Расчет температуры воды в водохранилище-охладителе ТЭС

В настоящее время в России более 82% электроэнергии вырабатывается на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях.

В системе этих электростанций часто предусматривается оборотное водоснабжение с использованием охладителей в виде градирен, брызгальных бассейнов или водохранилищ. Предпочтение обычно отдают водохранилищам, так как с их применением достигается более значительное понижение температуры воды, экономия электроэнергии на ее перекачку, комплексное использование водоемов (рыбоводство, орошение и т.д.) при невысоких капитальных затратах на их сооружение.

Схема взаимодействия отдельных блоков энергетического оборудования ТЭС следующая (рис.1.2). Ископаемое топливо подается в топку парогенератора. В процессе его сгорания в парогенераторе образуется пар, который поступает в турбоагрегат для выработки в электрогенераторе электроэнергии. После охлаждения в конденсаторе отработанного турбоагрегате пара его направляют в парогенератор для повторного использования. Для охлаждения пара в конденсаторе применяется вода, которая подается из водохранилища-охладителя с температурой tз (температура воды на водозаборе). Пройдя конденсатор, вода приобретает теплоту пара и выходит из него с температурой tс (температура воды на водосбросе в водохранилище-охладитель). Количество воды, требующееся для охлаждения пара в конденсаторе современных мощных ТЭС и АЭС, достигает порядка 100-150 м 3 /с.

Рис.1.2 Принципиальная схема ТЭС [8]

tс - температура воды, сбрасываемой водохранилище; tз - температура воды, забираемой из водохранилища.

В практике эксплуатации ТЭС и АЭС иногда используют прямоточную систему водоснабжения. При этой системе вода, забираемая из реки для охлаждения пара в конденсаторе, сбрасывается в нее же только ниже по течению. Следовательно, эта вода повторно не используется. В этом случае происходит существенное тепловое загрязнение реки, так как вода сбрасывается с повышенной температурой. По этой причине применение прямоточного водоснабжения ограниченно.

При проектировании системы технического водоснабжения ТЭС и АЭС с водохранилищами-охладителями необходимо выполнять их тепловой расчет, в результате которого должно быть установлено соответствие охлаждающей способности водоема той тепловой нагрузке, которая обусловливается работой электростанции.

Тепловая нагрузка водохранилища-охладителя - это количество теплоты, поступающее с электростанции в водохранилище и приходящееся на единицу площади его поверхности.

Обычно при проектировании необходимо определить:

• 1) предельную мощность электростанции, которая может быть обеспечена имеющимся водохранилищем-охладителем;
• 2) необходимую площадь водохранилища-охладителя, отвечающую заданной мощности электростанции.

Тепловая электростанция будет работать нормально, если температура воды, забираемой из водохранилища tз, не будет превышать заданную (примерно 33-35°С), а перепад температуры ?t между сбрасываемой и забираемой водой (предусмотренный технологией выработки электроэнергии) составит не менее 8°С. Чтобы охладить воду на ?t, необходимо иметь соответствующую площадь водохранилища Щ, с которой происходит теплоотдача в атмосферу, обусловливающая это охлаждение. Размеры указанной площади определяются расчетным путем.

термический режим водоток гидроузел

Рис.1.3 Схема водохранилища-охладителя [8]

1 - водосброс, 2 - водозабор, 3 - транзитный поток, 4 - водоворот, 5 - тупиковая зона, 6 - плотина.

В водохранилищах-охладителях различают циркуляционный (транзитный) поток, водоворотные и тупиковые области (рис.1.3). Основную роль в охлаждении воды играет транзитный поток. Роль водоворотных и тупиковых областей менее значимая, она учитывается коэффициентом эффективности водохранилища-охладителя Kэф.

Метод расчета водохранилища-охладителя был предложен в 1929 г. Н.М. Бернадским и почти без изменений рекомендуется в настоящее время специальными методическими указаниями [23]. Он предусматривает решение двух задач - гидравлической и теплотехнической. Первая задача сводится к расчету транзитного потока и определению активной площади водохранилища (площади, которая принимает участие в охлаждении воды):

С помощью второй задачи оценивается температура воды на водозаборе - tз. В этой части расчета активная площадь является одним из основных факторов, определяющих охлаждение воды в водохранилище и, соответственно, tз. Расчет температуры осуществляется по уравнению теплового баланса для установившегося режима водоема (1.3) в следующем виде:

где dщ = bdx - приращение площади транзитного потока, b - ширина транзитного потока, Qц - циркуляционный расход воды.

Теплотехнический расчет водохранилища-охладителя заключается в оценке температуры забираемой воды в период самого жаркого времени года (самого тяжелого периода для работы ТЭС). Поэтому при расчете теплоотдачи в атмосферу в уравнении (1.9) необходимо использовать экстремальные значения солнечной радиации и метеорологических условий в районе расположения водохранилища-охладителя.

Рис.1.4 Кривая падения температуры воды вдоль активной зоны водохранилища-охладителя [8]

tе - температура воды естественного водоема.

Перепишем уравнение (1.9) в виде

Проинтегрировав эту зависимость, получим

где щуд - удельная площадь активной зоны водохранилища.

Уравнение (1.11) можно представить в виде кривой падения температуры в координатах щуд и t (рис.1.4), построенной способом, изложенным в Практическом занятии №6 (1-й час) при рассмотрении уравнения (1.3). С помощью указанной кривой можно оценить удельную площадь активной зоны водохранилища при заданной температуре воды на сбросе (tс) и водозаборе (tз), а также решить обратную задачу - при заданном перепаде ?t и удельной площади щуд найти температуру воды tс и tз.

Изложенный метод не применим для расчета охлаждения воды в глубоких водоемах, так как в них нет полного перемешивания воды по глубине потока, являющегося одним из условий применения метода. Гидравлические и гидротермические процессы, происходящие в таких водоемах, относятся к весьма сложным вопросам гидромеханики.