Техническое водоснабжение ТЭЦ и АС

1. Баланс энергетических и экологических решений возможен

Существуют две системы охлаждения оборудования ТЭЦ – прямоточная и замкнутая.

И прямоточные, и замкнутые системы технического водоснабжения широко используются в России и за рубежом. В России прямоточными системами оборудовано около 40% мощностей ТЭС и АЭС. В последнее время вопрос выбора системы технического водоснабжения из сферы инженерного проектирования перенесен в законодательную сферу.

Инженерный подход отражен в Приказе Росстандарта № 1882 от 15.12.201, которым прямоточные системы отнесены к лучшим доступным технологиям. Этим же Приказом утвержден справочник «Промышленные системы охлаждения», в котором указано, что прямоточные системы обеспечивают наилучшие условия охлаждения генерирующего оборудования. Руководствуясь этим Приказом, энергетики России должны приоритетно применять прямоточные системы технического водоснабжения.

С другой стороны, в статье 60 Водного кодекса п.4 записана фраза: «Проектирование прямоточных систем технического водоснабжения не допускается». Таким образом, экологи России законодательно запретили инженерам проектировать современные, используемые во всем мире эффективные системы. Вероятно, этот казус будет преодолен в процессе долгих межведомственных согласований.

Однако сегодня тарифная политика государства в сфере водопотребления такова, что стоимость водопользования за ближайшие 10 лет должна вырасти в 4,5 раза. По постановлению правительства № 1509 от 26.12.2014г., рост ставки водопользования водными объектами федеральной собственности составляет около 15% в год до 2025 года.

При сохранении тарифной политики по топливу и по закупочным ценам на энергию, такой рост расходов на водопотребление для станций неприемлем, а глубокая модернизация существующих станций не всегда рациональна. Стоимость модернизации станции увеличит себестоимость электроэнергии, согласно экспертным оценкам, на 2,5%. Следует учитывать также, что далеко не всегда есть техническая возможность применения систем оборотного водоснабжения.

Государство ищет компромиссные решения. Минэнерго подготовило поправки в Водный Кодекс, снимающие запрет на строительство ТЭС и АЭС с прямоточными системам водоснабжения. Минэнерго разработало также поправки, вводящие понижающие коэффициенты при расчёте водных платежей для ТЭС и АЭС с прямоточными системами. Но со «скидками» не согласны в Минприроды. Обсуждение продолжается.

Для поиска логических решений по существующим ТЭЦ и АЭС требуется выполнение всеми участниками энергетического рынка серьезной аналитической работы.

Начало этой работы должно заключаться в типизации эксплуатируемых станций по важнейшим признакам.

1. Тепловая схема и оборудование станции
2. Наличие ограничений по применению систем оборотного водоснабжения
3. Статистика выработки энергетических продуктов и удельных затрат на их производство
4. Статистика затрат на пользование природной водой, в том числе, экологические платежи и штрафы.>

Далее для каждого типа станции следует разработать простую методику оценки расходов на создание замкнутой системы. С использованием этих методик для каждого типа станции и при согласованных и утвержденных сценарных условиях следует оценить удельные затраты на модернизацию станции и соотнести эту стоимость с плановыми платежами за водопотребление.

Максимальные сроки окупаемости должны быть согласованы заранее. На основании типизации станций выделяются те, модернизация которых возможна, выгодна генерирующей компании, а срок окупаемости не превышает утвержденной максимальной величины.

Важнейшим фактором успешности реализации программы модернизации является источник финансирования и его стоимость. Именно здесь точка приложения силы государственных решений. Но использовать эту силу нужно там, где в заданное время будет получен (согласно типу станции) положительный эффект.

Исключение составит те станции, где модернизация невозможна, например, в силу ее расположения в центре жилых кварталов, отсутствию пространства для установки градирен и т.п. Возможно, эксплуатация этой станции необходима в силу сложившихся особенностей энергетической инфраструктуры. Такой тип станции выделяются в отдельный список, исключается из списка модернизации и изыскиваются меры поддержки их работы.

Прочие станции подлежат модернизации в порядке, определяемом их типом, и в первую очередь те, которые характеризуются минимальным сроком окупаемости или условиями обеспечения безопасности.

Использование результатов типизации и разработанных методик исключает волюнтаризм принятия решений, увеличивает эффективность финансовых затрат на модернизацию, позволяет объективно оценивать плановые и достигнутые результаты. Такая работа в том числе, позволяет дифференцировать понижающие коэффициенты по оплате водопотребления ТЭЦ и АС согласно объективной необходимости.

