Как пар охлаждает воду

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Системы охлаждения отработавшего пара на электростанциях

Приветствую всех энергетиков и не только! Хочу начать серию публикаций об энергетике, технологиях и практических реализациях инженерной мысли, обо всем том, что открылось мне по-новому после знакомства с энергетикой Китайской Народной республики.

Далеко не секрет, что промышленность Китая не стоит на месте, а планомерно и ударными темпами движется вперед. Развитие экономики страны и рост промышленности в первую очередь заставляет развиваться электроэнергетику. Так как любое промышленное производство невозможно без потребления электроэнергии, то, соответственно, увеличивается и количество вводимых в эксплуатацию тепловых электростанций. Китай давно для себя решил, что экономически выгодно строить энергоблоки большой мощности, преимущественно, более 600 МВт. Оно и понятно, здесь и меньшие удельные капитальные затраты на единицу мощности, да и технико-экономические показатели таких электростанций гораздо лучше, чем для энергоблоков меньшей мощности.

Строящиеся энергоблоки в Китае преимущественно работают на угле. Самый мощный энергоблок, работающий на угле имеет мощность 1000 МВт. Наиболее распространены типовые пылеугольные энергоблоки 660 МВт и 300 МВт.

Технические решения, взятые при проектировании энергоблоков, вобрали в себя все лучшие достижения промышленности. Высокий рост количества электростанций порождает требования к экологии, экономии водных и топливных ресурсов и земельных площадей, занятых под промышленное оборудование. Цикл Ренкина, заложенный в основу производства электроэнергии из пара, да и вообще любой другой цикл обязательно требует отвода отработавшего низкопотенциального тепла. Устройства, предназначенные для отвода тепла отработавшего пара, называются конденсаторами. Конденсационная установка играет огромную роль в экономичности преобразования энергии пара в электроэнергию. От режима работы конденсатора зависит с какой эффективностью единица перегретого пара преобразуется в электроэнергию, а также какое количество электроэнергии получится на выходе.

Система охлаждения конденсатора является одной из самых крупных объектов на электростанции, поэтому при строительстве очень важно выбрать оптимальный вариант системы, выбирая между стоимость эксплуатации, капитальными вложениями и эффективностью паротурбинного цикла.

Рассмотрим какие существую виды систем охлаждения конденсатора

1. Системы водяного охлаждения конденсатора:
   • Оборотная система охлаждения с прудом-охладителем
   • Прямоточная система охлаждения
2. Системы воздушного охлаждения конденсатора
   • Система непосредственного воздушного охлаждения
   • Система косвенного воздушного охлаждения с промежуточным теплоносителем
     • С брызгальным бассейном
     • С градирнями мокрого типа (с принудительной и естественной вентиляцией)
     • С градирнями сухого типа (с принудительной и естественной вентиляцией)
     • С градирнями мокро-сухого типа

Системы оборотного и прямоточного охлаждения (их еще называют системы водоснабжения) нашли широкое применение в России. Основной принцип работы данных систем заключается в том, что охлаждение и конденсация отработавшего пара в них осуществляется в поверхностных конденсаторах путем нагрева циркуляционной воды. Разделение на оборотные и прямоточные системы зависит от типа источника водоснабжения охлаждающей воды. В оборотных системах источником является пруд-охладитель, в прямоточных — русло реки.

Система непосредственного воздушного охлаждения

Итак, представляю систему непосредственного воздушного охлаждения

1. Котел; 2. Пароперегреватель; 3. Турбина; 4. Конденсатор с воздушным охлаждением; 5. Конденсатный насос; 6. Установка тонкой очистки конденсата; 7. Конденсатный насос 2-го подъема; 8. Подогреватель низкого давления (ПНД); 9. Деаэратор; 10. Питательный насос; 11. Подогреватель высокого давления (ПВД); 12. Выхлопной патрубок турбины; 13. Осевой вентилятор охлаждения; 14. Вертикальный электродвигатель; 15. Бак конденсата; 16. Железоотделитель; 17. Генератор

Особенность данной системы является то, что конденсатор турбины вынесен за пределы машинного отделения. Подвод отработавшего пара к конденсатору осуществляется коллектором большого диаметра (одним или двумя), например таким (показан коллектор с нижним распределением потока):

Отработавший пар турбины через выхлопной патрубок и коллектор большого диаметра подается к вынесенному конденсатору с воздушным охлаждением. При помощи осевых вентиляторов поток охлаждающего воздуха охлаждает наружную поверхность конденсатора, отработанный пар конденсируется в воду и под действием силы тяжести собирается в конденсатосборнике, откуда с помощью конденсатных насосов подается обратно в тепловую схему паровой турбины.

