных ПСО является многократное использование циркуляционной воды для целей охлаждения.

Оборотные водные ПСО, как правило, включают следующие сооружения и оборудование:

- водозаборные и водоочистные сооружения, используемые для очистки забираемой воды от водорослей, мусора и т.п., при заборе воды из водного объекта рыбохозяйственного значения - рыбозащитные устройства;

- насосные станции с установленными в них насосными агрегатами и вспомогательным оборудованием;

- водяной тракт теплообменных аппаратов;

- охладители циркуляционной воды (различные комбинации различных градирен, водоемов-охладителей, брызгальных бассейнов);

- соединительные трубопроводы;

- оборудование для отведения продувочных вод (насосы, трубопроводы, каналы);

- система управления ПСО.

Обобщенная схема открытой оборотной водной системы охлаждения показана на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Схема оборотной водной системы

В этих системах охлаждающая циркуляционная вода проходит через теплообменник (или теплообменники), затем охлаждается в охладительном устройстве, где основная часть тепла отводится в атмосферу. В градирнях нагретая вода распределяется по оросительному устройству градирни и охлаждается в результате тепломассообменных процессов с атмосферным воздухом, затем собирается в бассейне, из которого перекачивается циркуляционными насосами обратно к источнику тепла и вновь используется в качестве охлаждающего вещества. Поток охлаждающего воздуха может создаваться естественным образом (ветер), либо создается естественной тягой через башню градирни или посредством вентиляторов, которые нагнетают или вытягивают воздух через градирню. Охлаждение воды происходит в результате испарения небольшой части охлаждающей воды, а также через конвективное охлаждение воды воздухом. При положительных температурах окружающего воздуха испарительные градирни передают в атмосферу приблизительно 80% тепла в виде скрытого тепла (тепла, пошедшего на испарение части циркуляционной воды) и около 20% - за счет теплопередачи от воды к воздуху (тепла, пошедшего на повышение температуры воздуха).

Большая часть воды, которая охлаждается в градирне, циркулирует и может вновь использоваться в качестве охлаждающего агента. В оборотных испарительных системах происходят безвозвратные потери воды - испарение, капельный унос, продувка системы и потери с дренажными водами через плотины водоемов-охладителей, из бассейнов градирен и т.п. Продувка ПСО - это выпуск части циркуляционной воды из оборотного цикла для предотвращения ее чрезмерного засоления. Для компенсации потерь циркуляционной воды необходимо постоянно выполнять подпитку ПСО добавочной водой. В связи с этим открытые оборотные испарительные ПСО потребляют достаточно большие объемы воды.

Главным образом открытые оборотные системы имеют производительность в пределах 1 - 100 МВт (тепл), но имеются примеры систем и с намного большими мощностями.

Общие экологические аспекты водных оборотных систем любой конструкции:

- основным путем отведения тепла является испарение воды, поэтому для таких систем характерны наиболее высокие объемы безвозвратного потребления воды;

- в циркуляционной воде оборотной системы происходит постепенный рост концентрации солей, что создает риск возникновения отложений на теплообменных поверхностях. Предотвращение этих негативных процессов требуют сброса части циркуляционной воды (продувка системы) в поверхностный водоем и химической обработки циркуляционной воды;

- потребление электроэнергии насосами и вентиляторами;

- выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

- образование парового факела, что может приводить при определенных условиях к негативным воздействиям на сооружения и окружающую среду в районе расположения ПСО;

- шум;

- занятие земель для размещения охладителей;

- риски влияния на здоровье людей в связи с возможным развитием в ПСО патогенных микроорганизмов.

Интенсивность этих аспектов в основном зависит от типа применяемых охладителей.

Оборотные водные системы применяются практически во всех отраслях промышленности. В основном они используются при отсутствии вблизи промышленного объекта достаточно крупного водного объекта, позволяющего применить прямоточную систему охлаждения, или там, где дальнейший рост тепловой нагрузки на водный объект недопустим.