2. Разработка типовых решений для прямоточных систем охлаждения оборудования с целью сокращения затрат на водопользование

Если слив загрязняющих веществ в природный водоем можно исключить или уменьшить многими способами, то тепловое воздействие прямоточной системы исключить нельзя никак. На каждой станции существует договор водопользования, по которому, по действующим нормативам, ограничивается величина нагрева сливаемой воды относительно температуры на входе в станцию. Если наличие вредных загрязнений тщательно мониторится экологами, то температура слива практически не контролируется. Поэтому температурное воздействие станции является лишь гипотетическим риском для станции, и эти нормативы часто безнаказанно нарушаются. Введение практики штрафов за тепловое загрязнение, с одной стороны, является неиспользованным ресурсом наполнения госбюджета, и с другой стороны, не использованным рычагом модернизации ТЭЦ.

Замкнутая система оборотного водоснабжения также оказывает тепловое воздействие, но не на водный, а на воздушный бассейн. Мощные градирни способны изменить климат отдельных территорий, как по температуре, так и по количеству солнечных дней в году. Это также неиспользуемый ресурс наполнения госбюджета, но это не является задачей настоящей статьи.

В рамках типизации станции следует рассматривать возможность создания гибридной системы охлаждения оборудования ТЭЦ, где часть оборудования включается в замкнутую схему, а часть охлаждается по существующей прямоточной схеме.

Вероятнее всего, охлаждение конденсаторов в таких типах станций останется по прямоточной схеме, а охлаждение вспомогательного оборудования будет организовано по замкнутой схеме.

Традиционно отказ от прямоточной системы и переход к замкнутой осуществляется путем применения градирен или брызгальных бассейнов. Это открытые замкнутые системы, в которых потребление природной воды снижается на 95% (5% теряется за счет испарения, продувки и капельного уноса).

Применение открытых замкнутых испарительных систем позволяет снизить тепловое воздействие на водный источник, исключить загрязнение, но тепловая энергия в них безвозвратно теряется. Кроме того, в открытых системах встает вопрос утилизации отходов (засоленной продувочной воды). Возникает задача водоподготовки, поскольку химический состав теплоносителя должен сохраняться в определенных пределах, чтобы обеспечить эксплуатационную надежность охлаждаемого оборудования.

Применение открытых испарительных систем, как показано выше, экологически несовершенно и не решает задачу снижения потерь в холодный источник.

В последнее время обсуждается возможность применения закрытых замкнутых воздушных систем охлаждения. Это решение экологически чистое (за исключением теплового воздействия на воздушный бассейн), дорогое, требующее существенного пространства, и, главное, опять безвозвратно сбрасывающее утилизированную энергию в атмосферу.

До сиз пор за скобками всех дискуссий и законодательных актов остается вопрос эффективности использования топлива ТЭЦ. И прямоточные, и замкнутые системы «сбрасывают» тепловую энергию, она безвозвратно теряется.

Во многих странах мира в энергетике используются системы, возвращающие в теплофикационный цикл существенную часть этой энергии. Это закрытые замкнутые системы оборотного водоснабжения на базе абсорбционных тепловых насосов (АБТН).

Применение АБТН решает все экологические и эксплуатационные проблемы, потому что тепловую энергию, взятую от охлаждаемого оборудования, АБХМ возвращает в теплофикационный контур – нагревает подпиточную или обратную сетевую воду. В этом случае контур замкнутый закрытый. Циркулирующая вода не испаряется, ее качество и температура стабильны. Это идеальный способ охлаждения.

Горячим источником для работы АБТН может являться пар с отборов турбин или горячая вода. Отбор пара увеличивает к.п.д. ГРЭС в целом, при этом электропотребление собственных нужд снижается.

К сожалению, в 99% случаев всю тепловую энергию утилизировать нельзя. Ограничением является тот факт, что тепловой насос только тогда способен охлаждать теплоноситель, когда утилизированная им тепловая энергия и используемая им энергия горячего источника суммарно могут быть переданы в теплофикационный цикл. В теплый период года это невозможно, а в холодный период года практически невозможно.

По этим причинам строится гибридная схема технического водоснабжения.

1. Закрытой замкнутой системы охлаждения вспомогательного оборудования (и, возможно, части конденсаторов), на базе АБТН
2. Открытой замкнутой системы (градирня, брызгальный бассейн) или прямоточной системы охлаждения конденсаторов

Система на базе АБТН имеет производительность согласно графика загрузки основного оборудования и графика потребления и температуры подпиточной воды (вероятнее всего, за встроенными пучками).

