Снижение ресурсоёмкости процесса охлаждения оборотной воды в градирнях

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Переход к рыночным отношениям породил новые тенденции в экономике промышленного производства. Это прежде всего изменения в структуре себестоимости продукции, в которой доля основных фондов и заработной платы начали уменьшаться, а затраты на энергию и сырьё - интенсивно расти. В этих условиях естественным является рост интереса к ресурсосберегающим технологиям, обеспечивающих экономию базовых ресурсов: воды, электроэнергии, минерального сырья и т.п.

Одним из наиболее важных принципов ресурсосбережения является создание замкнутой производственной системы, использование которого обеспечивает минимум потерь на различных стадиях технологического процесса.

Перспективным и широко используемым на практике в энергетике, металлургии, химической промышленности является создание оборотных и замкнутых систем водоснабжения. Оборотную воду используют в основном в теплообменной аппаратуре для отведения избыточного тепла. Она многократно нагревается до 40-45С и охлаждается в вентилируемых градирнях. Часть её теряется в результате капельного уноса и испарения. Поэтому, для пополнения потерь оборотной воды, добавляют свежую (подпиточную) воду из внешнего источника. Потеря воды из водоохладительных устройств (градирен) за счёт капельного уноса составляет, примерно, 0,5% от циркуляционного расхода и в системах водоснабжения эта цифра представляется малой величиной. В действительности, в абсолютных величинах, эти потери весьма существенны. В системах оборотного водоснабжения тепловых электростанций данный вид потерь равен приблизительно четвёртой части всех потерь воды. Так для тепловой электростанции мощностью 2400 МВт, циркуляционный расход которой равен 280000 м3/ч, потеря на вынос составляет 1400 м3/ч или 8,4 млн. м3 в год [1].

Для организации охлаждения воды с помощью подводимого к ней атмосферного воздуха в промышленности применяются водоохладительные сооружения следующих типов: открытые охладители (охлаждающие пруды, брызгальные бассейны), башенные охладители (капельные, пленочные и комбинированные градирни) и вентиляторные градирни.

Конструкции башенных и вентиляторных градирен за последние несколько десятилетий заметных изменений не претерпели. Лучшими показателями по абсолютным величинам, определяющим эффективность работы градирни, обладают вентиляторные градирни с пленочно-капельным оросителем и подачей жидкости через форсунки на ороситель сверху. Удельное орошение может доходить до 18-20 м3/м2час, и глубина охлаждения до 150С в летний период [2]. Но они значительно дороже градирен брызгального типа по капитальным и эксплуатационным затратам и требуют ежегодного проведения регламентных работ. Следом идут башенные градирни с оросителями, имеющие более низкие рабочие характеристики, но они существенно дешевле, особенно в эксплуатации. Это самый распространенный тип градирен в промышленности. Многие из них в настоящее время выработали свой срок службы и нуждаются в ремонте или модернизации. Строительство новых градирен данного типа в настоящее время маловероятно из-за их высокой ресурсоемкости.

Наиболее перспективным направлением в разработке новых конструкций водоохладителей в системе оборотного водоснабжения является переход к градирням без оросителей. Основными конструктивными элементами таких градирен являются форсунки или брызгала. Качество работы форсунки характеризуется величиной диаметра капель, получающихся в результате дробления жидкости при встрече с газовым потоком на выходе из сопел форсунок, и их однородностью по гранулометрическому составу. Чем меньше размер капель воды и чем меньше их разброс по диаметру, тем выше качество распыла, тем эффективнее работа градирни.

Другим важным фактором, обеспечивающим высокую эффективность работы градирни, является равномерность распределения капель жидкости по всему ее рабочему объему. Если изложенные выше требования к распылу и распределению жидкости выполнены, то можно будет ожидать получение максимального эффекта охлаждения. Конструкции устройств, разбрызгивающих и дробящих жидкость на капли, разнообразны и многочисленны: струйные, центробежные, ударно-струйные, центробежно-струйные, форсунки с соударением струй, комбинированные.

Работающая градирня выбрасывает в атмосферу воздух, нагретый до температуры 35-45С и насыщенный водяными парами с каплями воды размером 100-500 мкм в количестве 0,5-1 г на 1 м3 воздуха. С парами в атмосферу поступает примерно 95% тепла, отводимого от охлаждаемого оборудования, а оставшаяся часть тепла отводится в водоисточники с продувочной водой. Интенсивность теплового потока на выходе из градирни в зависимости от тепловой нагрузки может достигать 250-300 кВт/м2. Работающая градирня создает факел тумана (паровой факел), поднимающийся на высоту до 150-300 м и распространяющийся в направлении ветра на 2-10 км. Наличие парового факела является неотъемлемым признаком мокрых градирен, работающих по принципу испарительного охлаждения воды [2].

При работе на площадке большого количества мокрых градирен и определенном сочетании погодных условий группа факелов может формировать в районе предприятия местный микроклимат с повышенной влажностью атмосферного воздуха. Кроме того, при наличии в атмосферном воздухе газообразных примесей выходящая из градирни влага может с ними взаимодействовать и образовывать вредные для окружающей среды соединения кислотного характера [3, 5].

