Пономаренко - Градирни промышленных и энергитических предприятий

ГНЦ РФ НИИ ВОДГЕО

В.С. ПОНОМАРЕНКО Ю.И. АРЕФЬЕВ

Градирни промышленных и энергетических предприятий

Под общей редакцией доктора технических наук В. С. ПОНОМАРЕНКО

МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1998

Пономареико В. С, Арефьев Ю. И.

Градирни промышленных и энергетических  предприятий: Справочное пособие/ Под общ. ред. В. С.  Пономареико. - М.: Энергоатомиздат: 1998. - 376 с: ил.

Дана классификация охлаждающих систем оборотного  водоснабжения промышленных и энергетических предприятий. Рассмотрены теоретические основы процесса охлаждения воды в градирнях и  методы их технологических расчетов. Приведены новые расчетные  зависимости. Рассмотрены особенности эксплуатации градирен в  различных условиях, приведены исходные данные для расчетов  надежности и технико-экономической и эколого-экономической оценки градирен и отдельных конструкций.

Для инженерно-технических работников, занимающихся  проектированием, эксплуатацией и исследованием градирен и систем  оборотного водоснабжения промышленности и энергетики, а также преподавателей и студентов строительных и энергетических вузов.

© Авторы, 1998

ПРЕДИСЛОВИЕ

В развитие теории и практики градирен в свое время  значительный вклад внесли отечественные ученые и  проектировщики - В, Е. Андрианов, А. Г. Аверкиев, Л. Д. Верман, А. Ф.  Володин, В. А. Гладков, А. А. Гоголин, Б. В. Проскуряков, Б. С. Фарфоровский, Т. С. Ямпольский и др.

Градирня - это сооружение (аппарат) для охлаждения воды атмосферным воздухом.

В промышленности и энергетике охлажденной на  градирнях оборотной водой осуществляется конденсация  отработавшего пара и газообразных продуктов, охлаждение жидких продуктов, а также оборудования и механизмов в целях  предохранения их от быстрого разрушения под влиянием высоких температур.

От эффективности работы градирен зависит степень  реализации преимуществ систем оборотного водоснабжения в  техническом и экологическом аспектах в сравнении с  прямоточными системами, а также производительность  технологического оборудования, качество и себестоимость  вырабатываемой продукции, удельный расход сырья, топлива и  электроэнергии.

Потребность в справочном материале для проектирования и реконструкции этих сооружений назрела давно. Однако по разным причинам справочники такого рода не выпускались и специалистам приходилось руководствоваться  разрозненными статьями, публикуемыми, к тому же весьма редко, в  периодических журнальных изданиях.

Последний нормативный документ по вентиляторным и башенным градирням, вышедший в свет в 1989 г., - это пособие по проектированию градирен к СНиП 2.04.02-84  "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" (далее см, пособие). Однако к 1992-93 гг. пособие практически исчерпало себя. За время, прошедшее от подготовки его к изданию, были усовершенствованы методы технологических расчетов градирен, накоплены обширные данные по их эксплуатации и промышленным  испытаниям, по результатам работ НИИ ВОДГЕО и ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева выполнены проекты целого ряда модификаций вентиляторных и башенных градирен большой  производительности с улучшенными технологическими  характеристиками, получили развитие разработка и изготовление  малогабаритных градирен полной заводской готовности. В то же время многие конструкции градирен устарели по  технологическим данным или не могут быть применены из-за  возникшего дефицита дерева и асбестоцемента, являющихся ранее  одними из основных строительных материалов в конструкциях градирен.

Период 1987-92 гг. характерен интенсивным переходом на применение в конструкциях градирен полимерных  материалов и освоением производств по выпуску из них необходимого технологического оборудования.

Основное содержание настоящего справочного пособия составляют материалы по расчетам и выбору различных типов градирен и их элементов для конкретных условий эксплуатации систем оборотного водоснабжения, представленные с учетом последних разработок в этой области в нашей стране.

Значительное внимание в пособии уделено вопросам работы градирен в технических системах водоснабжения. Становятся все более актуальными проблемы обеспечения надежности технических систем водоснабжения, в особенности некоторым химических производств и АЭС, достаточно полно отраженные в справочном пособии. Кроме того, представлены необходимые данные для определения в каждом конкретном случае рационального состава сооружений оборотных систем, в том числе вида, конструкций градирен и материалов для их изготовления, а также режима эксплуатации оборотных систем на основа НИИ технико-экономических и эколого-экономических расчетов вариантов.

Справочное пособие не может претендовать на исчерпывающий охват всех интересующих практиков вопросов, касающихся разработки и эксплуатации градирен в охлаждающих система оборотного водоснабжения.

