Споруди і пристрої систем водопостачання

Насоси. Центральні і берегові насосні станції. Для подачі води в системі технічного водопостачання застосовують відцентрові і осьові насоси. Місце їх установки і кількість залежать від типу системи водопостачання і компонувальної схеми електростанції. Наприклад, на ТЕС і АЕС з блоковими схемами при прямотечному і оборотному водопостачанні із ставками-охолоджувачами циркуляційні насоси встановлюють в блокових насосних, споруджуваних на березі джерела води. Установка насосів в центральній насосній поряд з головним корпусом і в машинному залі допускається як виняток і лише при техніко-економічному обґрунтуванні такого рішення. Для кожного блоку передбачається не менше двох насосів.

У центральній насосній станції повинне бути не менше чотирьох насосів з сумарною продуктивністю, рівною розрахунковій витраті води без резерву. Резервні насоси встановлюють тільки при морському водопостачанні, оскільки при роботі на морській воді насоси досить часто вимагають ремонту через корозійний знос.

При оборотному водопостачанні з градирнями і бризкальними басейнами циркуляційні насоси в кількості двох на турбіну встановлюються, як правило, в машинному залі або окремій прибудові. Продуктивність кожного насоса розраховується на 60% загальної витрати. Для підвищення надійності подачі води напірні лінії сусідніх турбін мають перемички із засувками, по яких можна подавати воду при аварійному останові насосів однієї з турбін.

У насосних станціях АЕС окрім циркуляційних встановлюють ще аварійні насоси для постачання водою найвідповідальніших споживачів при аварійних ситуаціях. Двигуни цих насосів підключені до мережі надійного живлення і включаються автоматично.

Натиск, який повинні розвивати циркуляційні насоси,, в загальному випадку рівний

 

, м вод. ст., (14.8)

де — втрата натиску на подолання геодезичної висоти подачі води, м; — гідравлічний опір системи, м.

Опір залежить від типу системи, характеристики конденсаторів і умов паралельної роботи насосів. При прямотечній і оборотній (із ставком-охолоджувачем) системах геодезична висота подачі рідко перевищує 5—10 м, а необхідний натиск складає 13-15 м вод. ст., близько 50% цього натиску витрачається на подолання гідравлічного опору конденсаторів.

При оборотній системі з градирнямі або бризкальними басейнами натиск потрібен більше 30-35 м вод. ст., оскільки; воду необхідно подавати у верхню частину зрошувального пристрою градирні або мати натиск перед розбризкуючими соплами не менше 5-7 м вод. ст.

Деяке зменшення необхідного натиску може бути досягнуте за рахунок організації сифонового зливу води з конденсаторів (мал. 14.4). На малюнку це зменшення відповідає п'єзометричній висоті і складає 4-7 м вод. ст. Кількість води, що подається, регулюється зміною числа працюючих насосів, переходом на інше число оборотів, (за наявності двошвидкісних електродвигунів) і поворотом лопаток (для осьових насосів).

 

 

 

Мал. 14.4. Схема використовування дії сифону при ставковій і прямотечній системі (а), при подачі в центральний резервуар градирні (б) і при подачі в лоток між градирнями (в):

1 — водоприймач; 2 — самотечний канал, що підводить воду; 3 — приймальний колодязь; 4 — циркуляційний насос; 5 — конденсатор; 6 — зливна труба; 7 — сифоновий колодязь; 8 — центральний резервуар градирні; 9 — лоток між градирнями.

 

Насоси встановлюють в окремій будівлі — насосній станції. По місцю споруди насосні станції діляться на берегові і центральні; перші споруджуються на березі джерела води, другі — поблизу головної будівлі. Як приклад на мал. 14.5 показана типова насосна станція потужної ГРЕС, запроектована з урахуванням можливого коливання горизонту води 3,5 м. Станція складається з окремих відсіків, кількість яких рівна числу насосів. Кожний з відсіків має водоприймальну частину, камеру всмоктування і насосне приміщення. Водоприймальна споруда є прорізом, канал або затоплений оголовок у вигляді бетонних труб, кінець яких винесений в основне русло річки.

 

Мал. 14.5. Берегова насосна станція, розташована в одній будівлі з водоприймачем і очисними пристроями: 1 — вертикальний насос; 2 — очисні сітки; 3 — напірний водовод; 4 — колодязь перемикача

Для видалення з води сміття, водоростей і інших забруднень в насосній встановлюють нерухомі грати, що складаються із сталевих смуг, встановлених з кроком 100—150 мм, і сітки, що обертаються, з осередками 5—10 мм. Сітки, що обертаються, очищаються на ходу змивом уловлених забруднень струменем води. Нерухомі грати очищаються спеціальними щітками, що збирають забруднення з грат в жолоб, по якому вони змиваються в річку нижче за водозабір.

