Оборотное водоснабжение

Содержание статьи

Что такое оборотное водоснабжение

Оборотное водоснабжение – это система обеспечения водой нужд производственного предприятия, при которой использованная вода после соответствующей подготовки подаётся повторно. Оборотное водоснабжение или водооборотный цикл представляет собой замкнутую систему, состоящую из различного технологического оборудования, соединённого трубопроводами.

Вода достаточно дорогой ресурс, её доставка на предприятие также требует определённых затрат. Поэтому для экономии средств предприятия имеет смысл использовать воду повторно. После использования и прохождение через оборудование вода, как правило, меняет свои свойства, может загрязняется продуктами производства. Сброс такой воды негативно влияет на окружающую среду, что в свою очередь может повлечь санкции со стороны контролирующих органов в области экологии.

Использование системы оборотного водоснабжения

Чаще всего вода используется как теплоноситель для нагрева или охлаждения оборудования. Также оборотное водоснабжение используется в гальванике, в горнодобывающей промышленности, ТЭЦ, в пищевом производстве и др.

Как указывалось выше, после прохождения воды через оборудование, она, как правило, загрязняется продуктами производства, поэтому перед повторным использование воду необходимо подготовить (произвести водоподготовку). В зависимости от характера загрязнений используют различные способы водоподготовки — отстаивание, фильтрация, добавление реагентов, охлаждение, продувка.

Фильтрация используется для очистки воды от механических загрязнений. Очень часто используется боковая фильтрация, когда фильтруется не весь поток воды, а его часть, при этом поддерживается допустимая концентрация примесей. В случае выхода из строя фильтра такая система позволяет какое-то время продолжать рабочий процесс, до замены фильтрующего элемента. Также для механической очистки воды применяются резервуары-отстойники.

Для очистки воды от растворённых примесей используется химическая очистка воды. Так, для декарбонизации жёсткой воды во избежание соляных отложений используют различные кислоты, для уменьшения коррозии трубопроводов и оборудования добавляют ингибиторы коррозии. Если вода подвергается аэрации и в ней содержится большое количество биологических веществ, то оборудование и трубопроводы могут быть подвержены биологическим обрастаниям. Для предотвращения этого воду хлорируют.

Также для снижения концентрации растворённых загрязнений применяют продувку. Продувка — это добавление в систему оборотного водоснабжения чистой воды. В зависимости от технологических процессов, например, при гальванике воду очищают выпариванием и осмосом.

Во время технологического процесса часть воды может теряться в результате испарений и капельного уноса; для компенсации этих потерь в схеме оборотного водоснабжения предусматривается подпитка.

Все перечисленные способы водоподготовки направлены на достижения воды нужного качества. Таким образом, система оборотного водоснабжения позволяет поддерживать длительное время состав циркулирующей воды.

Оборотная система водоснабжения градирни

Относительные эксплуатационные затраты, %

Градирня представляет собой сооружение для охлаждения воды в оборотных системах водоснабжения.

Применение охлажденной воды в энергетике и промышленности связано с конденсацией отработавшего пара после расширения его в паровых двигателях, с конденсацией и охлаждением газообразного и жидкого продукта химического производства, с охлаждением оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под влиянием высоких температур (например, цилиндров компрессоров, кладки производственных печей) и т.п.

В зависимости от назначения охлажденной воды требования, предъявляемые к температуре этой воды, могут сильно различаться. Эти требования диктуются условиями производственных процессов, экономичностью и надежностью работы установок. Они определяются, как правило, технологией производства.

Охлаждение воды в градирнях осуществляется путем передачи тепла атмосферному воздуху за счет поверхностного испарения воды и теплоотдачи соприкосновением (теплопроводность и конвекция). В течение большей части года преобладающую роль играет поверхностное испарение. Летом в жару на испарение приходится до 90% и более тепла, отдаваемого водой. Зимой возрастает теплоотдача соприкосновением до 50%, а в наиболее холодный период и до 70%.

Движущей силой процесса испарения воды в градирне является разность парциальных давлений пара у поверхности воды и в ядре воздушного потока. При теплоотдаче соприкосновением такой движущей силой является разность температур воды и воздуха.

В настоящее время градирни в основном применяются в системах оборотного водоснабжения для охлаждения теплообменных аппаратов (как правило, на тепловых электростанциях, ТЭЦ). В гражданском строительстве градирни используются при кондиционировании воздуха, например, для охлаждения конденсаторов холодильных установок, охлаждения аварийных электрогенераторов. В промышленности градирни используются для охлаждения холодильных машин, машин-формовщиков пластических масс, при химической очистке веществ.

2. Классификация градирен

испарительные, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется в основном за счет испарения;

радиаторные, или сухие, в которых передача тепла от воды воздуху осуществляется через стенку радиаторов за счет теплопроводности и конвекции;

смешанные, в которых используется передача тепла за счет испарения, теплопроводности и конвекции.