Закрытая замкнутая система охлаждения обслуживает маслоохладители, газоохладители и питательные электронасосы. Какую часть тепловой энергии можно снять с конденсаторов, зависит от сезонного графика подпиточной и обратной сетевой воды, а также от тепловой схемы станции.

К сожалению, применение градирни или прямоточной системы для охлаждения конденсатора неизбежно, особенно летом, когда нет достаточного объема теплоносителя, способного принять тепловую мощность конденсатора.

Поэтому и строится ГИБРИДНАЯ схема см. рис

Экономия состоит в 40% экономии пара, который раньше использовался для подогрева подпиточной воды. Если для этих целей применялись пиковые котлы, то отказ от них приводит к прямой экономии топлива.

Если подогрев обеспечивается встроенными пучками полностью, то надо искать других приемников тепловой энергии или «сбрасывать» высвободившийся пар «в голову» турбины. В этом случае вырастает производство электроэнергии при сохранении потребления топлива.

Каждая ТЭЦ индивидуальна как по оборудованию, так и по тепловым схемам и графикам загрузки. Единого решения нет. Но на рисунке – типовое решение, которое обрастает подробностями после проведения НИОКР.

Авторы имеют опыт выполнения таких расчетов и опыт внедрения АБТН на ТЭЦ. Разработаны математические модели, позволяющие учесть влияние АБТН на эффективность работы ТЭЦ в целом. Выполнены многовариантные расчеты, позволяющие оптимизировать мощности, состав и режимные параметры оборудования.

Внедрение системы снижает удельные затраты топлива на производство электрической и тепловой энергии, снижает водопотребление ТЭЦ, снижается даже собственное электропотребление ТЭЦ, улучшаются ее экологические характеристики, улучшаются условия эксплуатации газо-маслоохладителей, питательных насосов и пр. Расчетный дисконтированный срок окупаемости не превышает семи лет.

3. Мировой опыт

Китай – страна с самой быстро развивающейся промышленностью и, как следствие – энергетикой. Но, развитие сдерживается дефицитом и высокой стоимостью энергетических ресурсов. Так, стоимость газа в Китае примерно в 5,5 раз выше, чем в России. При таких условиях вопрос энергосбережения встает особенно остро. На законодательном уровне в стране запрещена эксплуатация ТЭЦ без применения абсорбционных тепловых насосов.

Крупнейший производитель АБТН в мире также находится в Китае. В 200 км от Шанхая расположена площадка завода Shuangliang Eco-Energy Co. В год компания производит примерно 2 500 – 3 000 абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов и холодильных машин. Основной потребитель продукции Shuangliang – внутри страны. За более чем 35 лет работы предприятия, на китайских ТЭЦ установлено несколько тысяч АБТН разной мощности. Максимальная единичная мощность такой машины – 98 МВт. На одной из ТЭЦ Китая работает четыре такие машины производства Shuangliang, в общей сложности почти 400 МВт.

В среднем мощности АБТН на ТЭЦ Китая меньше. В качестве примера можно рассмотреть муниципальную угольную станцию в г. Янгкванг. На ней установлены шесть АБТН мощностью 30 МВт каждая, в общей сложности 180 МВт. Они утилизуют бросовою воду с градирен с параметрами 30/40 °С. В качестве греющего источника применяется пар с избыточным давлением в 5 бар. АБТН дают горячую воду 90/70 °С, которая поступает потребителям. Таким образом, станция дополнительно зарабатывает около $5 млн, не учитывая экономию топлива в 49 300 тонн ежегодно. Окупаемость проекта составила менее 2 лет.

Системы водоснабжения тепловых электростанций: применяемые схемы, их структура и принцип работы

Станция с наносными агрегатами, обеспечивающая водой теплоэлектроцентраль

Система технического водоснабжения электростанций (СТВ) представляет собой сеть охлаждающих систем, работающих по циркуляционному принципу на технической неочищенной воде. Структурируется она по-разному, что зависит от конкретных условий строительства и поставленных задач.

С помощью видео в этой статье будет рассказано, какие существуют схемы, чем они принципиально отличаются, и каков принцип их работы.

Что входит в состав СТВ

При строительстве тепловой или атомной электростанции, на системы их водоснабжения может приходиться до 10% от всей сметной стоимости. Это существенные капиталовложения, так как в структуру системы входит немало объектов.

