Ядерные технологии
Article
10.4. Основные типы охладительных устройств оборотных систем водоснабжения
При оборотном водоснабжении применяют только двухходовые конденсаторы. Циркуляционные насосы, как правило, устанавливают в отдельной насосной, но можно и в машинном зале у конденсаторов турбины.
Из числа устройств, применяемых в системах технического охлаждения, следует указать прежде всего на искусственные пруды — охладители. Эти устройства наиболее простые и к тому же дающие наиболее глубокое охлаждение, обеспечивающие наиболее глубокий вакуум и, следовательно, наивысшую экономичность. Однако они неблагоприятны, так как для их сооружения отчуждают значительные участки земли. Кроме того, они совершенно не пригодны для использования на ТЭЦ, которые располагаются обычно или в черте города, или вблизи города.
Для АЭС ранее тоже использовались пруды-охладители, причем это делалось в основном по настоянию турбинных заводов во имя получения наивысшей экономичности. Опыт Чернобыльской АЭС побуждает вообще отклонить использование прудов-охладителей для АЭС. Следует считать для АЭС, как обязательное, размещение всех сооружений, в том числе и охлаждающих устройств, на территории промышленной площадки АЭС. Известно, что для Чернобыльской АЭС был сооружен пруд-охладитель площадью 25 квадратных километров и глубиной 4 метра. Разумеется, такой огромный пруд мог быть размещен только вне промышленной площадки ЧАЭС. В результате аварии на четвертом блоке этой АЭС в пруд-охладитель была занесена значительная радиоактивность, а дезактивация пруда-охладителя еще даже не начата. Существует реальная опасность проникновения через, разумеется, не абсолютно плотные стенки и днище пруда этой радиоактивности в подземные воды с соответствующим распространением по территории региона. Все это означает недопустимость использования для АЭС прудов-охладителей. Из числа других устройств технического водоснабжения использование на АЭС возможно брызгальных бассейнов и градирен.
Брызгальные бассейны дают более глубокое охлаждение, чем градирни. Это искусственные бассейны, над которыми через распиливающие сопла подается вода, подлежащая охлаждению. Поверхность контакта с воздухом существенно развита, так как она равна суммарной поверхности мелких капель. В результате увеличивается интенсивность испарительного охлаждения.
Конструкции сопл, применяемых для распиливания воды, многообразны. Основные требования, предъявляемые к ним, — возможно более тонкое распыление при меньшем напоре, а также большая производительность, простота и незасоряемость. Разрез по брызгальному бассейну представлен на рис. 10.5. Глубина бассейна должна быть не менее 1,5 м, чтобы вода не прогревалась солнцем. Для уменьшения уноса капель ветром
Рис. 10.5. Разрез брызгального бассейна (размеры в метрах):
1 — стальные опорные конструкции; 2 — распределительная труба; 3 — сопла; 4 — роликовые опоры; 5 — нормальный уровень воды
расстояние от крайних сопл до борта бассейна принимают не менее 7 м. Бассейны секционируют для удобства чистки и ремонта. Над ними прокладывается сеть разводящих труб, на которых равномерно распределены группы вертикальных сопл, распыляющих воду, подаваемую к ним циркуляционными насосами. Высота расположения сопл над уровнем воды в бассейне должна быть не менее 1,5 м. Для доступа воздуха ко всем соплам ширину бассейна принимают равной 50 — 55 м.
Эффект охлаждения в брызгальных бассейнах увеличивается при более тонком распылении. Однако при этом повышается расход электроэнергии для создания большего напора перед соплами. Интенсивность охлаждения возрастает с увеличением скорости ветра, но одновременно растет потеря воды с уносом капель. При работе брызгальных бассейнов возможно образование тумана, которое может привести в зимнее время к обледенению близлежащих сооружений, что необходимо учитывать при разработке генерального плана станции (см. гл. 11). Сопла устанавливают по одному или группами до пяти штук каждая с расстоянием между ними в пределах 3 — 7 м.
Брызгальные бассейны занимают небольшие территории, в 30 — 40 раз меньше, чем пруды-охладители. На АЭС их
используют обычно для охлаждения воды промежуточных контуров реакторного зала и воды систем обеспечения аварийного охлаждения активной зоны (см. рис. 7.11).
Охлаждающая вода забирается из бассейна. Для поддержания качества воды на допустимом уровне часть воды продувается, а ее убыль в результате испарения — восполняется. По самотечным, но обязательно закрытым каналам вода поступает к насосам, установленным в обстройке герметичной оболочки реактора (для АЭС с ВВЭР-1000).