Таблица 2.9 - Технико-экономические и экологические показатели градирен при охлаждении циркуляционной воды с температурой не более 45°С ([21])

Показатель	Тип градирни
	вентиляторные	башенные	атмосферные	воздушные радиаторные
Удельная тепловая нагрузка, кВт/	93 - 175	70 - 120	35 - 60	0,25 - 2
Перепад температур воды, °С	3 - 20.	5 - 15	5 - 10	5 - 10
Температура охлажденной воды (среднегодовая), °С	16 -18	21 - 23	26 - 28	30 - 32
Глубина охлаждения воды - , °С	4 - 5	8 - 10	10 - 12	20 - 35
Выбросы в окружающую среду, отнесенные к 1  охлаждаемой воды:
тепла с паровым факелом, МДж/ч	12 - 80	20 - 60	20 - 40	20 - 40
воды с капельным уносом и продувкой, /ч (не более)	0,035	0,03	0,02
Выбросы загрязнений с капельным уносом и продувкой, кг/ч, до:
- органических веществ	0,01	0,007	0,007	-
- минеральных солей	0,3	0,2	0,17	-
- механических примесей	0,01	0,007	0,007	-
Потребление свежей воды, отнесенное к 1  циркуляционной воды, /ч (не более)*	0,05	0,04	0,03	0,02**
Примечания * Без учета потерь оборотной воды, отбираемой из ПСО на технологические нужды. ** На увлажнение воздуха в наиболее жаркие дни.

Далее описаны оборотные водные системы с различными типами охладителей.

2.3.1 ПСО с башенными испарительными градирнями

Башенные испарительные градирни - наиболее широко используемый тип охладителя. В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате ее испарения при непосредственном контакте с воздухом (испарение 1% воды снижает ее температуру на 6°C). Поток воздуха создается за счет разности плотностей воздуха с различной температурой внутри и снаружи вытяжной башни. Теоретическим пределом охлаждения воды в испарительных градирнях является температура атмосферного воздуха по мокрому термометру, которая, в зависимости от влажности воздуха, может быть ниже температуры по сухому термометру на несколько градусов.

Башенные градирни обладают более высокой и устойчивой охлаждающей способностью, чем брызгальные бассейны или водоемы-охладители, и требуют меньшей площади для их размещения.

В то же время при расположении испарительных градирен на площадке предприятия следует обеспечивать беспрепятственный доступ атмосферного воздуха к ним и благоприятные условия для отвода увлажненного воздуха, выбрасываемого из градирен. По этим соображениям не рекомендуется располагать градирни в окружении высоких зданий или на близком расстоянии от них. Расстояние должно быть более полуторной высоты зданий. При этом необходимо учитывать розу ветров и направление зимних ветров для предупреждения увлажнения и обмерзания зданий и сооружений вблизи градирен.

По условиям надежности, удобства и экономичности эксплуатации рекомендуется сооружать от 2 до 12 секций или отдельных градирен в одном оборотном цикле водоснабжения.

Конструкция

Башенные градирни состоят из следующих основных элементов: вытяжной башни, оросительного устройства (кроме брызгальных градирен), подводящих напорных водоводов, системы водораспределения, каплеуловителя, водосборного бассейна, отводящих трубопроводов циркуляционной и продувочной воды, противообледенительного устройства. Гидравлическая нагрузка на башенные градирни равна .

В брызгальном варианте башенной градирни, т.е. при отсутствии оросителя и охлаждении воды при помощи разбрызгивающих сопл, плотность орошения (гидравлическая нагрузка) бывает ниже - не более .

Вытяжная башня

Вытяжная башня выполняется или из стального каркаса с внутренней обшивкой, или из монолитного или сборного железобетона. Форма вытяжной башни может быть гиперболической, конической или пирамидальной. Вытяжные башни из монолитного железобетона строятся, как правило, гиперболической формы - наиболее рациональной в аэродинамическом и экономическом отношениях.

По условиям предотвращения разрушения конструкционных материалов температура воды, поступающей на градирни, не должна, как правило, превышать 60°C. При температуре поступающей воды выше 60°С применяются защитные покрытия конструкций или специальные термоустойчивые материалы.

При применении башенных градирен в районах с суровыми зимними условиями эксплуатация их затрудняется из-за возможности обмерзания. Во избежание обледенения конструкций градирен при отрицательной температуре наружного воздуха необходимо поддерживать температуру охлажденной воды не ниже уровня 10°С - 12°С. Кроме того, воздуховходные окна оборудуются щитами (поворотными, навесными или шандорными) для регулирования входящего в градирню воздуха в зимний период. По периметру башни на уровне верха воздуховходного окна может быть уложен кольцевой трубопровод с горячей водой. Кроме того, для условий зимней эксплуатации возможно применение предварительного нагрева или циркуляции охлаждающего воздуха.

Система распределения воды

Вода из теплообменника поступает в градирню через специальную систему водораспределения. Ее цель - увеличение площади контакта циркуляционной воды с воздухом. Для этого система водораспределения создает мелкие капли. Однородность распределения увеличивает интенсивность теплообмена. Если нужно понизить производительность системы охлаждения возможно отключение части системы водораспределения.