Вот как выглядит их стандартный перечень:

1. Водозабор (источник воды). Может быть как наземным: море, озеро, река, так и подземным: артезианская скважина.
2. Водоводы. Так именуют трубопроводы или каналы, подводящие и отводящие воду.
3. Насосы циркуляционного типа. Обеспечивают принудительный ток воды с заданным напором.
4. Объекты охлаждения воды – пруды, градирни, бассейны.

Цель использования технической воды

Теплоэлектростанция имеет разветвлённую структуру объектов, и работа многих их них не может осуществляться без технической воды, которая требуется:

• Для охлаждения конденсаторов турбин, в которые поступает основной объём (до 95%) всей воды. То есть, данная статья её расхода является основной.
• Для работы электрогенераторных газоохладителей и устройств газоочистки.
• Для маслоохлаждающих систем турбин.
• Для осуществления химической подготовки воды, предназначенной для восполнения её потерь в виде пара.
• На пылеугольных станциях с помощью воды производится удаление золы и шлака.

Главный потребитель воды на ТЭЦ – конденсатор турбины

Примечание: многие вспомогательные механизмы и устройства так же охлаждаются за счёт воды. А на атомных станциях она используется и для охлаждения бассейнов перегрузки отработанного топлива.

Разновидности систем подачи ресурса

Водоснабжение тепловых электростанций осуществляется посредством двух конструкционных вариантов систем: прямоточных, в которых вода подаётся к агрегатам однократно, и оборотных, рассчитанных на многократное использование.

Третьего не дано, разве что на некоторых станциях проектируются смешанные системы. Смотрим, когда и какой вариант применяется.

Многое зависит от водного источника

Традиционно главным источником воды большинства тепловых станций и централей является река. Однако дебет воды в таких водоёмах в течение года нестабилен, весной и осенью они пополняются за счёт таяния снегов или атмосферных осадков, а летом уровень воды может значительно снижаться.

Это не может не оказывать влияния на выбор типа водоподающей системы.

Уровень воды в пойме реки может значительно подниматься или снижаться

Когда прямоточка лучше

Прямоточный вариант может быть применен только в том случае, когда потребность ТЭЦ в воде не меньше минимального расхода воды в реке.

В этом случае, воду один раз прогоняют через конденсатор турбины, после чего обратно сбрасывают в реку. Сброс осуществляется ниже по течению, что исключает смешение отработанного ресурса со свежей водой.

Схема расположения забора и сброса воды в прямоточной системе ТЭЦ

• Расстояние между точкой водозабора и сброса определяется расчётом, в котором учитывается естественный уклон русла, скорость потока, преимущественное направление ветра. Применение прямоточной системы нередко влечёт за собой необходимость строительства плотины для искусственного подъёма воды и создания дополнительного напора, что обусловлено требованиями СанПиН и рыбоохраны.
• В качестве источника для прямоточной системы может использоваться не только река, но и озеро или море. Озеро должно быть проточным и содержать достаточный объём воды. Что же касается моря, то в нём воды всегда достаточно, однако из-за повышенного содержания солей приходится разрабатывать мероприятия по защите от коррозии конденсатора и другого оборудования.
• Главным преимуществом систем прямоточного типа является более низкая стоимость гидротехнических сооружений и низкая температура поступающей воды. И только когда по каким-то причинам такую схему невозможно использовать, предпочтения отдаются оборотной системе. Именно в ней и присутствуют градирни, охлаждающие пруды и бызгальные бассейны.

Охлаждение воды посредством работы брызгального бассейна

Как обеспечивается охлаждение воды в оборотной системе

Несмотря на более низкую проектную и эксплуатационную стоимость ТЭС и КЭС, снабжаемых водой по прямоточному принципу, приходится прибегать к устройству оборотных систем с прудами-охладителями или градирнями.

Вариант структурирования водоснабжения оборотного типа на ТЭЦ

Причиной тому истощённые водные ресурсы некоторых областей или же отсутствие (либо далёкое расположение) природного источника с нормальным дебитом. К тому же, сброс в реку тёплой воды меняет ход протекающих в ней естественных биологических процессов, поэтому все крупные тепловые станции работают не на прямоточном, а на оборотном водоснабжении.

Схема с прудом-охладителем

Наиболее выгодной схемой СТВ является вариант с сооружением охладительного пруда (искусственного водохранилища на базе реки), вблизи которого размещается главный корпус насосной станции.

