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.

Система технического водоснабжения с градирнями

. (11.1)

Отсюда кратность охлаждения

. (11.2)

Величина недогрева Q охлаждающей воды до температуры насыщения t _н пара в конденсаторе, температура насыщения t _н = t _к отработавшего пара и температура циркуляционной воды на входе и выходе из конденсатора t _В1 и t _В2 связаны соотношением.

. (11.3)

Значения t _k , t _В2 и Q определяют по технико-экономическому рас­чёту с учётом давления отработавшего пара, стоимости топлива, основного и вспомогательного оборудования и др.

Расчётный подогрев воды в конденсаторе составляет 8 ÷ 12 °С при недогреве до температуры насыщения 3 ÷ 5 °С и при кратности охлаждения 40 ÷ 60 кг/кг. Для современных КЭС удельный расход пара составляет 3 кг/кВт × ч, из них 1/3 часть пара идёт на регенерацию, а остальной пар поступает в конденсатор. При мощности станции 1800 МВт и кратности охлаждения 50 кг/кг расход циркуляционной воды составит 50 м 3 /с, что при скорости движения воды в водоводах системы технического (циркуляционного) водоснабжения 1,3 м/с потребует установку водоводов площадью 40 м 2 или диаметром порядка 10 м .

Кратность охлаждения конденсатора зависит от его конструкции и температуры воды на входе в конденсатор. Снижение кратности охлаждения приводит к недовыработке электроэнергии, а повышение – к росту расхода электроэнергии на собственные нужды. Для одноходовых конденсаторов m =100 ÷ 110 кг/кг и они применяются при прямоточном водоснабжении, для двухходовых m =50 ÷6 0 кг/кг. Кратность охлаждения зависит и от времени года.

11.2. Источники систем водоснабжения ТЭС

До последнего времени основным источником водоснабжения ТЭС служили реки. Однако расход воды реки, т.е. её дебет в течение года меняется: равнинные реки максимум расхода имеют весной и осенью, горные в период таяния снегов. Помимо рек источниками водоснабжения могут быть озёра, моря, артезианские скважины.

Системы циркуляционного водоснабжения подразделяют на прямо­точные, смешанные и оборотные. Выбор источника и системы водоснабжения зависит от количества воды, потребляемой в различное время года, минимального расхода воды в реке в тот же период времени и её тем­пературы.

Прямоточная система водоснабжения применяется только в том случае, если минимальный расход воды в реке не меньше потребности в воде ТЭС. Речная вода проходит через конденсатор один раз и после этого сбрасывается в реку. Сброс производится ниже по течению, чтобы исклю­чить подмешивание сбросной воды к свежей. Расстояние между забором и сбросом определяется уклоном русла, скоростью течения реки, силой и направлением ветров в районе сброса и забора воды. В ряде случаев прямоточная схема требует создания искусственного подпора (плотины). При прямоточной системе нужно учитывать санитарные требования, требования рыбоохраны, наличие площадок для строительства ТЭС и возможность их использования.

Для прямоточной системы водоснабжения источником может служить озеро или море. В озере должно быть достаточное количество воды, и она должна быть проточной. При использовании морской воды должны предусматриваться мероприятия по защите оборудования от коррозии, в первую очередь конденсатора (электрохимическая защита, крепление трубок и т.д.).

Преимуществами прямоточной системы водоснабжения являются низкая температура воды, обеспечиваю­щая глубокий вакуум, недорогие гидротехнические сооружения.

Оборотная система циркуляционного водоснабжения приме­няется, если по техническим или экономическим причинам нельзя использовать прямоточную. Она выполняется с прудами-охладителями, градирнями и брызгальными бассейнами.

Водохранилища (пруды) – охладители широко применяются в нашей энергетике. Они создаются на базе небольшой реки, с переменными расходами воды от максимума до нуля. При такой схеме для задержки воды устанавливается плотина и ложе пруда-охладителя за 2 ÷ 3 года заполняется водой. Из водохранилища вода подаётся на конденсатор, после конденсатора вода сбрасывается на расстояние, обеспечивающее ее охлаждение на 8 ÷ 12 °С. При большой глубине пруда забор воды может производиться из придонного слоя (глубиной 6 ÷ 8 м и более), а подогретую воду можно сливать и вблизи места забора. В этом случае перемешивание тёплой и холодной воды обеспечивается за счёт стратификации.

Условия создания прудов-охладителей: рациональная форма, достаточные площадь и средняя глубина водохранилища (3 ÷ 4 м); благоприятное геологическое строение долины реки и створа плотины; минимальная фильтрация плотины; возможность обеспечения рекой го­ризонта воды в водохранилище и её стока, а также восполнения потери воды (за счет фильтрации, испаре­ния и др.); выполнение санитарных условий.

Строительство КЭС связано с положением по отношению к источникам водоснабжения: требуется максималь­ное приближение станции к источнику водоснабжения. В общем случае водохра­нилища-охладители могут сооружаться не только в поймах рек, но и в стороне от них (так называемые наливные водохранилища). Они могут за­полняться из источников водоснабжения расположенных на десятки километров от КЭС. Источник водоснабжения должен компенсировать потери воды в водохрани­лище.

ТЭЦ сооружают максимально приближённо к тепловым пот­ребителям. Так, промышленные ТЭЦ располагают на территории предприятия, отопитель­ные ТЭЦ максимально приближают к жилым районам, но в определённых слу­чаях, например, по санитарным условиям, возможно сооружение ТЭЦ на значительном расстоянии от места потребления тепловой энергии – до 20 км и более. В этих случаях использование водохранилищ для обо­ротного водоснабжения ограничено.

На современном уровне развития энергетики в ряде районов водные ресурсы исчерпаны. В этом случае на КЭС и ТЭЦ применяются системы оборотного водоснабжения с градирнями. Это более слож­ные и дорогостоящие сооружения, по сравнению с рассмотренными. Работают они на принципе испарительного охлаждения.

11.З. Прямоточная система циркуляционного водоснабжения

Прямоточная система водоснабжения в техническом и экономическом отношении наиболее совершенна. Однако в последнее время её применение ограничивается отсутствием технических и экономических возможностей (необходимого запаса воды, санитарных условий и др.).

При использовании прямоточной системы водоснабжения ТЭС размешается на берегу реки, территория ТЭС должна быть не затопляема, т.е. река должна иметь незначительные колебания уровня воды.

Р и с. 11.2. Схема трубопроводов охлаждающей воды: 1 -береговая насосная; 2 — камера задвижек и обратных клапанов; 3 — напорные трубопроводы; 4 – конденсаторы турбин; 5 – закрытые отводящие каналы; 6 – сооружение для регулирования уровня воды в закрытом отводящем канале; 7 – открытый отводящий канал; 8 – водовод