Опыт применения брызгальных градирен вместо градирен с пленочным оросителем показал, что при напоре циркуляционной воды у сопл 5 - 6 м вод. ст. недоохлаждение воды составляет 3°С - 4°С при всех прочих равных условиях. При этом имеет место также большой вынос мелких капель воды вместе с выходящими из башен потоками воздуха. Последнее ограничивает возможность повышения напора сопл и связано с необходимостью установки водоулавливающих устройств.

Водораспределительное устройство башенных градирен выполняется напорным. Магистральные трубы водораспределительного устройства - стальные. Ответвления от магистральных труб (рабочие трубы) могут быть асбестоцементными, пластмассовыми или стальными. На ответвлениях труб устанавливаются разбрызгивающие пластмассовые сопла. Водораспределительное устройство рассчитывается так, чтобы обеспечивать нормальную работу градирен в широком диапазоне удельных гидравлических нагрузок.

Ороситель

Ороситель - важная часть открытой испарительной градирни, создающая поверхность контакта для теплообмена между водой и воздухом. В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа, которым достигается увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом и типом применяемого оросителя, градирни подразделяются на пленочные, капельные, комбинированные капельно-пленочные и брызгальные.

Каждый из указанных видов градирен может иметь разнообразные конструкции отдельных элементов оросительного устройства, отличаться их размерами, расстояниями между ними и может быть выполнен из различных материалов.

Наиболее существенными характеристиками, которые необходимо учитывать при выборе оросителей, являются стоимость, стабильность охлаждающих параметров, аэродинамическое сопротивление, устойчивость к биообрастанию, срок службы оросителя, ремонтопригодность, пожаробезопасность.

В брызгальных градирнях ороситель отсутствует. Увеличение поверхности теплообмена достигается за счет разбрызгивания воды. Эти градирни менее эффективны по сравнению пленочными и капельными, так как площадь контакта воды и воздуха в них меньше.

Пленочный ороситель обычно состоит из плотно упакованных гофрированных вертикальных листов или листов из органических материалов, которые побуждают воду стекать вниз в виде тонкой пленки. Этот ороситель очень эффективен и может использоваться для большинства применений.

Капельный ороситель применяется в различных конструкциях и может быть сделан из множества материалов. Капельный ороситель имеет намного более низкую эффективность, чем пленочный, но используется в ситуациях, где вода загрязнена и при этом у пленочного оросителя могут быть проблемы из-за загрязнения поверхности. Если содержание взвешенных вещества высоко, то используются также цементноволокнистые плиты.

Комбинированные капельно-пленочные оросители имеют достаточно высокие характеристики эффективности, при этом оставаясь устойчивыми к загрязнению.

Удельная гидравлическая нагрузка на градирни определяется технологическими расчетами в зависимости от расчетных параметров атмосферного воздуха при заданном проценте обеспеченности, требуемых перепадов температуры воды, расчетных температур охлажденной воды и выбранного вида и конструкции градирен.

Ориентировочно для градирен, расположенных в средней полосе России, удельная гидравлическая нагрузка равна, , при оросителе:

- пленочном 8 - 12

- капельном 6 - 10

- брызгальном 5 - 6

При наличии в оборотной воде взвесей в сочетании с маслами и нефтепродуктами, образующих на элементах оросителя трудноудаляемые отложения, рекомендуется применять градирни брызгального типа. Такого же типа градирни рекомендуется применять при возможности выделения из оборотной воды карбоната кальция в виде накипи на элементах оросителя в больших количествах, угрожающих его обрушением.

Оросители башенных градирен в настоящее время, как правило, изготавливаются из различных пластмасс: полипропилена, поливинилхлорида, полиэтилена высокой плотности, различных стеклопластиков и др. Относительные преимущества изготовления оросителей из пластмасс заключаются в высокой прочности и долговечности, малом удельном весе, низком аэродинамическом сопротивлении, возможности изготовления самых разнообразных конфигураций, предназначенных для работы в конкретных условиях.

По ранее действовавшим строительным правилам ороситель изготавливался из плоских или волнистых асбестоцементных листов в один или два яруса, а также из деревянных блоков. Поэтому достаточно много действующих градирен имеют такую конструкцию.

Рисунок 2.8 - Блок современного капельно-пленочного оросителя

Каплеуловитель (водоуловитель, сепаратор капельного уноса)

Для экономии воды выше системы водораспределения устанавливают каплеуловители, которые препятствуют тому, чтобы водяные капли уносились из градирни потоком воздуха. Капельные потери без каплеуловителя в зависимости от давления воды в водораспределительной системе могут составлять от 0,5 до 1,5% циркуляционного расхода. При установке каплеуловителя эти потери снижаются до 0,01% - 0,05%. По результатам опроса среднее значение потерь воды с уносом по ПСО с башенными испарительными градирнями составило 0,43% (от 0,01% до 1,5%).

