7.1. Системы охлаждения и стабильность охлаждающей воды

Основная часть природной воды, потребляемой ТЭС и АЭС используется в системах охлаждения для конденсации пара. Расходы охлаждающей воды достаточно велики (60 - 100 кг на конденсацию 1 кг пара), например, ее расход для конденсаторов одной турбины К-800-240 составляет около 36 м³/с, или 108 тыс. м³/ч, соответственно для ГРЭС мощностью 2400 МВт - 325 тыс. м³/ч.

Основные требования к качеству охлаждающей воды сводятся к тому, чтобы она имела температуру, обеспечивающую требуемую глубину вакуума в конденсаторе, не вызывала при нагреве образования в системе охлаждения минеральных отложений и биологических обрастаний, а также коррозии оборудования и трубопроводов. Естественно, что при столь больших расходах воды, охлаждающей конденсаторы, масло- и газоохладители, неправомерно ставить вопрос об ее тщательной очистке с удалением всех примесей, склонных к образованию отложений и коррозионному воздействию на материалы охлаждающей системы.

Для охлаждения конденсаторов используются прямоточные системы при наличии водотоков с большим дебитом воды или оборотные системы двух типов:

1) с прудами - охладителями;

2) с градирнями или брызгальными бассейнами.

При прямоточной системе вода для технических нужд забирается непосредственно из естественного источника, и после использования сбрасывается в тот же источник ниже по течению (рис. 7.1), что приводит к повышению температуры водотока. Система оборотного охлаждения с прудами - охладителями реализуется при сооружении плотины на малых и средних реках. При этом площадь поверхности искусственных водоемов и соответственно мест затопления получаются значительными. Наибольшее распространение (до 70%) получили системы оборотного охлаждения (СОО) с градирнями, в которых один и тот же объем воды используется многократно и требуется лишь небольшой добавок воды для восполнения потерь, сопутствующих охлаждающим устройствам. В градирнях или брызгальных бассейнах оборотная вода снижает температуру за счет испарения части подогретой в конденсаторе воды и конвективного теплообмена при контакте с воздухом, затем вода вновь подается в теплообменники - конденсаторы (рис. 7.2). В градирнях часть оборотной (охлаждающей) воды теряется за счет капельного уноса (P_ун = 0.05 - 3.5%) и испарения (P_исп = 1 - 1.5%). Испаряемая влага является чистой водой, поэтому за счет испарения солесодержание воды в оборотной системе повышается. Регулирование солесодержания осуществляется методом водообмена с помощью продувки системы P_прод. Отмеченные потери компенсируются добавлением в систему технической воды:

Рис. 7.1. Схема прямоточного охлаждения конденсаторов:
1 - турбина; 2 - конденсатор; 3 - насосы береговой насосной; 4 - конденсатный насос

Рис. 7.2. Схема оборотного охлаждения конденсатора с градирней:
1 - градирня; 2 - циркуляционный насос; 3 - конденсатор; P_исп, P_ун - потери воды в градирне на испарение и унос; P_прод - продувка оборотной воды; P_доб - добавка в систему свежей воды

Для солей, не образующих трудно растворимых соединений при нагреве воды в системе охлаждения, баланс масс в установившемся режиме записывается в виде:

где C_доб, C_цирк - концентрация соли (ионизированной примеси) в добавочной и циркуляционной воде.

Из (7.2) следует, что отношение C_цирк/C_доб, называемое коэффициентом концентрирования (k_к), определяется величиной потерь циркуляционной воды с продувкой и с капельным уносом (табл. 7.1). k_к называют также коэффициентом упаривания.

Сокращение величины продувки приводит к повышению кратности концентрирования и, следовательно, к значительному росту солесодержания циркуляционной воды. При P_пр = 0 величина k_к определяется потерями воды из системы за счет капельного уноса.

Наряду с концентрированием легко растворимых солей в системах оборотного охлаждения (СОО) увеличивается в той же кратности концентрация солей жесткости и гидрокарбонатов. С ростом температуры воды в СОО интенсифицируется гидролиз HCO₃^-, что характеризуется уравнением вида:

Сдвигу вправо реакции (7.3), т.е. распаду ионов HCO₃^- и образованию CO₃^2- способствует также потеря образующегося при гидролизе диоксида углерода в градирне (аналогично процессу в декарбонизаторе). Эти факторы приводят к возможности выделения на теплообменной поверхности отложений CaCO₃, т.е. потере стабильности охлаждающей воды (см. Гл. 1), в тех случаях, когда произведение активностей взаимодействующих компонентов превысит ПP_CaCO3. Сульфат кальция обладает сравнительно большой растворимостью при t = 20 - 40°C (около 1800 мг/дм³) и поэтому редко встречается в составе низкотемпературных накипей.