Общий вид воздушного конденсатора представлен ниже:

Системы непосредственного воздушного охлаждения получили широкое распространение в Китае для энергоблоков 300, 600, 1000 МВт.

Примеры воплощения в жизнь инженерной мысли

Первое использование в Китае системы воздушного охлаждения выполнено на Улашанской ТЭС во Внутренней Монголии с установкой двух энергоблоков единичной мощностью 300 МВт. Введена в эксплуатацию в 2006-ом году.

Первый энергоблок 600 МВт в КНР — Тунляоская ТЭС мощностью 1×600 МВт (с двумя коллекторами отработавшего пара). Введена в эксплуатацию в июле 2008 г.

Первый в мире крупный энергоблок 1000 МВт с системой непосредственного воздушного охлаждения — Линуйская ТЭС мощностью 2×1000 МВт. Введена в эксплуатацию 28.12.2010г.

Системы косвенного воздушного охлаждения с промежуточным теплоносителем

В данных системах для охлаждения отработавшего пара используется промежуточный теплоноситель. В роли промежуточного теплоносителя может выступать циркуляционная вода или основной конденсат.
В случае использования циркуляционной воды, конструкция конденсатора является традиционной — трубчатый теплообменник поверхностного типа, в котором пар конденсируется на поверхности горизонтальных труб, а выделяемое тепло конденсации пара, путем теплообмена через стенку трубок, передается охлаждающей воде. Принципиальная схема системы косвенного воздушного охлаждения представлена ниже:

При использовании основного конденсата в качестве промежуточного теплоносителя конденсатор турбины имеет конструкцию, аналогичную смешивающему теплообменнику. В данном случае при помощи циркуляционных насосов основной конденсат из специальной емкости непрерывно перекачивается через сухую градирню и подается обратно в конденсатор, где разбивается на мелкие струи, на которых происходит конденсация отработавшего пара и перемешивание образующегося конденсата с охлажденной водой. Принципиальная схема системы охлаждения со смешивающим конденсатором представлена ниже:

Промежуточный теплоноситель в системах косвенного воздушного охлаждения охлаждается преимущественно в градирнях. Башенная градирня представляет собой конструкцию в виде усеченного конуса большой высоты. Данная конструкция позволяет снизить или вообще исключить необходимость установки вентиляторных установок для принудительной вентиляции воздуха, за счет явления, называемого естественной тягой. Естественная тяга возникает за счет разности давлений между входом и выходом воздуха, которые располагаются на разной высоте. Разность давлений образуется за счет того, что поступающий воздух имеет более холодную температуру, а следовательно и плотность, чем выходящий воздух. Если представить градирню в виде сообщающихся сосудов, на подобии U-образника, в одном колене которого находится холодный наружный воздух, а в другом подогретый воздух внутри градирни и высота равна высоте градирни, то столб холодного воздуха будет тяжелее столба теплого воздуха. За счет вышеуказанной разности весов и образуется естественная тяга.

Градирни в зависимости от способа охлаждения подразделяются:

• Мокрые градирни
• Сухие градирни
• Мокро-сухие комбинированные градирни

Мокрые градирни

Мокрые градирни получили широкое распространение среди энергоблоков в России. Принцип охлаждения заключается в распылении охлаждающей воды, поднятой на определенную высоту и продувкой образующихся струй воздухом. Распыленная вода в конечном итоге собирается в бассейне и подается насосом обратно в конденсатор. Охлаждение воды в мокрых градирнях достигается в основном за счет испарения воды и конвективного теплообмена. Мокрые градирни используются только для охлаждения промежуточного теплоносителя с поверхностным конденсатором турбины. Данное ограничение связано с предельным содержанием кислорода в основном конденсате, которое не должно превышать 20 мкг/л, а так как при обтекании воздухом охлаждающая вода неизбежно насыщается кислородом, да еще и вдобавок пылью из воздуха, то использование контактного смешивающего конденсатора исключено.

Брызгальный бассейн

Брызгальные бассейны, работают по тому же принципу что и градирни. Отличие только в способе подачи воздуха. В данном случае воздух неподвижен или движется с дуновением ветра.