Оно составлено в основном на базе научных исследований выполненных в НИИ ВОДГЕО (директор акад. РАН С. В. Яковлев).

Основные условные обозначения даны в начале пособия, остальные приводятся в тексте. При этом авторы пытались охранить обозначения в формулах, предложенные в  предыдущих изданиях. В связи с чем некоторые символы имеют  несколько значений. Однако мы надеемся, что это не слишком усложнит пользование пособием, поскольку они относятся к разным разделам текста и даны необходимые пояснения.

Материалы справочного пособия подготовили: В. С. Пономаренко - гл. 1, 2, 9, 12, 13, 15, 17, §6 гл. 16 и приложения; Ю.И. Арефьев - гл. 3, 4, 6,7, 10, 11 и § 1-5 гл. 16. Главы 5, 8 и 14  написаны авторами совместно. Общее редактирование  выполнено доктором техн. наук В. С. Пономаренко.

Большую помощь в подготовке и оформлении рукописи  оказали сотрудники НИИ ВОДГЕО Л. П. Беззатеева и Т. М. Демкина, за что авторы выражают им искреннюю благодарность.

Авторы также выражают глубокую признательность  генеральному директору ООО "Эко-сервис К" В. А. Богомолову за  содействие в издании справочного пособия.

Все замечания и предложения по содержанию книги, за которые авторы заранее признательны, просьба направлять в НИИ ВОДГЕО по адресу: 119826, Москва, Комсомольский  проспект, 42; или в ООО "Эко-сервис К" по адресу: 111395, Москва, ул. Молдагуловой, 4, кв. 23.

Авторы

ГЛАВА 1

ГРАДИРНИ В СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Охлаждение воды в промышленности

Системы промышленного водоснабжения предназначены обеспечивать подачу воды на производство в требуемых  количествах и соответствующего качества. Они состоят из  комплекса взаимосвязанных сооружений - водозаборных устройств, насосных станций, водоводов, установок для очистки и  улучшения качества воды, регулирующих и запасных емкостей, охладителей воды и разводящей сети трубопроводов. В  зависимости от назначения и местных условий некоторые из перечисленных сооружений в системе могут отсутствовать.

По данным государственного учета использования воды  промышленностью Российской Федерации расходуется в год  примерно 40 км свежей воды, что составляет 50% общего  количества, забираемого для нужд народного хозяйства из  источников водоснабжения. Это равняется примерно 20% потребности Промышленных предприятий в воде. Недостающее количество (160 км) обеспечивается за счет повторного использования воды после охлаждения и (или) очистки. Такая вода  называется оборотной или циркуляционной. В зависимости от вида технологического процесса  оборотная вода может быть транспортирующей или поглощающей средой (использование воды в таких качествах в данной  работе не рассматривается), либо теплоносителем,  циркулирующим в охлаждающей системе оборотного водоснабжения. Это система, в которой вода используется в качестве хладоагента для охлаждения оборудования или для конденсации и  охлаждения газообразных и жидких продуктов в теплообменных  аппаратах, где нагревается, а в некоторых случаях и  загрязняется этими продуктами в основном за счет неплотностей оборудования. После охлаждения преимущественно на  градирнях и очистки (при необходимости) основная масса воды  возвращается в систему; часть оборотной воды (обычно не  более 5%) теряется на испарение, капельный унос, утечки и сброс в виде продувки системы.

Для охлаждения различного рода технологического  оборудования в России используется примерно 105-130 км оборотной воды, что составляет в среднем по всем отраслям  промышленности около 65% общего расхода воды этой категории.

Требования, предъявляемые к температуре оборотной воды различными промышленными предприятиями, диктуются технологическим процессом и эксплуатационными  свойствами оборудования. При выборе типа градирен для обеспечения этой температуры следует учитывать возможность загрязнения воды продуктами производства в водооборотном цикле.

В табл. 1.1 приведены данные об использовании оборотной воды в промышленности, требования к ее температуре в  летний период и наличии загрязнений. Количество загрязнений в воде не указано, поскольку оно для одного и того же вида производства может быть различным из-за неодинаковых состояния оборудования, уровня эксплуатации, наличия очистных сооружений в водоблоке и др. Водооборот в  промышленности Российской Федерации в 1994-97 гг. составил в  среднем 78%. Большее значение этот показатель достигал в  нефтеперерабатывающей отрасли, на предприятиях черной и  цветной металлургии, а также нефтехимии.