• Расход воды в таком пруду может варьироваться от нуля до максимума, что обеспечивается путём установки плотины. Если уровень воды колеблется незначительно, около каждой турбины устанавливается насос, а водоприёмная часть располагается в самом глубоком месте пруда, чаще у плотины.
• При достаточной глубине водохранилища забор ресурса производят из придонных слоёв — там ниже температура, а воду, нагревшуюся после прохождения через конденсатор, сливают поверхностно.
• Для создания такого пруда требуется как минимум благоприятный рельеф речной долины, а так же возможность восполнения объёмов влаги, утраченной за счёт испарений и донной фильтрации.
• Охладительные водохранилища могут быть устроены не только непосредственно в поймах рек, но и располагаться от основного водоисточника в десятке километров. Чем ближе, тем лучше — но условия не всегда позволяют.

Примечание: удалённость этих объектов друг от друга вынуждает строить ещё и конденсационную электростанцию (КЭС), задача которой состоит в том, чтобы компенсировать водопотери в охладительном пруду.

Пруд-охладитель может выглядеть как вполне цивилизованный водоём

Сама ТЭЦ располагается как можно ближе к потребителям тепла – жилым районам или территориям предприятий. Но опять же, это не всегда получается, и тепловая станция может находиться в 10-20 километрах от точки потребления.

Когда целесообразнее градирня

Пруд занимает значительную площадь, а дороговизна земли вынуждает отдавать предпочтения системам с градирнями. Это наилучший вариант в случаях, когда для подпитки системы нет нормального источника водоснабжения – например, в крупных городах.

В том числе используют такой вариант водоохлаждающего оборудования, как сухая градирня. От мокрого варианта она отличается тем, что жидкость протекает в трубах, обдуваемым атмосферным воздухом, что очень удобно для регионов с невысокими среднегодовыми температурами.

В градирнях мокрого типа вода распыляется и стекает в поддоны — а оттуда в водоводы. При этом испаряется довольно значительный объём и воду постоянно приходится доливать.

Причём вода, соприкасаясь с воздухом, загрязняется, приводя к закупорке теплообменников и труб, чего не происходит в системах сухой градирней.

На заметку: преимуществом сухой градирни перед мокрой является ещё и тот факт, что кроме воды в ней можно использовать другие жидкости и даже масла.

Особенности комбинированных систем

Так как уровень воды в разные сезоны может значительно отличаться, на многих станциях, работающих по прямоточному принципу, предусматривают и оборотную схему, которая включается в работу с маловодный период года. То есть, параллельно с водоёмом используют один из вариантов охладителей – брызгальную установку или градирню.

В таком случае, из реки или другого водоёма вода подаётся на станцию самотёком или посредством насосной станции. Здесь на каждую турбину устанавливается по паре циркуляционных насосов, к каждому из которых ведёт индивидуальный водовод (сварные стальные трубы с рёбрами жёсткости).

На заметку: Это, так называемые, БНС (блочные насосные станции). Они могут располагаться:

1. на входе в машинный зал ТЭС или около конденсаторов;
2. на берегу водоисточника, совмещаясь с водоприёмниками;
3. на самотечном канале, заменяющем напорный водовод (но это возможно только при естественном уклоне рельефа в сторону водоисточника).

Блочная насосная станция

• Если электростанция сильно удалена от источника воды, или же её уровень значительно колеблется, может применяться двухступенчатая схема подачи воды. Из реки в канал вода перекачивается насосной станцией I подъёма, а уже оттуда на конденсатор турбины подаётся посредством установленной в машинном отделении при электростанции БНС.
• Нагревшаяся вода, прошедшая через конденсаторы, сбрасывается в отводящий канал, который является общим для всех турбин. На территории теплоэлектростанции канал должен быть закрытым и собирается из железобетонных сегментов с прямоугольным сечением. За пределами территории он открытый и имеет трапециевидное сечение.
• Что касается подачи первичной воды, то, при наличии береговой станции, к машинному отделению ТЭС она поступает по напорным трубопроводам, диаметры которых могут достигать 3,5 м. К каждому конденсатору подходит два таких водовода.
• В ЦНС (центральной насосной станции), находящейся в одном блоке с водоприёмником, стоит минимум 4 насоса, суммарная производительность которых равна расчётному расходу воды. Насосы работают на сеть парами, в каждой из которых есть основной агрегат, и есть резервный.

При необходимости можно менять число одновременно работающих насосов, и как следствие, регулировать подачу воды.

Заключение

Комбинированные схемы весьма надёжны, а единственным их недостатком является большая протяжённость разветвлённой сети. Как следствие, гидравлические потери в них повышены, а так же требуется большое количество запорной и другой арматуры.

Кроме систем подачи технической воды, проектируется и хозпитьевое водоснабжение тепловых станций, а так же обязательно предусматривается работающий под высоким давлением противопожарный водопровод.