В настоящее время сепараторы уноса выполняются, как правило, из синтетических пластмасс и выполняются таким образом, чтобы создавать минимальное аэродинамическое сопротивление.

Срок службы пластмассового водоуловителя составляет около 25 лет. Ранее каплеуловители изготавливались также из антисептированных деревянных элементов со сроком службы не более 5 лет.

Каплеуловители устанавливают на расстоянии около 0,5 - 2 м над водораспределительными системами. Скорость движения воздуха в створе перед каплеуловителем не следует принимать более 3 м/с во избежание значительного повышения уноса капель.

Применение в водных системах охлаждения токсичных ингибиторов коррозии, а также использование сточных вод в качестве подпитки в системы оборотного водоснабжения накладывает ограничения на величину выноса капельной влага из градирен, так как в атмосферном воздухе в районе градирен образующиеся аэрозоли могут содержать вредные вещества в недопустимых концентрациях. В связи с этим эффективная работа каплеуловителей становится особенно важной.

Башенные градирни могут оснащаться вспомогательными вентиляторами (рис. 2.11), которые обеспечивают воздушный поток при неблагоприятных условиях высоких температур наружного воздуха, при необходимости кратковременного увеличения производительности градирни.

Область и ограничения применения

Башенные испарительные градирни имеют следующие характеристики, определяющие их область применения:

- инвестиционные затраты высоки при относительно низких эксплуатационных затратах;

- значительная высота (40 - 100 м) может создавать препятствие для авиации, радиоволн;

- за счет отсутствия вентиляторов относительно низкое потребление электроэнергии;

- обычно применяется для отвода тепловой мощности более 200 МВт, для крупных технологических установок, таких как электростанции или крупные химические заводы;

- испарительные градирни обеспечивают более глубокое охлаждение воды по сравнению с воздушными радиаторными и могут быть выполнены из более дешевых материалов.

Рисунок 2.9 - Башенная градирня с естественной вентиляцией и противоточным движением потоков воды и воздуха ([9])

Рисунок 2.10 - Башенная градирня с естественной вентиляцией и перекрестными потоками воды и воздуха ([9])

2.3.2 Вентиляторные испарительные градирни

Вентиляторные испарительные градирни применяются в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках, при необходимости сокращения объема строительных работ, маневренного регулирования температуры охлажденной воды средствами автоматизации.

Конструкция

Технологическая схема вентиляторной градирни включает следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, каплеуловитель, водосборный бассейн, подводящие и отводящие трубопроводы и вентиляторную установку.

Испарительные градирни с принудительной тягой применяются в виде различных конструкций. В этих градирнях применяется широкое разнообразие материалов в зависимости от размера и типа, а также требований относительно занимаемой площади, срока службы и капиталовложений. Крупные градирни могут быть построены из железобетона, более мелкие - главным образом из синтетических материалов, стальных листов, стальных конструкций. Также возможно использование модульной системы, т.е. нескольких параллельно подключенных градирен в одном корпусе. В этом случае систему можно эксплуатировать самым экономичным способом, вводя в эксплуатацию часть элементов в зависимости от внешних условий и объема отводимого тепла.

Устройство систем распределения воды, оросителей и каплеуловителей могут незначительно отличаться от аналогичных систем в градирнях с естественной тягой, но принципы их работы одни и те же.

Рисунок 2.11 - Башенная градирня с естественной вентиляцией и вспомогательными вентиляторами ([9])

Вентиляторы

Вентиляторы используются в градирнях для создания воздушного потока. В зависимости от требований вентиляторы имеют различный диаметр, размеры лопаток и расположение. Для привода вентиляторов возможно применение одно- или многоскоростных двигателей, повышающих маневренность ПСО. Выбор типа вентилятора и электродвигателей для их привода влияет на потребление электроэнергии и уровень шума градирни. В зависимости от места установки вентиляторов (на входе или выходе воздушного тракта градирен) различают градирни, работающие под наддувом и под разрежением.

Градирни с принудительной тягой обычно используются там, где местные условия ограничивают высоту сооружений ПСО.