Кожний зі встановлених циркуляційних насосів має на всмоктуючій і напірній лініях засувки, дозволяючі відключати насос і проводити необхідний ремонт.

Водоводи, що підводять і відводять (скидні) воду виконують у вигляді відкритих самотечних каналів, металевих труб діаметром до 2 же і закритих залізобетонних каналів прямокутного перетину. Вибір типу водовода залежить від рельєфу місцевості, потужності електростанції і типу системи водопостачання. Для могутніх ТЕС і АЕС при прямотечній системі водопостачання економічно вигідні залізобетонні канали із швидкістю води в них до 2 м/сек. Ці водоводи виконуються з окремих секцій, які в готовому вигляді поставляються із заводів і стикуються на місці установки. Значне поширення набули водоводи із сталевих труб, проте застосування їх вимагає надійного захисту від корозії. Кількість ниток закритих водоводів повинне бути не менше два.

Відкриті канали застосовують на електростанції невеликої потужності, при постійному рівні води в живлячому водоймищі і сприятливому рельєфі місцевості. Швидкість води в таких каналах приймається не більш 0,6—0,8 м/с. Для споруди каналів потрібна досить значна вільна площа і виконання великого об'єму земляних робіт.

При оборотній системі водопостачання з градирнями або бризкальними басейнами водоводи виконують тільки закритими із сталевих або залізобетонних труб. Паралельно прокладають два водовода, кожний з них розраховують на повну продуктивність.

При проектуванні електростанції водовод вибирають на основі порівняння техніко-економічних показників окремих варіантів.

Ставки-охолоджувачі — досить поширений тип охолоджувальних споруд. Вони мають ряд переваг перед градирнями і бризкальними басейнами, оскільки вимагають меншої витрати енергії на привід циркуляційних насосів через невелику висоту подачі води і відсутності гідравлічного опору самого охолоджувача, а також незначних втрат води на випарення_(замерзання води в зимовий час не вносить істотних утруднень в умови експлуатації) .Крім того, використовування ставків дозволяє вирішувати комплекс питань, пов'язаних з розвитком сільського господарства (рибальство, полив земель, розведення водоплавного птаха і т.ін.).

Відмічені переваги виявляються повною мірою за наявності природного водоймища. При необхідності споруди штучного ставка вимагається вирішувати питання про затоплення певної площі, яка найчастіше придатна в сільському господарстві. Тому при проектуванні ставків враховується і цей чинник, що може зробити помітний вплив на економіку даного району.Форма ставка може мати різні контури (мал. 14.6). Найпереважнішою формою є — витягнута в довжину, при якій площа застійних зон мінімальна.

Необхідна площа ставка визначається з рішення рівняння теплового балансу, що враховує рівність кількостей тепла, що поступає з водою і сонячною енергією і віддачею його за рахунок конвекції і при випаровуванні:

 

Гдж/добу (14.9)

де W— витрата води, м³/добу; — відповідно тим пература води в місці скидання водоприйому і середня, °С; Fа =Fк — активна площа ставка, охоплювана транзитним потоком, м²; F — загальна площа ставка, м²; к - коефіцієнт, що враховує форму ставка (к = 0,8-0,9 при витягнутій формі, 0,6 -0,75 — при неправильній формі і 0,3-0,5 при округлих контурах); Q — кількість сонячної енергії, сприймане поверхнею ставка, ГДж/(м2×добу); r — теплота випаровування, ГДж/кг; Р — коефіцієнт випаровування; — відповідно тиск пари над поверхнею води і в атмосфері при розрахунковій температурі води в ставку і середній вогкості повітря, н/м²; а — коефіцієнт тепловіддачі, ГДж/(м²×добу×°С); tср — середня температура повітря в даному районі, °С.

Окрім рівняння (14.9) використовуються також номограми, розроблені на основі цього рівняння.

 

Мал. 14.6. Контури транзитного потоку в ставках-охолоджувачах різної форми:

а — правильна витягнута форма; б — витягнута форма неправильної конфігурації; у — кругла форма; В—точка забору води ; С — точка скидання води

 

Для кращого використовування площі ставка і подовження шляху води від місця скидання до місця забору влаштовують струмонаправляючі греблі, сприяючі утворенню водоверті і збільшенню активної площі охолоджування. Глибина ставка звичайно передбачається не менше 3-4 м (при меншій глибині ставок швидко заростає водоростями, а вода помітно нагрівається сонячним промінням).