Отводящие трубопроводы от конденсаторов напорные: их прочность должна быть рассчитана на давление, необходимое для создания напора перед соплами и преодоления сопротивлений на тракте от конденсатора до сопл.
Наименьшие площади требуются для размещения градирен. Их постройка — обычно наиболее дорогое решение, но потери воды в них существенно меньше, чем в брызгальных бассейнах. Различают следующие типы градирен: открытые, в которых распределительная система расположена на открытом воздухе, и закрытые, где распределительное устройство ограждено башней (башенные градирни). Для АЭС применяют только башенные градирни обычно противоточного типа — движение воздуха вверх за счет разности плотностей нагретого воздуха внутри башни и холодного — вне ее, а движение охлаждаемой воды — вниз.
Система оборотного водоснабжения с использованием градирен показана на рис. 10.6. Основное направление развития градирен — увеличение их единичной мощности, что достигается за счет увеличения высоты башни и площади орошения и за счет совершенствования организации процессов тепло-массообмена в градирне. В связи с этим возрастает удельная гидравлическая нагрузка.
Вытяжная башня может выполняться или металлической с алюминиевой обшивкой или железобетонной. На рис. 10.7 представлена железобетонная градирня гиперболической формы. Для максимальной ее высоты 150 м диаметры ее составляют у основания 126 м, в верхнем сечении — 66 м и в наиболее узком сечении (на отметке 128 м) — 63 м. Градирня состоит из следующих элементов: вытяжной башни, водораспределительной системы, оросителя, водосборного бассейна и влагоулавливающего устройства.
Воздух поступает в нижнюю часть градирни через «окна» высотой 12 м, расположенные по всей окружности
Рис. 10.6. Схема циркуляции воды при охлаждении ее в градирне:
1 — градирня; 2 — выход нагретого влажного воздуха; 3 — вход холодного воздуха; 4 — циркуляционный насос; 5 — конденсатор
Рис. 10.7. Градирня противоточного типа с естественной тягой:
1 — подводящие трубопроводы; 2 — водосборный бассейн; 3 — воздухонаправляющие щиты; 4 — щиты оросительного устройства пленочного типа; 5 — водоуловитель; 6 — водораспределительные трубопроводы с разбрызгивающими соплами; 7 — вытяжная железобетонная башня; 8 — светоограждение; 9 — каркас оросителя; 10 — отводящие трубы
башни. Скорость воздуха в башне: на выходе из нее — 1,0 — 1,3 м/с, а на уровне оросительного устройства — 0,8 — 1,0 м/с.
Оросительное устройство высотой 2,5 м представляет собой пакеты асбоцементных листов размером 2,5×1,5 м толщиной 6 мм, расположенных с расстояниями между листами 25 мм. При высоте листов 1,25 м их устанавливают в два яруса.
Водораспределительная система состоит из асбоцементных труб диаметром 400 мм с расположенными на них полиэтиленовыми соплами, направленными вверх, с расстоянием между соплами 0,8 — 1,0 м. Расстояние между распределительными трубами 1,2 — 1,5 м. Охлаждаемая вода в виде тонких пленок стекает вниз вдоль щитов. Поэтому такого типа оросительное устройство и соответственно вся градирня, называется пленочной. Такие градирни эффективнее, чем применявшиеся ранее капельные, где оросительное устройство выполняли в виде элементов, обеспечивающих дробление воды на капли.
Водосборный бассейн представляет собой открытый резервуар высотой 2,5 м с подземным заглублением и переходом в канал водовода к циркуляционному насосу. Над водораспределительной системой установлено влагоулавливающее устройство жалюзийного типа.
Для поддержания качества воды на требуемом уровне осуществляют продувку в размере 5 — 6% объема всей системы, показанной на рис. 10.6. Убыль воды в связи с ее испарением продувкой восполняют подачей воды. С машинным залом градирня соединена напорными линиями и закрытыми водоподводящими самотечными каналами. При установке более одной градирни предусматривают перемычки между ними и переключательный колодец для ремонта одной из градирен. В каждой градирне имеется также возможность отключения одной из ее половин для ремонта.
По сравнению с брызгальными бассейнами градирни обеспечивают более высокие показатели работы за счет большего развития поверхности контакта воды с воздухом.
Если общее влияние ветра на работу брызгальных бассейнов положительное (улучшение работы), то для градирни, наоборот, чем больше скорость ветра, тем хуже охлаждение. Предполагается, что это происходит из-за уменьшения расхода воздуха в верхнюю часть башни, уменьшающего ее тягу и увеличивающего сопротивление на выходе воздуха из градирни.