Сухие градирни

Сухие градирни получили свое название за то, что в них не используется прямой контакт охлаждающей воды с воздухом. Таким образом, теплообмен в градирнях такого типа происходит через стенку оребренных труб, внутри которых протекает охлаждаемая среда. Сухие градирни бывают башенной конструкции и W-образной конструкции с принудительной вентиляцией. В роли охлаждаемой среды может выступать как циркуляционная вода систем охлаждения с поверхностным конденсатором, так и основной конденсат в системах со смешивающим конденсатором.

На рисунках ниже показан общий вид сухой градирни с вертикальными охлаждающими элементами в основании башни.

Сухая градирня с горизонтальными охлаждающими элементами

Сухая градирня с W-образными охлаждающими элементами (вентиляторная градирня)

Источник

Охлаждение испарением – как это работает

А. Михненко

Чтобы понять, как работают испарительные охладители, нужно вспомнить о свойствах тепла, воздуха и водяного пара. Наиболее распространенный тип испарительного охладителя – устройства прямого действия, в которых горячий наружный воздух охлаждается внутри машины, нагнетается в здание и затем снова выпускается наружу. Устройства других типов – это машины непрямого действия и «промывные камеры» («мокрые кондиционеры» или «установки с камерой орошения»). В этой статье мы остановимся только на испарительных охладителях прямого типа

Теплота скрытая и явная

Теплота находится в двух формах – явная (или ощутимая) теплота и скрытая теплота (фазового превращения), которая не может быть обнаружена прямо с помощью термометра.

Количество теплоты, которое нужно затратить для испарения воды и перевода ее из жидкого состояния в газовую фазу (в водяной пар) называется «скрытой теплотой испарения». По мере того, как жидкая вода изменяет свое состояние и превращается в газ, ею поглощается тепло из окружающей среды. Ее температура при этом не меняется, а количество тепла или энергии, которая абсорбируется в процессе фазового перехода, затрачивается на изменение молекулярной структуры жидкой воды и превращение ее в пар. Охлаждение испарением возможно только из-за этого природного явления – наличия «скрытой» теплоты.

Всякий раз, когда вещество изменяет свое состояние из твердого состояния в жидкое (лед превращается в воду) и из жидкости в газ (вода превращается в пар), происходит поглощение тепла из окружающей среды. Это означает, что окружающий воздух, твердые предметы и жидкости становятся холоднее, поскольку они отдают свое тепло в процессе плавления или испарения.

Все тепло – это сумма скрытой и явной (физически ощутимой) теплоты.

Полное испарение одного литра воды поглощает около 2000 кДж тепловой энергии, и это происходит без какого-либо видимого внешнего источника энергии за счет скрытой теплоты.

Именно поэтому испарительные кондиционеры используют для работы очень небольшое количество электрической энергии – только то, что требуется для привода воздушного вентилятора и насоса орошения теплообменника.

Процесс охлаждения воздуха испарением

В машинах прямого охлаждения воздуха испарением процесс теплообмена инициируется с помощью водяного насоса, который подает воду для орошения специального трубчатого, ячеистого или пористого теплообменника, и вентилятора, заставляющего горячий наружный воздух пройти через отверстия в этих теплообменных панелях. Насос и привод вентилятора способствуют и ускоряют естественный процесс теплообмена.

Рис. 1. Принцип работы охладителя испарением.

Во время процесса охлаждения часть теплосодержания воздуха (явная теплота) превращается в скрытую теплоту, когда вода в испарительном охладителе воздуха превращается в водяной пар, отбирая тепло от горячего наружного воздуха.

Соотношение скрытой и явной теплоты наружного воздуха меняется при этом примерно с 1/3 на 2/3, см. рис. 2. Холодный воздух затем закачивается в здание, он вентилирует помещение и потом удаляется наружу (как правило – без рекуперации).

Рис. 2. Соотношение скрытой и явной теплоты в процессе охлаждения испарением и показания влажного и сухого термометров психрометра

Охладитель испарением несколько увеличивает абсолютную влажность воздуха. При понижении температуры к тому же увеличивается и относительная влажность воздуха, подаваемого внутрь здания. Однако, для комфортного микроклимата внутри помещения важно именно сочетание температуры и влажности. И испарительные охладители его обеспечивают. Например, поток воздуха при температуре 36°C и относительной влажности 30% проходит с отрегулированной скоростью через фильтры-теплообменники, при этом температура воздуха снижается до 26°C, а уровень относительной влажности повышается до комфортного значения 70%.