Експлуатація ставка вимагає безперервного поповнення його водою, що втрачається на випаровування, фільтрацію і продування. За добу з дзеркала ставка випаровується шар води

мм, (14.10)

де w — середня швидкість вітру, м/сек.

Втрати на фільтрацію залежать від властивостей грунту і складають 1-5 мм/добу. Скидання води із ставка для підтримки солевмісту у встановлених межах (продування) визначається на основі хімічного контролю води. Заповнення вказаних втрат здійснюється за рахунок води впадаючих в ставок річок, струмків, підземних джерел.

Градирні. Як охолоджувачі води градирні застосовуються на електростанціях самої різної потужності. Виконуються вони у вигляді башти прямолінійних або криволінійних контурів висотою в декілька десятків метрів. У нижній частині башти розміщується зрошувальний пристрій, а верхня частина служить для створення струму повітря, що поступає в башту зовні через спеціальні вікна. Охолоджувана вода подається на верхній ярус зрошувального пристрою і системою жолобів рівномірно розподіляється за його площею. Звідси окремими струменями і краплями вода стікає вниз і збирається в басейн, споруджуваний в підставі градирні. З басейну вода по самотечним каналах подається до циркуляційних насосів.

У зрошувальному пристрої відведення тепла від води здійснюється при випаровуванні і конвекцією. За способом організації руху повітря градирні підрозділяються на баштові, вентиляторні і відкриті. У баштовій градирне струм повітря забезпечується високою витяжною баштою, у вентиляторній — вентилятором, а у відкритих — природним рухом повітря. Поверхня охолоджування в градирнях створюється за допомогою похилих щитів або дерев'яних брусків, а в деяких типах градирен шляхом розбризкування води. Відповідно до характеру руху води в зрошувальному пристрої всі градирні підрозділяються на плівкові, краплинні і змішані. Найбільш ефективні типи зрошувального пристрою — плівкове і краплинно-плівкове, що забезпечує найбільшу поверхню зіткнення води і повітря.

На потужних ТЕЦ і АЕС набули широке поширення баштові градирні гиперболоїдальної форми з плівковим і плівково-краплинним зрошувачами. На мал. 14.7 як приклад показана конструкція гиперболоїдальної залізобетонної градирні площею зрошування 1520 м² і нормальною продуктивністю 10 000—10 500 м³/г при температурному перепаді води 9°С. Градирня може обслуговувати конденсаційну турбіну потужністю до 50 тис. кВт.

Витяжна башта градирні виконана з монолітного залізобетону і складається з кільцевого фундаменту і оболонки змінної товщини від 350 до 140 мм. Загальна висота башти складає 55 м. Подібні типи градирен застосовуються при перепаді температур води не менше 6—7°С і температурі охолодженої води на 7°С більше, ніж температура мокрого термометра в повітрі.

Плівкові і краплинні градирні з вентиляторами знаходять застосування в районах з жарким кліматом, а також в тих випадках, коли потрібна нижча температура охолоджуючої води і підвищена компактність установки. Відкриті градирні застосовуються тільки на установках малої потужності.

Зрошувальний пристрій баштових градирен виконується звичайно у вигляді тригранних рейок, встановлюваних в шаховому порядку. Вода на рейки подається через насадки розподільних жолобів і встановлених під ними тарілочок. Стікаючи у вигляді плівки з однієї рейки на іншу, вода проходить весь зрошувальний пристрій і збирається в басейн. Повітря в башту проходить через вікна, що є в нижній частині. У зимовий час, коли є небезпеку обмерзання зрошувального пристрою, ці вікна частково закриваються щитами.

Мал. 14.7. Гиперболоїдальна залізобетонна градирня з плівковим зрошувальним пристроєм

Конструктивні розміри градирні залежать від розрахункових температур води і повітря. Важливою характеристикою є також густина зрошування, тобто кількість води, що доводиться на одиницю площі зрошувального пристрою. Для баштових градірен при перепаді температур води 8—10°С вона складає від 7 до 15 м³/(м²×г).

 

.