Зона выпадения капельной влаги на поверхности земли имеет форму эллипса с большой осью, проходящей через центр градирни в направлении ветра. Наибольшая интенсивность выпадения капель на поверхность земли в этой зоне находится на большой оси эллипса на расстоянии примерно двух-четырех высот градирни. Размер зоны зависит от высоты градирни, скорости ветра, степени турбулентности воздуха в приземном слое, концентрации и размера капель, температуры и влажности атмосферного воздуха.

Другой фактор вредного воздействия возникает в результате выброса капель оборотной воды в атмосферу, осаждения их на почву и на поверхность воды водных объектов. В каплях могут содержаться также ингибиторы коррозии, накипеобразования и химические реагенты для предотвращения биологических обрастаний, добавляемые в оборотную воду.

При использовании в системах оборотного водоснабжения неочищенных технологических вод (грязные циклы) примеси вредных веществ и токсичных ингибиторов коррозии могут повлиять на санитарно-гигиенические условия в зоне выброса и распространения водного аэрозоля, выносимого из градирен.

Основным гидродинамическим рабочим органом, осуществляющим дробление нагретой воды на капли, является брызгальная форсунка. Форсунки расположены в градирне в определенном порядке, как по высоте, так и в поперечном сечении градирни (на виде в плане) над воздуховодными окнами градирни.

В основном, распространены конструкции брызгальных форсунок центробежного и ударного типов, которые образуют объемные факелы капельных потоков. Величина капель, скорость, дальность их полета зависят от давления нагретой воды, подаваемой на форсунку, т.е. от производительности форсунки.

Все работы по совершенствованию форсунок направлены на увеличение суммарной площади поверхности охлаждения (уменьшение размеров капель) при одновременном уменьшении давления на входе в форсунку и увеличении ее пропускной способности. Одновременное решение этих задач позволяет улучшить глубину охлаждения оборотной воды при снижении затрат энергии, затрачиваемой на подачу воды к форсунке.

Как показали приведенные автором натурные исследования, уровень охлаждения циркуляционной воды зависит от совершенства конструкции форсунок. При разработке новых конструкций форсунок необходимо было соблюдать условия оптимизации капельного потока: верхний предел крупности капель порядка 1-2 мм (максимум 3 мм) в диаметре; нижний предел (по условиям выноса через каплеуловитель) не менее 0,5 мм в диаметре. До настоящего времени такое соотношение удавалось выполнить при малых соплах форсунок, высоких напорах воды и малых расходах 1, 6.

Однако при установке таких форсунок на градирню возрастают капитальные затраты на водораспределительную систему градирни (требуется установка большого количества форсунок) и, как следствие, эксплуатационные затраты (за счет увеличения гидравлических сопротивлений водораспределителей с многочисленными форсунками). Для решения этих проблем более рационально использовать форсунки с возможно большей производительностью. При этом наблюдается увеличение крупности капель и, как следствие, снижение охлаждающей способности факела.

Техническое решение. В этой связи возникла необходимость усовершенствовать центробежную форсунку для охлаждения жидкости. Разработана принципиально новая двухсопловая форсунка, в которой сопла расположены соосно друг другу, причем ось обеих сопел смещена относительно геометрической оси цилиндрической камеры форсунки. Такое техническое решение упрощает конструкцию, обеспечивает образование двустороннего факела разбрызгиваемой воды с регулируемым, управляемым его отклонением, что обеспечивает максимальную интенсивность охлаждения жидкости [7, 8].

Кроме приведенной выше, автором разработано еще несколько конструкций двусопловых форсунок, отличающихся наличием сопел разных диаметров и позволяющих регулировать расход воды по зонам градирни в зависимости от расположения форсунок; наличием эксцентрических колец, обеспечивающих создание равномерно видоизменяющегося по направлению и по форме факела разбрызгиваемой воды.

Сравнение двух башенных градирен с односопловыми и двусопловыми форсунками показало, что достоинствами новых двухсопловых форсунок с мелкой каплей при разбрызгивании нагретой воды в градирне является энергосберегающие свойства (однократность циклов охлаждения), большая глубина охлаждения за один цикл и меньшее паровыделение из башенной градирни при сравниваемых одинаковых величинах теплосъема на 3-5%.

Двухсопловая форсунка, благодаря возможности создания капельного потока оптимальных параметров, способна обеспечить требуемую глубину охлаждения оборотной воды при значительно меньших параметрах башенной градирни, а для вентиляторной градирни - даже при отключённом вентиляторе.

Конструктивное решение. Современное состояние систем оборотного водоснабжения предприятий энергетики, чёрной металлургии, химической промышленности крайне неудовлетворительно. Отсутствует дефицитная древесина, несвоевременно и некачественно проводятся капитально-восстановительные ремонты. В ряде случаев на металлургических заводах из-за неудовлетворительного состояния градирен создаются критические ситуации, связанные с угрозой нарушения основных технологических циклов. В этой связи возникла ситуация, когда реконструкция вентиляторных градирен с использованием разработанных двухсопловых форсунок во многих случаях решает проблему.

Модернизация вентиляторных градирен заключается в переводе градирни из оросительного в брызгальный режим работы без вентилятора (рисунок). В этом случае за счет снятия оросителя и каплеуловителя уменьшается аэродинамическое сопротивление градирни. При этом количество воздуха, поступающего в градирню за счет эжекции, вызванной движением капельного потока, достаточно для получения необходимых параметров охлаждения оборотной воды при плотностях орошения до 5,0 м3/м2час. Движение воздушного и капельного потоков из противоточного становится попутным.