Расход воздуха через градирню, практически определяющий ее удельную и общую нагрузку, зависит от естественной тяги, развиваемой башней и равной обычно 2 — 3 мм вод. ст. Стремление повысить расход воздуха привело к созданию вентиляторной градирни, тяга в который за счет работы вентиляторов доходит до 15 мм вод.ст. Показатели таких градирен существенно лучше, но расход электроэнергии на собственные нужды увеличивается, поэтому они не нашли распространения, а для увеличения
мощности градирни ведутся поиски более эффективных форм вытяжной башни с естественной тягой.
Удельная гидравлическая нагрузка [м 3 /(м 2 ч)] в зависимости от типа охладителя представлена ниже:
Недостатки градирни — высокая стоимость, сложность их конструкции, значительная затрата материалов и необходимость использования высококвалифицированной рабочей силы для сооружения и ремонта. Однако для АЭС, для размещения охладителей оборотных систем строительство градирен неизбежно, так как только градирни могут быть размещены на промышленной площадке АЭС.
Из приведенных выше показателей видно, что переход от прудов-охладителей к градирням в 200 — 300 раз повышает удельную нагрузку и соответственно уменьшает потребные площади.
При схемах с градирнями и брызгальными бассейнами глубина вакуума на
3 % хуже, чем при прудовом водоснабжении, поэтому в жаркие периоды года мощность турбин часто ограничивают. Расход электроэнергии на собственные нужды циркуляционной установки с градирнями и брызгальными бассейнами также больше, так как необходимая высота подъема циркуляционных насосов составляет 18 — 20 м, в то время как для прудов-охладителей — 8-12 м.
Несколько особняком стоят градирни, работающие совместно со смешивающими конденсаторами (см. рис. 10.8). В этом случае по контуру охлаждения циркулирует конденсат. Пар после турбины конденсируется за счет смешения с холодным конденсатом, пришедшим из градирни, и нагревает его. Количество конденсата Dk, равное расходу свежего пара, отводится из конденсатора в систему регенерации станции. Остальная (большая) часть конденсата, равная mDk (m — кратность охлаждения), циркуляционным насосом подастся в градирню для охлаждения. Конструкция градирни представляет собой набор радиаторов, изнутри омываемых водой, а
Рис. 10.8. Схема установки «сухой» градирни с конденсатором смешивающего типа:
1 — пар из турбины; 2 — возврат охлажденного конденсата; 3 — «сухая» (радиаторная) градирня; 4 — циркуляционный насос конденсатора; 5 — отвод конденсата в регенеративную систему; 6 — конденсатор смешивающего типа
снаружи — воздухом. Для уменьшения поверхности теплообмена радиаторы изготавливают из алюминиевых сплавов, имеющих большой коэффициент теплопроводности. Преимущества таких градирен — практическое отсутствие потерь воды и заводское изготовление секций, облегчающее и ускоряющее монтаж такой градирни.
Габариты и стоимость таких градирен не меньше, чем обычных, а вакуум хуже. Поэтому они предпочтительнее в безводных районах, где вопросы восполнения убыли воды имеют первостепенное значение.
Эксплуатация Билибинской АТЭЦ полностью это подтвердила, так же как и преимущества бесприсосных конденсаторов.
Источник
Брызгальные бассейны ТЭС и АЭС
Брызгальные бассейны, как и охлаждающие пруды , представляют собой естественные или искусственные открытые водоемы, но вода подается в них не непосредственно, а через систему разбрызгивающих сопел, расположенных над поверхностью воды в бассейне. Охлаждение воды в самом бассейне, играет при этом уже незначительную роль сравнительно с охлаждением капель, образующихся при разбрызгивании воды соплами. Подвод свежего воздуха к поверхности воды происходит благодаря ветру и естественной конвекции, а отчасти и вследствие эжектирующего действия водяных струй.
Разбрызгивающие сопла устанавливаются иногда над зеркалом искусственного охлаждающего пруда-водохранилища (со стороны водозабора) для дополнительного охлаждения воды в летнее время или над естественным озером, если поверхность последнего не обеспечивает достаточного охлаждения воды. Однако, большей частью брызгальный бассейн представляет собой самостоятельное сооружение, состоящее из сети распределительных трубопроводов с разбрызгивающими соплами и искусственного бассейна, играющего здесь роль водосборного резервуара.