Так как теплопроводность кальциевых отложений на порядок меньше теплопроводности металла конденсаторных трубок, с ростом толщины накипи на них повышается температура конденсации пара и снижается вакуум в конденсаторе. Ухудшение вакуума на 1% требует увеличения расхода пара на 1.4% для поддержания номинальной мощности энергоустановки. Таким образом, отложения в СОО приводят к значительному пережогу топлива при выработке электроэнергии.

Несмотря на отмеченный факт, а также на то, что в СОО температура охлаждающей воды на входе в конденсаторы выше, чем при использовании прямоточных систем охлаждения или в оборотных системах с водохранилищами, использование градирен позволяет резко снизить сброс подогретой воды в водотоки и водоемы, предотвращая их "тепловое" отравление. Кроме того, оборотные системы единственно приемлемы в условиях ограниченного дебита воды.

Для предотвращения образований минеральных отложений в конденсаторах в оборотных системах применяют:

1. продувку системы;
2. стабилизационную обработку циркуляционной воды различными реагентами;
3. физическую обработку воды в магнитном или акустическом полях.

Для предотвращения биологических обрастаний в системах охлаждения, которые являются идеальной средой для роста живых организмов, т.к. снабжаются кислородом, теплом, светом, а также для удаления сформировавшихся удалений применяются очистка конденсаторных трубок резиновыми шариками и обработка воды сильными окислителями.

Повсеместно используемым методом снижения минерализации охлаждающей воды является продувка СОО, т.е. отвод части циркулирующей воды с заменой ее свежей. При продувке происходит общее понижение концентраций всех примесей, в том числе, кроме ионов Ca²⁺ и HCO₃^-, ионов Cl^- и SO₄^2-, что способствует ослаблению процессов коррозии в оборотной системе. Вывод солей из оборотной системы организуется за счет организованной продувки и потерь при капельном уносе из градирни. Так как основным назначением продувки является поддержание карбонатной жесткости циркуляционной воды ниже предельно допустимой величины (Ж_к.пред), значение требуемой продувки можно определить из модифицированных уравнений 7.1 и 7.2:

откуда:

,

(7.5)

где Ж_к.доб - карбонатная жесткость добавляемой воды на восполнение потерь в СОО, мг-экв/дм³.

Значения Ж_к.пред обычно определяются опытным путем для конкретных условий работы СОО. На основе обобщения опытных данных для добавочных природных вод с окисляемостью до 25 мг·O₂ на 1 дм³ в интервале температур от 30 до 60° Г.Е. Крушелем была предложена формула для определения Ж_{к. пред}:

,

(7.6)

где ОK - окисляемость воды, мг·O₂/дм³, Ж_нк - некарбонатная жесткость воды, мг-экв/дм³, t - максимальная температура воды в системе, °C (при t < 40°C в уравнение подставляют t = 40°C).

Потери воды на испарение в градирнях, %, определяются из выражения:

где x - доля теплоты, отдаваемой охлаждающей водой за счет ее испарения в градирне (летом - 1.0 зимой - 0.5, весной и осенью - 0.75); Dt - снижение температуры в градирне.

Потери воды в результате уноса капель колеблется от 0.25 - 0.5 до 1.5 - 3.5% в зависимости от скорости ветра и типа градирни, а также зависят от наличия и эффективности работы брызгоуловителей в градирнях (табл. 7.2).

Пример 7.1. Онлайн расчет Определить размер продувки СОО, стабилизирующей циркуляционную воду, при следующих условиях ее работы: Ж₀ = 3.0 мг-экв/дм³; Ж_к = 2.2 мг-экв/дм³; ОK = 16 мг·O₂/дм³; t = 42°C; Dt = 12°C; x = 0.75; P_ун = 0.5%.

1. Определяем Ж_к.пред по (7.6):



Ж_к.пред = 11.2/2.8 = 4.0 мг-экв/дм³;

2. Определяем P_исп для осенне-весеннего периода (7.7):

P_исп = 0.16 · 0.75 · 12 = 1.44%

3. Определяем P_прод (7.5):



4. Определяем P_доб для осенне-весеннего периода (7.1):

P_доб = 1.44 + 0.5 + 1.26 = 3.20%

5. В летний период при x = 1.0:

P_исп = 0.16 · 1.0 · 12 = 1.92%



Р_доб = Р_исп + Р_ун + Р_прод = 1.92 + 0.5 + 1.85 = 4.27%.

Отметим, что чем меньше разность Ж_к.пред – Ж_к.доб, тем больше должна быть величина продувки. Обычно для добавочной воды с Ж_к > 2.0 мг-экв/дм³ стабилизацию циркуляционной воды проводят комплексным методом, совмещающим продувку и обработку циркуляционной воды химическими реагентами, к которым относят подкисление, фосфатирование, рекарбонизацию дымовым газом.