Суточное изменение влажности

Как видно из приведенного графика на рис. 3, температура и влажность воздуха обратно пропорциональны: в то время суток, когда температура выше, относительная влажность ниже, а абсолютная влажность (массовое количество водяного пара в воздухе) меняется в течение суток незначительно и остается примерно одинаковой. Например, при абсолютной влажности (влагосодержании) 0.015 кг в 1 кг воздуха при 36°C относительная влажность составит 40%, а при снижении температуры до 25°C относительная влажность составит 75%. Поэтому технологии охлаждения испарением эффективны именно в летнюю жару, они работают лучше, когда температура высока.

Рис. 3. Изменение среднесуточной температуры и относительной влажности летом в умеренном климате

Существует мнение, что охлаждение испарительного типа эффективно только в районах с очень сухим климатом, в то время как уровень влажности в большинстве европейских стран в среднем достаточно высок.

Однако даже в климатических условиях, которые обычно считаются влажными, сочетание температуры и влажности в середине дня будет попрежнему оставлять возможность для эффективного охлаждения испарением при минимуме затрат на энергию. Современные системы охлаждения испарением рассчитаны для работы в наших климатических условиях.

Дополнительные бонусы

Помимо высоких показателей энергосбережения – по сравнению с обычными системами компрессорного охлаждения воздуха, системы охлаждения испарением потребляют в 5 – 10 раз меньше электроэнергии – по сути, испарительные охладители выполняют функцию мощной системы приточной вентиляции. При этом потребление энергии составляет всего десятки ватт на десяток тысяч кубометров в час очищенного и охлажденного воздуха.

Кроме того, встречаясь с поперечным потоком воды, воздух эффективно очищается от взвесей твердых частиц, пыли (с размером частиц более 10 мкм) и освобождается от вредных газов, в том числе выхлопных газов автотранспорта или смога от горящих торфяников, прочих токсичных аэрозолей, которые растворяются в воде. Охладители испарением удаляют даже неприятные запахи, включая запах плесени и дыма, буквально «смывают» с потока воздуха бактериологические загрязнители и аллергены – бактерии, споры грибков, пыльца растений.

Теплообменные панели (они же – фильтры для воздуха) в системах охлаждения испарением обладают эффектом самоочищения. Частицы загрязнений (контаминанты) все время удаляются свежей водой, подаваемой водяным насосом к водораспределителю. Продвинутые системы охлаждения испарением имеют внутреннюю систему водоочистки и требуют лишь периодического пополнения воды из внешнего трубопровода.

Тем не менее, для увеличения срока службы такие системы нуждаются в «мягкой» обессоленной воде. Поскольку испаряются только молекулы воды, на теплообменниках могут оседать малорастворимые соли. Чтобы избежать ухудшения эффективности теплообмена, гидросистемы испарителей оборудуются устройствами удаления солей или используют внешнюю воду с нормированным содержанием минеральных веществ, автоматически управляя качеством циркулирующей воды. Сервисное обслуживание охладителей испарением очень простое и фактически заключается в очистке водяного резервуара от скапливаемой грязи и очистке фильтров примерно один раз в 2 года.

Монтаж испарительных охладителей не представляет особых трудностей. Нужно лишь обеспечить подвод электропитания и воды, например, гибким трубопроводом, и подсоединить охладитель рукавом к каналу приточной вентиляции.

Комфортный микроклимат – это выгодно!

Изнурительная летняя жара с температурой 32 – 36°C типична для Украины уже в течение десятка лет. Это непосредственно сказывается на производительности труда. Например, в NASA (США) выяснили, что повышение температуры на 1°C свыше 22°C снижает производительность труда работающих на 3,6%, а при температуре 32°C она уменьшается в целом на 36%. Те же исследования NASA доказали, что при 32°C вероятность допущения ошибок работниками в три раза больше, чем при нормальной температуре 20°C. По действующим ныне в Украине правилам охраны труда после одного часа работы в помещении с температурой 32°C и выше нужно устраивать перерыв на 1 час в помещении с нормальной температурой. Кроме того, очищенный от загрязнений, бактерий, грибковых спор и аллергенов увлажненный приточный воздух снизит заболеваемость среди работников, что прямо скажется на прибыльности производства.

Экономичная воздухоподготовка при малых капитальных и эксплуатационных затратах, обеспечиваемая испарительными охладителями, позволяет в летнее время увеличить производительность труда более чем на треть!

По материалам ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm. Підписуйтесь!

Источник