Вентиляторные градирни под наддувом

Характеристики градирни под наддувом:

- вентилятор располагается внизу градирни и проталкивает воздух через нее;

- тепловая производительность может изменяться ступенчато или непрерывно;

- применяются градирни с одним и многими вентиляторами;

- для размещения градирни требуется меньшая площадь, чем для градирни с естественной тягой;

- используют встречные потоки воды и воздуха (противоток);

- может находить широкое разнообразие применений: больших потоков отводимого тепла, для базовой и пиковой нагрузки;

- может применяться для отведения тепловой мощности от менее 100 кВт до более 100 МВт;

- капиталовложения ниже по сравнению с градирнями с естественной тягой;

- при использовании градирен с принудительной тягой должны соблюдаться ограничения относительно шума.

Рисунок 2.12 - Схема вентиляторной противоточной градирни ([10])

Рисунок 2.13 - Схема поперечнопоточной градирни с отсасыванием воздуха вентилятором ([10])

Области и ограничения для применения

Вентиляторные градирни обеспечивают более глубокое охлаждение воды, чем охладители других типов. Они позволяют также осуществить регулирование температуры охлажденной воды за счет отключения отдельных вентиляторов или изменения частоты их вращения. Применение вентиляторных градирен может быть экономически целесообразно в случаях, когда стоимость дополнительно выработанной электростанцией энергии, связанной с более низкими температурами охлажденной воды, больше стоимости энергии, затрачиваемой вентиляторами. На вентиляторные градирни допускается удельная тепловая нагрузка 335 - 419 [80 - 100 тыс. ] и выше, на башенные, в зависимости от высоты башни, - удельная нагрузка 251 - 419 ) [60 - 100 тыс. ]. На атмосферные градирни допускается удельная тепловая нагрузка 29,3 - 62,6 [7 - 15 тыс. ].

Общие характеристики вентиляторных испарительных градирен, значимые для области их применения:

- относительно простая конструкция (готовые элементы, возможна заводская сборка);

- размер градирни ограничен, требует меньше места, чем градирни с естественной тягой;

- производительность системы охлаждения может быть количество применяемых секционных градирен;

- прямое потребление энергии считается низким;

- используется для различных типов нагрузок: пиковых и базовых;

- применяется для мощности отводимого тепла от 100 МВт и выше;

- капиталовложения относительно низки по сравнению с градирнями с естественной тягой;

- при использовании испарительных градирен с принудительной тягой должны учитываться ограничения относительно шума.

2.3.3 Эжекционные градирни

Эжекционные градирни могут рассматриваться в качестве альтернативы вентиляторным и башенным испарительным градирням. Их основное отличие заключается в том, что для создания потока воздуха в эжекционных градирнях используется явление эжекции воздуха потоком воды вместо башен и вентиляторов. Для этого используются специальные эжекционные форсунки в совокупности с направляющими устройствами для водо-воздушных потоков.

Явление эжекции заключается в передаче части кинетической энергии от среды, движущаяся с большой скоростью, к среде с более низкой скоростью. В процессе смешения двух сред происходит выравнивание их скоростей. В случае эжекционной градирни эжектирующей средой является циркуляционная вода, эжектируемой - воздух.

Рисунок 2.14 - Пример конструкции эжекционной градирни*(2)

Эжекционная градирня работает следующим образом: по коллектору циркуляционная вода подается к эжекционным форсункам и распыляется ими в эжекционные каналы специальной формы. Смешиваясь с воздухом, циркуляционная вода охлаждается и самотеком поступает в приемную емкость.

Рисунок 2.15 - Коллектор циркуляционной воды с форсунками эжекционной градирни*(3)

Применяемые конструкции эжекционных градирен различаются их производительностью, направлением водо-воздушных потоков, количеством и конструкцией форсунок. Воздуховыходная шахта градирни оснащается каплеуловителем.

Для снижения аэродинамического сопротивления проточной части градирни выхлопной канал имеет конфузорно-диффузорную форму.

В качестве преимуществ эжекционных градирен перед вентиляторными отмечают:

- температура охлажденной воды на 2°С - 3°С выше температуры мокрого термометра;

- при правильном проектировании годовые затраты электроэнергии эжекционной градирней сопоставимы с затратами вентиляторной градирни;

- производительность эжекционных градирен достаточно легко регулировать производительностью насосного оборудования, изменяя теплосъем градирни в зависимости от тепловой нагрузки и параметров атмосферного воздуха. Возможна организация автоматического регулирования. При этом может быть получена значительная, % до 50%, экономия электроэнергии, потребляемой градирней;

- потери циркуляционной воды соответствуют потерям вентиляторных градирен: на капельный унос - 0,01%, на испарение - 1% на каждые 5°С охлаждения;

- нетребовательность к качеству циркуляционной воды, отсутствие ограничений по температуре воды на входе, стабильная эффективность работы в любое время года;

- более низкая стоимость и простота эксплуатации эжекционных градирен (длительный гарантийный срок службы форсунок, отсутствие вентилятора, оросителя) обеспечивают ежегодную экономию для предприятия на профилактических и ремонтных работах. Форсунки могут очищаться без вывода градирни из эксплуатации.

