6.3. 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.6.2). 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 t_з (температура воды на водозаборе). Пройдя конденсатор, вода приобретает теплоту пара и выходит из него с температурой t_с (температура воды на водосбросе в водохранилище-охладитель). Количество воды, требующееся для охлаждения пара в конденсаторе современных мощных ТЭС и АЭС, достигает порядка 100—150 м³/с.

Р ис.6.2. Принципиальная схема ТЭС [8]

t_с — температура воды, сбрасываемой водохранилище; t_з — 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 t_з, 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 Ω, с которой происходит теплоотдача в атмосферу, обусловливающая это охлаждение. Размеры указанной площади определяются расчетным путем.

Рис.6.3. 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.6.3). Основную роль в охлаждении воды играет транзитный поток. Роль водоворотных и тупиковых областей менее значимая, она учитывается коэффициентом эффективности водохранилища-охладителя K_эф.

Метод расчета водохранилища-охладителя был предложен в 1929г. 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):

Ω_акт = K_эфΩ. (6.8)

С помощью второй задачи оценивается температура воды на водозаборе - t_з. В этой части расчета активная площадь является одним из основных факторов, определяющих охлаждение воды в водохранилище и, соответственно, t_з. Расчет температуры осуществляется по уравнению теплового баланса для установившегося режима водоема (6.3) в следующем виде:

(6.9)

где dω = bdx — приращение площади транзитного потока, b — ширина транзитного потока, Q_ц — 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 (6.9) необходимо использовать экстремальные значения солнечной радиации и метеорологических условий в районе расположения водохранилища-охладителя.

Рис.6.4. Кривая падения температуры воды вдоль активной зоны водохранилища-охладителя [8]

t_е — температура воды естественного водоема.

Перепишем уравнение (6.9) в виде

(6.10)

Проинтегрировав эту зависимость, получим

( 6.11)

где ω_уд — удельная площадь активной зоны водохранилища.

Уравнение (6.11) можно представить в виде кривой падения температуры в координатах ω_уд и t (рис.6.4), построенной способом, изложенным в Практическом занятии №6 (1-й час) при рассмотрении уравнения (6.3). С помощью указанной кривой можно оценить удельную площадь активной зоны водохранилища при заданной температуре воды на сбросе (t_с) и водозаборе (t_з), а также решить обратную задачу — при заданном перепаде ∆t и удельной площади ω_уд найти температуру воды t_с и t_з.

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.