Теоретическим пределом охлаждения воды в испарительных градирнях является температура атмосферного воздуха по смоченному термометру, которая может быть ниже температуры по сухому термометру на несколько градусов.Теоретическим пределом охлаждения воды в радиаторных градирнях является температура атмосферного воздуха по сухому термометру.

В комбинированных радиаторно-испарительных градирнях, так же как и в сухих, охлаждение воды происходит через стенки радиаторов, орошаемые снаружи водой. Отдача тепла водой, протекающей через радиаторы к воздуху, осуществляется за счет теплопроводности через стенки и испарения орошающей воды. Указанные градирни получили меньшее распространение, чем испарительные и радиаторные из-за неудобств при эксплуатации.

По способу создания тяги воздуха градирни разделяются на:

вентиляторные, через которые воздух прокачивается нагнетательными или отсасывающими вентиляторами;

башенные, в которых тяга воздуха создается высокой вытяжной башней;

открытые, или атмосферные, в которых для протока воздуха через них используются естественные токи воздуха — ветер и отчасти естественная конвекция.

В зависимости от конструкции оросительного устройства и способа, которым достигается увеличение поверхности соприкосновения воды с воздухом, градирни подразделяются напленочные, капельные и брызгальные.

Каждый из указанных видов градирен может иметь разнообразные конструкции отдельных элементов оросительного устройства, отличаться их размерами, расстояниями между ними и может быть выполнен из различных материалов.

Выбор типа градирен следует производить по технологическим расчетам с учетом заданных в проекте расходов воды и количества тепла, отнимаемого от продуктов, аппаратов и охлаждаемого оборудования, температур охлаждаемой воды и требований к устойчивости охладительного эффекта, метеорологических параметров, инженерно-геологических и гидрологических условий площадки строительства градирни, условий размещения охладителя на площадке предприятия, характера застройки окружающей территории и транспортных путей, химического состава добавочной и оборотной воды и санитарно-гигиенических требований к нему, технико-экономических показателей процесса строительства этих сооружений.

3. Основные типы градирен

расчетных расходов воды;

расчетной температуры охлажденной воды, перепада температур воды в системе и требований технологического процесса к устойчивости охладительного эффекта;

режима работы охладителя (постоянный или периодический);

расчетных метеорологических параметров;

условий размещения охладителя на площадке предприятия, характера застройки окружающей территории, допустимого уровня шума, влияния уноса ветром капель воды из охладителей на окружающую среду;

химического состава добавочной и оборотной воды и др.

Градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

При необходимости сокращения объемов строительных работ, маневренного регулирования температуры охлажденной воды, автоматизации для поддержания заданной температуры охлажденной воды или охлаждаемого продукта следует применять вентиляторные градирни.

В районах с ограниченными водными ресурсами, а также для предотвращения загрязнения оборотной воды токсичными веществами и защиты окружающей среды от их воздействия следует рассматривать возможность применения радиаторных (сухих) градирен или смешанных (сухих и вентиляторных) градирен.

3.1 Вентиляторные градирни

Вентиляторные градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды, при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках, при необходимости сокращения объема строительных работ, маневренного регулирования температуры охлажденной воды средствами автоматизации.

Технологическая схема вентиляторной градирни включает в себя следующие основные элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом, водораспределительное устройство, ороситель, водоуловитель, водосборный бассейн и вентиляторную установку.

Черт. 1. Схема вентиляторной противоточной градирни

1 — диффузор;
2 — вентилятор;
3 — водоуловитель;
4 — водораспределительная система;
5 — оросительное устройство;
6 — воздухонаправляющий козырек;
7 — воздуховходные окна;
8 — воздухораспределительное пространство;
9 — переливной водовод;
10 — грязевой водовод;
11 — водосборный бассейн;
12 — ветровая перегородка;
13 — отводящий водовод;
14 — подводящий водовод

3.2 Башенные градирни

Башенные градирни надлежит применять в системах оборотного водоснабжения, требующих устойчивого и глубокого охлаждения воды при высоких удельных гидравлических и тепловых нагрузках.

Башенные градирни могут быть испарительными, радиаторными, или сухими и смешанными — испарительно-сухими. К испарительно-сухим относятся сухие градирни, в которых для увеличения глубины охлаждения осуществляется набрызг воды (как правило, обессоленной) на радиаторы.

Башенные градирни разрабатываются, как правило, испарительные и с противоточной схемой движения воды и воздуха.

Основные технологические элементы — водораспределительное устройство, ороситель, водосборный бассейн, водоуловитель и воздухорегулирующее устройство — в башенных градирнях выполняют те же функции, что и в вентиляторных, и часто могут быть сходными по конструктивному оформлению.