Рисунок 2.16 - Пример конструкции каркасной эжекционной градирни высокой производительности*(3)

Таблица 2.10 - Основные характеристики эжекционных градирен

Показатель	Ед. изм.	Значение
Расход циркуляционной воды	тыс.	0,005 - 50 и более
Необходимое избыточное давление воды	МПа ( )	0,1 - 0,5 (1 - 5)
Разность температур воды на входе и выходе из градирни (без рециркуляции)	°С	8 - 10 и более
Максимальная глубина охлаждения (величина превышения температуры охлажденной воды над температурой воздуха по смоченному термометру)	°С	2 - 4
Потери воды: - на испарение - на каплеунос	%	До 1 До 0,01
Удельная электрическая мощность электрооборудования на 1  проектного расхода циркуляционной воды	кВт	0,175
Удельные капитальные затраты на строительство (на 1  проектной производительности)	тыс. руб	6 - 7
Срок эксплуатации	год	До 25
Уровень шума на уровне воздуховходного окна	дБ	до 75

Отмечается, что при увеличении рабочего давления воды расходные характеристики и охлаждающая способность градирен могут быть улучшены.

Были представлены сообщения о примерах переоборудования башенных и вентиляторных градирен в эжекционные градирни.

Башенная испарительная градирня Каргалинской ТЭЦ АО "Оренбургская ТГК" с естественной тягой и площадью орошения 324  (БГ 324-64-4) была реконструирована с заменой вытяжной башни и внедрением элементов эжекционной градирни. При реконструкции в контур градирни был добавлен дополнительный коллектор с эжекционными форсунками, расположенными по периметру градирни; группа насосов повысителей, забирающих воду из возвратного трубопровода или напрямую из бассейна градирни и подающих ее на эжекционный коллектор. В результате реконструкции была повышена проектная производительность градирни с 2800 до 5300 , теплопроизводительность с 27 до 59,5 Гкал/ч, температурный перепад вырос и 7°С - 9°С до 10°С.

Имеются примеры компактных эжекционных башенных градирен высокой производительности от 2000  и более.

2.3.4 Атмосферные градирни

Открытые атмосферные градирни используются преимущественно в системах охлаждения с расходом циркуляционной воды от 10 до 500 , при удельной тепловой нагрузке 29,3 - 62,6 [7 - 15 тыс. ], обеспечивая охлаждение воды на 5°C - 10°C. По условиям надежности отведения тепла они применяются для промышленных установок, допускающих снижение подачи воды не более 10 сут, а перерыв в подаче воды на время выключения поврежденных и включения резервных элементов или проведения ремонта, не более чем на 6 ч. Возможная эксплуатационная температура наружного воздуха - до -30°С.

Рисунок 17.16 Атмосферная градирня ([10]):

1 - ороситель; 2,3 - системы распределения воды; 4 - воздухонаправляющие жалюзи; 5 - водосборный бассейн.

Атмосферные градирни могут обеспечивать достаточно высокую производительность по отводимому теплу, не требуют затрат электроэнергии на подачу воздуха, характеризуются простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако их применение ограничивается возможностью размещения на площадке, свободно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуры охлаждаемой воды в период слабого ветра или штиля.

Высота оросителя открытой капельной градирни принимается не более 10 м, занимаемая площадь в плане - до 80 .

Распределение воды по площади оросителя осуществляется в виде, как правило, двухзонной напорной трубчатой системы с водоразбрызгивающими соплами. Верхняя зона используется в летних условиях, нижняя - в зимних.

Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос паров и капель воды в сторону от близко расположенных сооружений и дорог.

Значимые экологические и прочие аспекты атмосферных градирен:

- относительно высокий уровень потерь воды с каплеуносом, зависящий от силы ветра;

- требовательность к отсутствию препятствий для ветра вокруг градирни приводит к необходимости отведения для градирни достаточно большой площади;

- при химической обработке циркуляционной воды возможно загрязнение почвы вокруг градирни, хотя площадь возможного загрязнения невелика;

- падение капель создает шум;

- низкий уровень эксплуатационных и капитальных затрат.