Предприятия теплоэнергетической отрасли потребляют две трети свежей воды, забираемой на промышленные нужды из источников водоснабжения, при наибольшем расходовании ее для охлаждения технологического оборудования (96%). Однако коэффициент водооборота в отрасли ниже среднего по  промышленности и составляет примерно 60% из-за сохранившихся с предыдущих лет на многих энергетических предприятиях прямоточных систем водоснабжения. Так, из 144 ГЭС с  установленной мощностью 215 ГВт на прямоточных системах  водоснабжения работают 45 и на оборотных 99. При этом для  охлаждения оборотной воды используются водохранилища E4%), башенные градирни (14%), "сухие" (радиаторные) градирни (0,8%) и брызгальные бассейны (0,2%).

Вода в промышленности и энергетике используется для конденсации и охлаждения газообразных и жидких продуктов химических и нефтехимических производств, для  конденсации отработавшего пара после расширения его в паровых  двигателях, отвода теплоты от маслоохладителей и оборудования в целях предохранения его от быстрого разрушения под  влиянием высоких температур (например, цилиндров  компрессоров, кладки производственных печей) и т. п.

Как следует из табл. 1.1, в зависимости от вида производства, требования, предъявляемые к температуре охлаждающей воды, различаются. Эти требования диктуются условиями  производственных процессов и определяются экономичностью и  надежностью работы оборудования.

На многих промышленных предприятиях эксплуатируются компрессорные установки. Для того, чтобы температура  сжимаемого воздуха, выходящего из компрессора, не превышала допустимого для нормальной и безопасной работы предела 140-160 °С, используется его охлаждение. Чаще всего  применяется водяное охлаждение рубашек компрессоров, при котором охлаждающая вода, прошедшая поверхностные холодильники компрессоров, после охлаждения на градирнях вновь  используется.

Расход оборотной воды при температурном перепаде 10- 25 °С рассчитывается таким образом, чтобы ее температура после поверхностных холодильников не превышала 45 "С из-за предупреждения выпадения солей временной жесткости и образования накипи на охлаждаемой поверхности.

Потребление свежей воды в промышленности в значительной мере может быть уменьшено за счет перехода производств на безотходные, безводные или маловодные технологии. Однако многие производственные процессы не всегда или не в полной мере позволяют использовать такие технологии. Тогда на  первый план в реализации задачи экономии воды в  промышленности вступают охлаждающие системы оборотного  водоснабжения с градирнями различных типов и конструкций.

1.2. Технико-экономические и экологические аспекты применения градирен в системах промышленного водоснабжения. Градирни применяются почти во всех отраслях  промышленности, особенно велико их использование в энергетической, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, производства минеральных удобрений и других, поскольку на сегодняшний день отвод низкопотенциального тепла от промышленных аппаратов с помощью градирен - самый  дешевый способ, позволяющий сэкономить не менее 95% свежей воды.

Особенностью многих производственных технологий  является отбор тепла в широком интервале температур охлаждаемых продуктов. Общая система эвакуации тепла включает ряд  стадий, на которых применяют различные технические средства.

В зоне высоких температур 300-900 °С тепло снимается в котлах-утилизаторах и используется в производстве в виде вторичного пара. В интервале 100-300 °С целесообразно  использование технологического тепла в адсорбционных  холодильных установках для приготовления искусственного холода различных параметров, в том числе холодной воды. 

Охлаждение продуктов от 100 до 50 °С экономичнее производить в  воздушных холодильниках. Дальнейшее снижение температуры продуктов, например в нефтеперерабатывающей  промышленности, с 50 до 30 °С производится при помощи оборотной воды, охлажденной, в свою очередь, на градирнях.

Для достижения еще более низкой температуры продукта применяются компрессионные или пароэжекционные  установки. Из-за большого потребления электроэнергии такими  установками отвод тепла от технологических продуктов  становится в 10-15 раз дороже, чем с помощью оборотной воды. 

Экономия электроэнергии может быть достигнута за счет  применения таких типов и конструкций градирен, которые способны охлаждать воду до более низких температур. Например, для отвода 4 млн. кДж/ч тепла компрессионным способом затраты электроэнергии составляют 250-300 кВт • ч, а для отвода этого же количества тепла с помощью вентиляторных градирен  затрачивается 10-15 кВт • ч.

Температура оборотной воды, охлаждаемой на градирнях, существенно влияет на работу технологического оборудования, как следует из данных табл. 1.2.

Экологические проблемы работы градирен стали возникать по мере роста производительности этих сооружений и их числа на промышленной площадке, а также с приближением производственных объектов к жилой застройке и транспортным магистралям. Градирни как источник возможного негативного влияния на состояние окружающей среды могут рассматриваться в  следующих аспектах: унос капельной влаги, выброс вредных  веществ, паровой факел и шум.

Проблемой предотвращения капельного уноса из градирен НИИ ВОДГЕО занимается с середины 60-х годов. Выполнен большой объем научно-исследовательских работ, разработаны методики оперативного измерения уноса капельной влаги на стендовых градирнях и в натурных условиях.