Мал. 14.8. Номограма для розрахунку баштової плівкової градирні

 

Тепловий розрахунок градирні вельми складний. Тому для визначення розрахункових характеристик використовують графічний метод. На мал. 14.8 приведений графік, криві на якому побудовані на підставі емпіричних залежностей охолоджування води в градирне. По графіку можна визначити необхідну площу зрошувального пристрою при заданій температурі охолоджуючої води.Можливе рішення і зворотної задачі- знаходження температури води за відомою площею зрошування.

Кількість градирен на електростанціях приймається не менше двох, розташовують їх в 50—100 м від головної будівлі і обов'язково з підвітряної сторони по відношенню до пануючих вітрів.

Окрім вищеописаних використовуються ще сухі градирні (градирні системи Геллера), в яких охолоджувач виконаний з тонкостінних алюмінієвих трубок; застосовують їх в поєднанні із змішуючими конденсаторами. Система водопостачання з градирнями Геллера є замкнутою герметичною системою, що не має практично втрат води. Такі системи застосовують на невеликих електростанціях, споруджуваних в безводних районах.

Бризкальні басейни. У охолоджувачах цього типу циркуляційна вода розбризкується в повітрі соплами над спеціально спорудженим басейном. Сопла встановлюють на подаючих воду трубопроводах, що прокладаються над басейном з інтервалом між гілками 10—15м (мал. 14.9). Вода в бризкальному басейні охолоджується в результаті конвекції і випаровування при русі крапель в повітрі. Ступінь охолоджування тим більше, чим дрібніші краплі води, нижчі температура і вогкість повітря; великий вплив на охолоджування води надає вітер Умови теплообміну виражаються складними залежностями Для розрахунку басейну користуються номограмами.

Охолоджуючою характеристикою бризкального басейну є густина дощу, тобто кількість охолоджуючої води (м³/г), що доводиться на 1 м² площі басейну. Для вживаних в нашій країні сопл густина дощу приймається від 1,2 до 1,5 м³/(г×м²) залежно від кліматичних умов і температури води.

Басейн виконується прямокутної форми і для кращої продуваємості розташовується на відкритій місцевості довгою стороною перпендикулярно до напряму пануючих вітрів. З цих же міркувань ширина його приймається не більш 40 м. Басейн виконується з окремих секцій в кількості не менше двох. Передбачається можливість відключення і спорожнення секцій для огляду і ремонту. Глибина басейну складає 1,5-2 м.

Для розбризкування води застосовують сопла декількох типів: відцентрові, щілисті, ударного типу і ін. Основні вимоги до них: простота конструкції, тривала кампанія роботи і мінімальний розмір крапель. Вживані в нашій країні щілисті сопла системи Петрова і відцентрові системи Божко забезпечують розмір крапель 1,5-1,8 мм при тиску води перед соплами 5-7 бар. При меншому тиску розмір крапель збільшується. Сопла на трубах мають в своєму розпорядженні групи, по 4-5 в групі.

Мал. 14.9. План (а) і розріз (б) бризкаючого басейну:

/ — бетонні плити підстави; 2 — шар крупного піску; 3 — шар глини; 4 — сталеві опори; 5 — роликові опори; 6 — розподільні труби; 7 — соплодержачі.

 

У зимовий час в цілях боротьби з обмерзанням деталей басейну температура води в ньому підтримується не нижче 10°С. Для цього деякі групи сопл відключають, а воду скидають в басейн без розбризкування через кінцеві засувки натрубопроводах.

Повітря над басейном інтенсивно зволожується. Водяний пил, що відноситься вітром, може викликати обмерзання будівель і споруд, що особливо небезпечне для відкритих розподільних пристроїв. Для запобігання цьому басейни розташовують в стороні від будівель і споруд і обов'язково з підвітряної сторони від них. Відстань до розподільного пристрою приймається не менше 120 м, до паливоподачі — 50 м, до залізничних колій — 80 м.

Втрати води в оборотній системі. У оборотних системах як з градирнями, так і з бризкальними басейнами є безповоротні втрати води. Складаються вони з трьох складових:

%, (14.11)

де — втрати на випаровування, %; — втрати на віднесення крапель вітром, %; — втрати на продування, %.

Втрати на випаровування для обох типів охолоджувачів складають від 0,4 до 5 %, залежно від перепаду температур води, а .також від температури і вологості повітря.

Втрати на віднесення крапель в бризкальних басейнах складають 1,1-1,2%, а в градирнях 0,5-1,0%.

Втрати на скидання частини води з системи для підтримки заданого солевмісту і запобігання утворення накипу в трубках конденсаторів і інших пристроїв визначаються по формулі

% (14.12)

де Жо — карбонатна жорсткість води, мг-екв/л; Жпр — гранично допустима карбонатна жорсткість води, мг-екв/л.