2.3.5 Оборотные ПСО с водоемами-охладителями

По назначению, расположению и условиям питания водоемы-охладители разделяются на следующие группы:

- русловые водохранилища на водотоках;

- водоемы-охладители на естественных озерах и прудах;

- наливные искусственные пруды, сооружаемые вне водотока, с подпиткой из ближайших водных объектов;

- отсечные водоемы, представляющие собой часть природного водного объекта, отделенного от него дамбой.

Свободная поверхность водохранилища-охладителя не вся одинаково эффективно участвует в отдаче тепла, поступающего с нагретой циркуляционной водой. Количество тепла, отводимого с единицы площади того или иного участка поверхности водохранилища, зависит от температуры воды на этом участке. Схема циркуляции в водохранилище-охладителе определяется его формой, взаимным расположением водосбросных и водоприемных сооружений, а также струераспределительными и струе-направляющими сооружениями.

При проектировании крупных водохранилищ-охладителей с глубинами, достигающими десятков метров, и с объемами воды в сотни миллионов кубических метров следует учитывать, что кроме градиентных течений, вызываемых сбросом циркуляционного расхода и поступлением речной воды, в водохранилищах имеют место также ветровые, плотностные и компенсационные течения.

Ветровые течения приводят к сгону воды от подветренной стороны водоема и к нагону ее у наветренной стороны. Возникающий при этом горизонтальный градиент давления, направленный в сторону, противоположную ветру, вызывает один из видов глубинных компенсационных течений.

Известно, что вода имеет максимальную плотность при температуре 4°C, а при нагревании ее плотность уменьшается. Передача тепла в водную толщу за счет молекулярной диффузии и теплопроводности весьма слаба. Поэтому при прогреве верхних слоев воды возникает температурная стратификация: температура воды на поверхности оказывается выше, чем в глубинных слоях, и эта разница достигает иногда 10°С и более. При выпуске теплой воды на поверхность водохранилища может возникнуть устойчивая разница температур воды в верхних нижних слоях и произойти расслоение потоков, имеющих различною плотность. В этом случае возникают верхнее теплое и глубинное холодное течения, которые могут быть разнонаправленными. Такие течения называются плотностными.

При сбросе нагретой воды в водохранилище у сбросных сооружений часто наблюдается понижение температуры воды на несколько градусов. Это объясняется тем, что нагретая вода, если она выходит в водохранилище со значительными скоростями, эжектирует массы холодной воды из придонных слоев и вовлекает их в циркуляционный поток. Этот смешанный поток, имея меньшую плотность, чем придонные слои, выходит на поверхность, а по направлению к сбросным сооружениям возникает глубинный ток холодной воды, являющийся вторым видом компенсационных течений.

Важной характеристикой водоемов-охладителей является коэффициент использования площади водохранилища, равный отношению активной зоны, участвующей в процессе теплообмена к общей площади акватории водоема. Этот коэффициент в зависимости от формы водохранилища, схемы расположения водосбросных и водоприемных сооружений и условий растекания циркуляционного потока может иметь значения от 0,5 до 0,95. Чтобы распределить транзитный поток циркуляционной воды по возможно большей части поверхности водохранилища и создать площадь активной зоны, достаточную для охлаждения расчетного расхода, нагретую на промышленном предприятии воду сбрасывают на значительном расстоянии от водоприемных сооружений, а также применяют струенаправляющие и струераспределительные сооружения.

Исследованиями установлено, что в больших и глубоких водохранилищах-охладителях, которые сооружаются, например, для современных мощных теплоэлектростанций, возможно создание объемной циркуляции воды. Для этого необходимо организовать прием воды только из глубинных слоев водохранилища, а нагретую воду сбрасывать на поверхность водохранилища с малыми скоростями. Тогда можно располагать сбросные сооружения вблизи водоприемных и даже совмещать их в одном сооружении. При этом нагретая вода, имеющая меньшую плотность, чем холодная, растекается по поверхности водохранилища и, охлаждаясь, переходит в глубинные слои, которые движутся к водоприемным сооружениям. Такая схема циркуляции позволяет отказаться от длинных отводящих каналов и струенаправляющих сооружений при высоком коэффициенте использования площади водохранилища.

Тепловой расчет водохранилища-охладителя производится для определения температуры охлажденной воды у места ее приема при заданной площади активной зоны или для определения необходимой площади активной зоны водохранилища при заданных тепловой и гидравлической нагрузках. Для ориентировочных расчетов можно принимать необходимую площадь водохранилища-охладителя в метеорологических условиях средней полосы России от 30 до 50  для охлаждения 1  воды на 8°С - 10°С, что соответствует гидравлической нагрузке 0,02 - 0,033  на 1  активной площади водоема.