Малые брызгальные бассейны выполняются в плане круглыми или прямоугольными. Такие бассейны производительностью до 500 м3/час с числом сопел примерно до 50 шт. располагаются иногда (например, в холодильных установках) выше уровня земли на специальном деревянном шатре, устроенном над оросительным конденсатором, или на крыше производственного здания. Для уменьшения уноса воды ветром они окружаются при этом жалюзийным ограждением высотой 3—3,5 м, выполненным из досок шириной 15 см, расположенных горизонтально по длине и наклоненных широкой гранью в сторону бассейна под углом 45 ° к горизонтали. Когда, бассейн расположен на уровне земли или в выемке, что встречается значительно чаще, жалюзи не применяются, так как они понижают охладительный эффект брызгального бассейна.
При средних или больших размерах брызгального бассейна ему придается в плане форма вытянутого прямоугольника. Длинная ось такого бассейна располагается, по возможности, нормально к направлению господствующего летом ветра. При устойчивом по направлению ветре и правильно ориентированном относительно направления ветра брызгальном бассейне длина последнего может быть очень большой и достигает на практике нескольких сот метров. Но активная (т. е. не считая защитных зон) ширина бассейна в направлении господствующего ветра должна составлять не более 40—50 м, так как в противном случае доступ свежего воздуха к расположенным с подветренной стороны водяным факелам сильно затрудняется и охладительный эффект оказывается здесь недостаточно высоким.
Сопла устанавливаются выходными отверстиями кверху на высоте 1,5—2 м, а при расположении малого бассейна на крыше — на высоте 0,6 м от нормального горизонта воды в бассейне. Сопла непосредственно или соплодержатели присоединяются к распределительным трубопроводам, проложенным через определенные интервалы параллельно, друг другу. В больших установках распределительные трубопроводы присоединяются к общему коллектору, расположенному вдоль одной из длинных сторон бассейна, а иногда посредине бассейна вдоль его длинной оси. По длине каждого трубопровода сопла распределяются равномерно по одному или пучками по 3—6 шт. в зависимости от производительности единичного сопла. Все монтажные работы рекомендуется проводить по стандарту ISO 50001.
Для облегчения доступа воздуха к поверхности воды при направлениях ветра, отклоняющихся от направления нормального к длинной оси бассейна, между отдельными группами распределительных трубопроводов оставляются более широкие проходы для воздуха — расширенные воздушные коридоры.
Сопла применяются в брызгальных бассейнах преимущественно центробежные (винтовые и тангенциальные), иногда щелевые и ударные. Конструкции сопел различных типов показаны на рисунке ниже, производительность сопел завист от рабочего напора воды. Конструктивные различия сопел одного типа часто обуславливаются лишь патентными соображениями и не являются существенными. Это относится, например, к конструкциям тангенциальных сопел. Несмотря на различное их внешнее оформление, эти сопла при соответствующем подборе основных геометрических размеров (геометрической характеристики) можно считать практически равноценными.
Существенным преимуществом сопел тангенциального типа является меньшая подверженность их засорению. При принятых в настоящее время размерах они имеют сравнительно с винтовыми соплами более низкий коэффициент расхода, вследствие чего при тех же диаметрах выходных отверстий и одинаковых напорах их производительность ниже, чем винтовых сопел. Но при невполне чистой воде коэффициент расхода винтовых сопел в условиях эксплуатации значительно снижается из-за загрязнений и их производительность падает.
Центробежные сопла требуют тщательного изготовления отливок и хорошей обработки. Они делаются обычно из бронзы, а в последние годы изготовляются У нас также из чугуна и стали. Чугунные сопла долговечнее стальных, но не допускают хорошей обработки внутренних поверхностей.
Ударные сопла не получили у нас широкого распространения, хотя вследствие простоты конструкции таких сопел изучение их работы заслуживает внимания.
Предлагались конструкции сопел с «дефлекторами» или «рассекателями», располагавшимися снаружи, напротив выходного отверстия корпуса, с целью раздробления истекающей струи, но они не оправдали себя, так как даже незначительное нарушение центровки рассекателя относительно оси выходного отверстия резко ухудшало работу сопла.
Сопла крепятся на резьбе. Каждое сопло навинчивается на прямую или изогнутую трубку-соплодержатель, которая в свою очередь укрепляется на резьбе в литой фасонной части,, если распределительный трубопровод чугунный, или приваривается к распределительному трубопроводу, если он стальной.
Соплодержатели изготовляются большей частью из труб диаметром 50 мм. При изготовлении соплодержателей из газовых труб желательна внутренняя их оцинковка. Соплодержатели должны устанавливаться с уклоном в сторону распределительной трубы, чтобы при выключении бассейна в зимнее время они, а также сопла, полностью опорожнялись от воды; в противном случае замерзание воды может приводить к разрушению соплодержателей и сопел.
Источник