Якщо продування дуже велике і не може бути покрито за умов недостатнього дебіта джерела, то застосовують хімічну обробку води в системі.

 

14.4. Вибір системи водопостачання ТЕС і АЕС

Системи водопостачання ТЕС і АЕС вибирають на основі зіставлення техніко-економічних показників різних варіантів. Основними показниками є капітальні витрати, експлуатаційні витрати і можливий недовиробіток електроенергії при погіршенні вакууму в конденсаторах турбін.

При виборі системи водопостачання враховують наступні чинники: потужність електростанції і досяжна глибина вакууму при різних системах; наявність в районі проектованої електростанції природних джерел води (річок, озер, морити); наявність вільних площ для споруди гідротехнічних об'єктів (каналів, насосних станцій, охолоджувачів і т.ін.); метеорологічні і кліматичні умови в даному районі; витрата енергії на подачу води і інші експлуатаційні витрати.

Найвигідніша у всіх випадках — прямотечна система, що забезпечує найглибший вакуум в конденсаторах і якнайменші капітальні витрати і експлуатаційні витрати в порівнянні з іншими системами. Проте застосування цієї системи можливе лише при дебіті річки, перевищуючому в три-чотири рази витрату води на технічне водопостачання або будівництво електростанції поблизу великого озера або моря.

При проектуванні системи водопостачання в першу чергу розглядають можливість застосування прямоточной системи. Якщо цю систему застосувати неможливо або вартість її виходить дуже великою, то розглядають варіанти інших систем — оборотної або змішаної з різними типами охолоджувачів. Перевагу віддають варіанту, що має кращі техніко-економічні показники.

При рішенні питань, зв'язаних з використанням природних джерел води, враховують не тільки вартість гідротехнічних споруд, але і витрати, пов'язані з відведенням землі під затоплення при пристрої ставків-охолоджувачів. Враховують також можливий вплив зміни гідрологічного режиму району на економіку сільського господарства і кліматичні умови.

Для електростанцій, що розташовуються в межі міста, вибір системи водопостачання тісно пов'язаний з обмеженістю вільних територій. На ТЕС в містах частіше всього застосовують оборотні системи з градирнями.

 

Таблиця 14.3. Вартість окремих споруд систем водопостачання (за даними Теплоелектропроекту)

Найменування споруд і робіт	Вартість
Ставок-охолоджувач   Бризкальний басейн   Баштові градирні з плівковим і капельно-плівковим зрошувачами Баштові вентиляторні градирні   Одинична вартість земляних робіт при споруді каналів: для підводу для відводу	20—30 крб. на 1 м3 годинної витрати води 12,5—17,0 крб. на 1 м2 площі басейну 130—170 крб. на 1 м2 площі зрошувача 180—200 крб. на 1 ж2 площі зрошувача     1,77—1,83 руб/м3 2,05—2,21 руб/м3

Примітка. Об'єм земляних робіт на 1 км каналу, що підводить, при витраті води 1 м³/с складає 11 500 м³ при незарегульованому джерелі і 8000 м³ при зарегульованому. Для відкритих відвідних каналів об'єм земляних робіт складає 3350 м³ на 1 м при витраті води 1 м³/с.

При оборотній і змішаній системах водопостачання середньорічний вакуум в конденсаторах турбін, як правило, гірше, ніж при прямотечній системі. Особливо велика відмінність спостерігається в літній час. Пониження вакууму обумовлює недовиробіток електроенергії, що може розглядатися як фактична перевитрата палива. Зменшення потужності генератора при зниженні вакууму визначається по формулі

 

, кВт, (14.13)

де — ентальпія пари на виході з турбіни при різних значеннях вакууму в конденсаторі, кДж/кг.

Капітальні витрати для різних варіантів систем водопостачання можна орієнтовно оцінити за укрупненими показниками вартості окремих споруд, що приведені в табл. 14.3.

Експлуатаційні витрати на водопостачання складаються з наступних складових: витрат на ремонт і обслуговування устаткування; вартості електроенергії, що витрачається на подачу води, а при вентиляторах градирнях — і на привід вентиляторів; вартості недовиробітку електроенергії через пониження вакууму.

 

Тема 16. ВИБІР МАЙДАНЧИКІВ ДЛЯ БУДІВНИЦТВА ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ. ГЕНЕРАЛЬНИЙ ПЛАН ТЕС І АЕС