Место расположения водосбросных и водоприемных сооружений, а также сооружений, увеличивающих активную зону водохранилища (струераспределительных и струенаправляющих сооружений), выбирают исходя из условий получения необходимой площади активной зоны на основе технико-экономических расчетов и компьютерного моделирования. Струенаправляющие и струераспределительные сооружения выполняют в виде водосливов, лотков, труб, консольных водосбросов. Струераспределительные сооружения обычно выполняют в виде затопленных водосливов распластанного профиля либо в виде фильтрующих дамб из каменной наброски. Такие сооружения обеспечивают выпуск теплой воды на поверхность водохранилища с малыми скоростями, что предотвращает появление глубинного течения к водосбросу.

Наиболее рациональным типом сооружения для забора воды из водохранилища-охладителя глубиной не менее 4 - 5 м является глубинный водозабор, обеспечивающий получение воды из придонных слоев. Этим достигается наиболее низкая температура охлаждающей воды, предотвращение или резкое уменьшение захвата биологических загрязнений (микроорганизмов, низшей водной растительности, личинок моллюсков) и наиболее рациональная продувка водохранилища. При глубинном водозаборе резко уменьшается захват рыбы и, что особенно важно, мальков, которые обитают обычно на небольших глубинах. Глубинный водозабор обеспечивает также бесперебойную подачу воды к потребителям при шуговых явлениях без принятия мер по обогреву водозабора.

Во избежание подсасывания воды из верхних слоев входные окна глубинного водозабора должны быть расположены на достаточной глубине, а входные скорости воды должны быть минимальными: от 0,1 до 0,3 м/с.

Рисунок 2.18 - Схема циркуляции в пруде-охладителе округлой формы ([57]):

1 - промышленная площадка; 2 - насосная станция водозабора; 3 - сброс

теплой воды; 4 - струенаправляющая дамба; 5 - плотина

Рисунок 2.19 - Схема циркуляции в пруде-охладителе вытянутой формы ([57]):

1 - промышленная площадка; 2 - насосная станция водозабора; 3 - водоотводящий канал; 4 - сброс теплой воды; 5 - зимний сброс; 6 - плотина

Отмечают следующие сравнительные преимущества и недостатки водоемов-охладителей:

- они обеспечивают более низкие температуры охлажденной воды, чем градирни и брызгальные бассейны, при меньшем колебании температуры в течение суток благодаря большой теплоаккумулирующей способности водоемов-охладителей;

- при применении водоемов-охладителей нет необходимости в создании напора для разбрызгивания воды (за исключением случаев расположения плавающих брызгальных установок для улучшения охлаждения), что позволяет снизить мощность циркуляционных насосов и уменьшить расходы электроэнергии на собственные нужды ПСО. Прямое потребление электроэнергии оборотными системами с водоемами-охладителями близко энергопотреблению прямоточных систем;

- водоемы требуют больших площадей и значительных капитальных затрат на их сооружение.

Потери воды из оборотных систем охлаждения с водохранилищами состоят из объемов фильтрации из водохранилища через ложе и ограждающие дамбы, а также естественное и дополнительное (за счет сброса нагретой воды) испарение с зеркала водохранилища. Для наливных и отсечных водоемов необходимо также учитывать объемы продувки, которые зависят от степени упаривания воды.

Таблица 2.11 - Ориентировочные потери воды с дополнительным испарением в водоемах-охладителях, в % от расхода циркуляционной воды ([14])

Сезон	Перепад температур, °С
	5	10	15	20	25
Лето	0,5	0,9	1,4	1,9	2,3
Весна и осень	0,3	0,7	1,0	1,4	1,7
Зима	0,2	0,4	0,7	0,9	1,1

Для водоемов-охладителей существуют проблемы их заиления и зарастания водной растительностью, что ухудшает охлаждающую способность прудов. Кроме того, водная растительность, попадая к водозаборным сооружениям, забивает очистные сетки водоприемников и загрязняет теплообменники, требуя их более частой очистки. Зарастание прудов зависит от их глубины, колебания горизонта воды, грунтов, химического состава воды и температурного режима прудов. Зарастанию способствует плохая подготовка чаши пруда к затоплению и наличие на берегах водоема деревьев, кустов, пней и пр.

Борьба с растительностью производится, как правило, механическим и биологическим способами. О применении химических способов не сообщается. Их применение ограничено в связи с тем, что водоемы-охладители, как правило, используются не только для целей охлаждения, но и для других целей. Наиболее часто сообщают о применении биологических методов борьбы с растительностью в водоемах путем вселения определенных растительноядных видов рыбы. Зарыбление осуществляется на основании рыбно-биологического обоснования и по согласованию с государствен