Черт. 2. Башенная противоточная градирня

1 — вытяжная башня;
2 — водоуловитель;;
3 — водораспределительная система;
4 — оросительное устройство;
5 — воздухорегулирующее устройство;
6 — водосборный бассейн

3.3 Открытые градирни

Открытые градирни — капельные и брызгальные — предназначаются преимущественно для систем с расходом оборотной воды от 10 до 500 м 3 /ч, обслуживающих водопотребителей II и III категорий согласно СНиП 2.04.02-84. На черт. 3 приведена схема открытой капельной градирни площадью в плане 2´ 4 м.

Градирни характеризуются высоким охладительным эффектом без затраты электроэнергии на подачу воздуха, простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремонта. Однако применение их ограничивается возможностью размещения на незастроенной площадке, сильно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения температуры охлаждаемой воды в период штиля.

Схема открытой капельной градирни

1 — водораспределительная система;
2 — оросительное устройство;
3 — воздухонаправляющие жалюзи;
4 — переливной водовод;
5 — грязевой водовод;
6 — отводящий водовод

3.4 Радиаторные градирни

Радиаторные градирни или аппараты воздушного охлаждения воды (АВО), иногда называемые сухими градирнями, состоят из элементов: радиаторов из оребренных медных, алюминиевых, углеродистых, нержавеющих или латунных труб, по которым протекает охлаждаемая вода; осевых вентиляторов, прокачивающих атмосферный воздух через радиаторы; воздухоподводящих патрубков, обеспечивающих плавный подвод воздуха к вентилятору, и опорных конструкций.

Радиаторные градирни следует применять:

• при необходимости иметь закрытый, изолированный от атмосферного воздуха контур циркуляции воды в системе оборотного водоснабжения;
• при высоких температурах нагрева оборотной воды в теплообменных технологических аппаратах, не допускающих ее охлаждения в градирнях испарительного типа;
• при отсутствии или серьезных затруднениях в получении свежей воды на пополнение потерь в оборотных циклах.

Черт. 4. Схема радиаторной градирни

1 — секции оребренных труб; 2 — вентилятор 2ВГ 70

Для предупреждения замерзания воды в трубках радиаторов и их повреждения требуется устройство емкостей для спуска воды из системы при аварийных ситуациях в зимнее время или заполнение системы низкозамерзающими жидкостями (антифризами).

В циркуляционных системах с радиаторными градирнями практически отсутствуют безвозвратные потери на испарение и вынос.

4. Обслуживание и эксплуатация градирен

Размещение охладителей на площадках предприятий необходимо предусматривать из условий обеспечения свободного доступа к ним воздуха, а также наименьшей протяженности трубопроводов и каналов. При этом надлежит учитывать направления зимних ветров для исключения обмерзания зданий и сооружений (для градирен и брызгальных бассейнов).

При расположении градирен на площадке предприятия следует обеспечивать беспрепятственный доступ атмосферного воздуха к ним и благоприятные условия для отвода увлажненного воздуха, выбрасываемого из градирен. По этим соображениям не рекомендуется группу градирен располагать в окружении высоких зданий или на близком расстоянии от них. Расстояние должно быть свыше полуторной высоты зданий. При этом необходимо учитывать розу ветров и направление зимних ветров для предупреждения увлажнения и обмерзания зданий и сооружений возле градирен.

Для предотвращения обледенения градирен в зимнее время необходимо предусматривать возможность повышения тепловой и гидравлической нагрузок за счет отключения части секций или градирен, уменьшения подачи холодного воздуха в ороситель.

По условиям предотвращения разрушения конструкционных материалов (бетона и древесины) температура воды, поступающей на градирни, не должна, как правило, превышать 60 °С. При температуре поступающей воды выше 60 °С следует применять защитные покрытия конструкций или термоустойчивые материалы.

По условиям надежности, удобства и экономичности эксплуатации рекомендуется от 2 до 12 секций или градирен в одном оборотном цикле водоснабжения. Если по технологическим расчетам число секций или градирен составляет более 12 или менее 2, следует выбрать другой типоразмер градирен.

Для качественной работы градирни необходимо проводить ряд мероприятий, связанных с подготовкой воды. В частности, оборотная вода не должна вызывать коррозии труб, оборудования и теплообменных аппаратов, биологических обрастаний, выпадения взвесей и солевых отложений на поверхностях теплообмена.

Для обеспечения указанных требований надлежит предусматривать соответствующую очистку и обработку добавочной и оборотной воды.

4.1 Потери воды

Для систем оборотного водоснабжения должен составляться баланс воды, учитывающий потери, необходимые сбросы и добавления воды в систему для компенсации убыли из нее.

Таблица 4.1.1

при отсутствии в оборотной воде токсичных веществ

при наличии токсичных веществ

Башенные градирни без водоуловительных устройств и оросительные теплообменные аппараты

Охладитель	Потери воды вследствие уноса ветром, % расхода охлаждаемой воды
Вентиляторные градирни с водоуловительными устройствами: