Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 9
1.1. Охлаждение циркуляционной воды в пленочных и брызгальных градирнях 10
1.2. Методы оценки охлаждающей способности башенных градирен 18
1.2.1. Определение охлаждающей способности башенных градирен в сравнении с теоретическим пределом охлаждения для атмосферных охладителей 19
1.2.2. Определение эффективности охлаждения циркуляционной воды башенными градирнями в сравнении с коэффициентом эффективности 21
1.3. Цели и задачи работы 24
2. Гидротермические исследования капельных потоков башенных брызгальных градирен 26
2.1. Натурные исследования действующих брызгальных градирен 26
2.1.1 .Конструктивные особенности брызгальных градирен 26
2.1.2. Методика проведения натурных испытаний градирен 31
2.1.3. Технологические, конструктивные особенности и результаты натурных гидротермических исследований брызгальной градирни Петрозаводской ТЭЦ 35
2.1.4. Технологические, конструктивные особенности и результаты натурных гидротермических исследований брызгальных градирен ст. №№ 3,4 Тольяттинской ТЭЦ 43
2.1.5. Технологические, конструктивные особенности и результаты натурных гидротермических исследований брызгальной градирни ст. № 1 Кировской ТЭЦ-4 54
2.2. Лабораторные исследования капельных потоков разбрызгивающих устройств 61
2.2.1. Описание гидравлического стенда. Результаты исследований разбрызгивающего устройства 61
2.2.2. Формирование капельного потока 68
3. Разработка усовершенствованного метода оценки охлаждающей способности башенных брызгальных градирен 72
3.1. Усовершенствованный метод оценки охлаждающей способности башенных брызгальных градирен по отношению к уровням охлаждения соответствующих номограмм и теоретического предела охлаждения 72
3.2. Установление диапазонов гидравлических и тепловых характеристик, определяющих эффективную работу башенных брызгальных градирен 75
Заключение 84
Список литературы 87
Приложения:
Приложение 1. Решение о выдаче патента на изобретение: «Способ определения охлаждающей способности действующей башенной градирни» 96
- Охлаждение циркуляционной воды в пленочных и брызгальных градирнях
- Технологические, конструктивные особенности и результаты натурных гидротермических исследований брызгальной градирни Петрозаводской ТЭЦ
- Описание гидравлического стенда. Результаты исследований разбрызгивающего устройства
- Установление диапазонов гидравлических и тепловых характеристик, определяющих эффективную работу башенных брызгальных градирен
Охлаждение циркуляционной воды в пленочных и брызгальных градирнях
В башенных градирнях охлаждение циркуляционной воды осуществляется в результате совместного действия процессов тепло- и массоотдачи, возникающих при непосредственном контакте поверхности жидкости с атмосферным воздухом. Интенсивность взаимодействия этих двух сред определяется двумя составляющими: созданием возможно большей свободной поверхности жидкости и активным обдувом ее потоком воздуха, а также разностью между температурой жидкости и температурой и влажностью наружного воздуха.
Развитая водная поверхность в пленочных градирнях достигается сооружением оросительного устройства, которое позволяет создать на поверхности асбоцемента, полиэтилена, дерева и т.п. (или в решетнике из деревянных реек) достаточно тонкую водяную пленку, в брызгальной системе -мелкую каплю, что определяет высокую интенсивность передачи тепла от воды к воздуху. Расход воздуха определяется тягой, создаваемой вытяжной башней. Тяга воздуха в градирне определяется высотой вытяжной башни и уровнем нагрева воздуха в области оросительного устройства или разностью удельных весов воздуха наружного и нагретого и увлажненного в оросителе. Таким образом, тяга воздуха в градирне определяется двумя составляющими: высотой башни и состоянием, активностью оросительного устройства. Теоретический анализ тепло- и массоотдачи в градирнях базируется:
- на эмпирическом законе охлаждения Ньютона:
Q = k(T- Є) st, (1.1.)
где k - коэффициент внешней температуропроводности, величина которого измеряется количеством теплоты, теряемым единицей поверхности тела (s) в единицу времени (t) при разности температур Т - 9 = 1,5 С;
- на формуле Дальтона:
w =А(ет -е), (1.2.) устанавливающей связь между скоростью испарения и дефицитом влажности, где е m - влажность насыщенного воздуха при температуре воды; е - влажность воздуха в потоке; А - коэффициент массоотдачи.
Если к этим зависимостям прибавить уравнение теплового баланса, то получим систему уравнений для расчета процесса охлаждения в пленочных градирнях, предложенных Б.В. Проскуряковым [43]. Развитие методики теплового расчета с введением уравнения неразрывности, уравнения тяги содержится в трудах Р.Е. Гельфанд [15], которой составлены программы расчета и получены номограммы температур охлажденной воды для всех типоразмеров башенных градирен, проекты которых выполнены институтом АЭП(ТЭП).
Сложное взаимодействие процессов тепло- и массоотдачи с аэродинамическими характеристиками градирни: вытяжной башни, оросительного устройства, воздуховходных окон, описывается, как было отмечено, уравнениями Ньютона, Дальтона, теплового баланса и расчетом тяги.
Однако, определение основных технологических характеристик градирни оказывается тесно связано с эмпирическими зависимостями, которые получают на фрагментарных установках в лабораторных условиях [13, 33].
Этот путь достаточно апробирован и широко используется на практике, однако следует иметь в виду, что опытные характеристики, например, для оросителя одного типа, могут быть весьма различны в зависимости от геометрии опытного элемента оросителя, распределения воды по его поверхности в опытной установке, распределения воздушного потока и т.п. Отсюда и разные величины опытных коэффициентов, отсюда и различные виды номограмм температур охлажденной воды. Для большей достоверности этих номограмм их корректировку производят по данным натурных исследований действующих градирен. Корректировка номограмм по данным натурных исследований оказывается также весьма сложным делом из-за влияния ветра на работу градирен.
Выявить отрицательное влияние ветра на работу башенных градирен в натурных условиях весьма проблематично по причине многофакторной связи гидроаэротермики градирни с температурой охлажденной воды. Суточные изменения температур и влажности воздуха, инерционность водной массы, проходящей через градирню, изменчивость величин ветра как по абсолютным значениям, так и направлению (особенно при наличии ветровых перегородок) приводят к весьма приближенным связям температур охлажденной воды со скоростью ветра.
Во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева была запроектирована и построена установка для исследований ветрового воздействия на башенные градирни [4]. Объемные исследования на модели позволили сделать выводы о повышении общего аэродинамического сопротивления башни градирни под воздействием ветра, уточнить рациональные компоновки ветровых перегородок, получить наглядную картину циркуляции воздуха в градирнях с различными конструкциями вытяжной башни (конической и биконической формы). Анализ этих исследований показал условность всех достаточно многочисленных поправочных зависимостей на температуру охлажденной воды.
Отрицательно влияет ветер на башенные градирни и в зимних условиях, под воздействием которого образуются мощные льдообразования на нижней кромке башни, периферийных конструкциях оросительного устройства, в устье башни, что приводит к преждевременному выходу из строя важных узлов этого сложного инженерного сооружения и технологического аппарата тепловой станции.
В зимних условиях необходимо тщательное выполнение таких элементов конструкции башенной градирни, как: воздуховходной козырек, защитный тамбур с достаточно герметичными поворотными щитами, грамотным исполнением ветровых перегородок; следует исключить все щели в вытяжной башне (конечно, если она выполнена не в железобетоне), поскольку щели являются возможным центром образования наледей, не говоря об ухудшении тяги воздуха в градирне.
В ряду сложных задач эксплуатации башенных градирен следует выделить проблему выноса части расхода воды в виде капель [30, 34]. Существует вынос воды из градирни, снижение которого невозможно обеспечить никакими инженерными методами, поскольку он обусловлен природой атмосферного охладителя. Теплый и влажный воздух выходит из устья башни градирни в атмосферу холодного наружного воздуха, происходит конденсация, и этот конденсат выпадает на окружающую территорию, но в том случае, если эти мелкие капли не успевают испариться. Отсюда в условиях жаркой погоды и низкой влажности выпадение осадков, как правило, не наблюдается. Это происходит иногда и в зимний период, когда влажность воздуха низкая.
В большинстве случаев конденсат выпадает на землю и в значительном объеме. Но это одна составляющая "дождя" башенных градирен. Вторая -вынос капель, образующихся при разбрызгивании воды по площади оросительного устройства или брызгальной системой. В этом случае следует применять водоулавливающее устройство. До 95-98 % выносимой в виде капельного потока влаги им улавливается. Как дополнительное сопротивление эта конструкция конечно влияет на уровень охлаждения циркуляционной воды, однако практика применения водоуловителя показывает, что это влияние незначительно.
Технологические, конструктивные особенности и результаты натурных гидротермических исследований брызгальной градирни Петрозаводской ТЭЦ
Брызгальная градирня Петрозаводской ТЭЦ (см. рис.1) площадью орошения 1600 м2 имеет вытяжную каркаснообшивную башню высотой 55,2 м с вертикальными воздухорегулирующими щитами.
В градирне функционирует две системы водораспределения: основная и вспомогательная. В период испытаний была задействована только основная система водораспределения, обеспечивающая дифференцированное распределение циркуляционного расхода воды по площади градирни. Эта система расположена в два яруса с отметками 5,75 и 7,25 м и соединена магистральными радиальными трубопроводами с центральным стояком высотой 12,25 м. Фактический напор на соплах не превышал 4,0 м.
Основные технические характеристики градирни приведены в таблице 1, результаты натурных исследований сведены в таблицу 2.
Натурные исследования брызгальной градирни проводились, в основном группой сотрудников лаборатории промышленных охладителей ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева под руководством к.т.н. Г.П. Мандрыкина.
Результаты натурных испытаний брызгальной градирни Петрозаводской ТЭЦ Fop = 1600 м приведены в таблице 2. Там же дано сопоставление температур охлажденной воды в брызгальной градирне, полученной при натурных ее испытаниях, с температурой охлажденной воды для пленочной градирни, полученной по номограммам для пленочной градирни площадью орошения 1600 м при q = 6,0, 8,0 и 10,0 м /(м ч). Номограммы ВНИИГ-АЭП (ТЭП) являются нормативным документом при проектировании башенных градирен и приведены в "Пособии по проектированию градирен" (к СНиП 2.04.02-84) [39].
Сравнение температур охлажденной воды в брызгальной градирне, полученной при натурных ее испытаниях, с температурами охлажденной воды для пленочной градирни, полученной по нормативной номограмме, состоит из ряда операций, включающих:
1. Определение по номограммам для пленочной градирни Fop = 1600 м температур охлажденной воды при плотностях орошения q = 6, 8 и 10 м/(м -ч) соответственно температурам воды и воздуха, его влажности, при которых проводились испытания брызгальной градирни, т.е. определяются температуры охлажденной воды в случае реконструкции градирни по пленочному типу. Так как на испытуемой градирне плотности орошения изменялись в пределах 5, 5 -9,4 м /(м ч) необходимо в каждом случае строить график 12 = f ( q ) с плотностями орошения q = 6, 8, и 10 м /(м ч) и методом интерполяции определять поправку на плотность орошения.
2. Определение величины поправки на температуру охлажденной воды в зависимости от температурного перепада A t. Этот график приведен на номограммах ВНИИГ-АЭП. С соответствующим знаком он вносит поправку на температуру охлажденной воды.
3. Поправка на скорость ветра не вводилась. Охлаждающая способность брызгальной градирни, таким образом, определяется соотношением:
5 = t 2ф - t 2н ,
где 12ф - температура охлажденной воды в брызгальной градирне, измеренная в натуре;
12н - температура охлажденной воды в пленочной градирне, полученная по нормативной номограмме.
После обработки результатов натурных исследований градирни было установлено, что при различных метеофакторах недоохлаждение, определенное относительно соответствующих номограмм, находилось в пределах от - 1,9 С до 3,3 С (Знак « - » перед значением температуры, в данном случае, означает лучшее охлаждение циркуляционной воды относительно соответствующих номограмм). Среднее недоохлаждение составило: 1,0 С.
Описание гидравлического стенда. Результаты исследований разбрызгивающего устройства
Как известно, основными конструктивными элементами, определяющими формирование капельного потока (а, следовательно, и охлаждающую способность брызгальных градирен) являются разбрызгивающие устройства. С целью определения параметров факела разбрызгивания сопла проводились исследования крупности капель, участвующих в процессе охлаждения, геометрии факела разбрызгивания, распределения плотности орошения по радиусу разбрызгивания.
В большинстве брызгальных градирен используются в качестве разбрызгивателей эвольвентные сопла конструкции ВНИИГ [20]. Эти сопла достаточно подробно изучены, однако их надежность была невысокой. Это обстоятельство потребовало несколько усилить корпус, место крепления патрубка с камерой закручивания водного потока, изменить резьбовое соединение корпуса и крышки разбрызгивателя. Доработки конструкции сопла, связанные с обеспечением требований по надежности разбрызгивателя, обусловили необходимость проведения исследований характеристик факела разбрызгивания сопла и создание для этого специального гидравлического стенда.
Стенд сечением 4 х 6 м, где размещаются разбрызгивающие устройства, оснащен подводящим трубопроводом, на котором установлены: расходомер ИР-51 Ду = 50 мм; вентиль для регулировки напора и расхода воды, подаваемой на разбрызгивающее устройство; образцовый манометр для определения напора воды; водосборные сектора для определения плотности орошения по радиусу факела разбрызгивания. Максимально возможный напор воды составил 25 м. Принципиальная схема стенда приведена на рис.4.
Экспериментальный гидравлический стенд апробирован и аттестован Госстандартом РФ с правом производства испытаний, исследований и сертификации разбрызгивающих устройств.
Гидравлические исследования сопла конструкции ВНИИГ-Арматэк проведены по существующим методикам. Методика исследований доработана в части оперативного определения гранулометрического состава капель факела разбрызгивания.
На основании внесенных изменений в конструкцию сопла были оформлены (совместно с производителем разбрызгивающих устройств АОЗТ «Арматэк») технические условия ТУ 3113-006-35491454-98;
Сопло конструкции ВНИИГ - Арматэк (рис.5) представляет собой однозаходную центробежную форсунку с выходным отверстием 25 мм и камерой закручивания диаметром 140 мм.
Разбрызгивающее устройство работает следующим образом: вода под давлением попадает в камеру по входному патрубку и огибает центрирующий выступ. В камере закручивания водный поток формируется внутренними стенками корпуса и центрирующим выступом, которые организуют винтовое, вращательное движение жидкости и обуславливают ускорение потока при его переходе от большого радиуса камеры закручивания к малому радиусу выходного отверстия сопла. Весьма значительные ускорения потока обуславливают высокие скорости воды на выходе из сопла, что в свою очередь, определяет уровень дисперсности капельного потока. Конусообразная форма центрирующего выступа создает равномерное распределение водного потока в камере и на выходе из отверстия при установленной соразмерности диаметров торца выступа и отверстия. Уменьшение размеров капель происходит за счет того, что вода в виде закрученного потока плавно обтекает камеру и выступ, по внутренней стенке переходит в основной своей массе к овалу крышки и устремляется к выходному отверстию. Поток воды, выходя из отверстия, переходит в веерообразное состояние.
В результате исследований гидравлических характеристик сопла конструкции ВНИИГ - Арматэк были получены расходные и геометрические параметры разбрызгивателя (см. рис. 6), которые мало отличались от ранее измеренных, но, главное, стенд позволил проводить отбраковку сопл, не удовлетворяющих требованию целостности, герметичности соединений элементов сопла при повышенных напорах воды, а также усовершенствовать конструкцию разбрызгивающего устройства. В настоящее время каждое сопло ВНИИГ-Арматэк проходит испытания на гидравлическом стенде.
Установление диапазонов гидравлических и тепловых характеристик, определяющих эффективную работу башенных брызгальных градирен
На основании натурных гидротермических исследований башенных брызгальных градирен Петрозаводской ТЭЦ, Тольяттинской ТЭЦ (градирни ст.№№ 3 и 4), Кировской ТЭЦ-4 были получены все исходные данные для построения зависимости л эф = f (U). Обработка данных измерений выполнена методом наименьших квадратов, для каждой градирни был подсчитан коэффициент корреляции. Графики приведены на рис. 8, 9, 10, 11.
Следует отметить, что изложенный метод определения охлаждающей способности башенных градирен можно характеризовать как достаточно показательный, но требующий при его использовании тщательного анализа как данных технологических испытаний, так и полного представления о конструкции всех элементов градирни. Только в этом случае можно получить с достаточной достоверностью заключение об эффективности охлаждения циркуляционной воды башенной брызгальной градирней и разработать соответствующие рекомендации.
На рисунке 8 приведена зависимость пЭф = f (U) по результатам натурных исследований брызгальной градирни Петрозаводской ТЭЦ. Большой объём натурных исследований позволил получить уровни охлажденной воды в широком диапазоне гидравлических и тепловых нагрузок.
При статистической обработке данных натурных исследований выявлено: Уравнение связи пЭф = 0,721 + 0,0028 U. Коэффициент корреляции 0,84. Коэффициент эффективности изменялся от 0,80 до 1,05 при изменении тепловых нагрузок от 20 до 115 Мкал/(м ч). На этом же графике нанесены значения г)Эф = f (U), согласно номограмме ОРГРЭС. В области эффективного охлаждения циркуляционной воды номограммы ВНИИГ-АЭП и ОРГРЭС показали практически идентичные результаты. Номограмма ОРГРЭС, по которой определялись температуры охлажденной воды, составлена для башенной градирни площадью орошения 1600 м с двухъярусным асбошиферным оросителем и расстоянием между щитами 25 мм. Уравнение связи для номограммы ОРГРЭС пЭф = 0,566 + 0,0045 U. Коэффициент корреляции равен 0,90.
На рисунке 9 представлена зависимость пЭф = f (U) по результатам натурных исследований брызгальной градирни ст. №3 Тольяттинской ТЭЦ. Уравнение связи пЭф = 0,705 + 0,0025 U. Коэффициент корреляции 0,54. Средняя величина недоохлаждения в сравнении с градирней пленочного типа составляет 2,4 С ; пэф = 0,86.
На рисунке 10 приведена зависимость пЭф = f (U) по результатам натурных исследований градирни № 4 Тольяттинской ТЭЦ проведенных в 1996 г. Уравнение прямой: лЭф = 0,57 + 0,003 U. Коэффициент корреляции равен 0,80. Средняя величина недоохлаждения в сравнении с градирней пленочного типа составляет 4,1 С; лЭф = 0,7. Верхние экспериментальные точки определяют уровень охлаждения циркуляционной воды этой же градирни после проведения наладочных работ. Ввиду ограниченного диапазона гидравлических и тепловых нагрузок в период натурных исследований в 1998 г. получить показательную связь пЭф = f (U) не представилось возможным, однако установлено, что средний уровень недоохлаждения воды брызгальной градирней в сравнении с пленочной снизился и составил 2,6С ; пЭф = 0,85. Таким образом, сравнительно небольшой объём наладочных работ на градирне позволил снизить температуру охлажденной воды на 1,5 С.
На рисунке 11 представлена зависимость пэф = f (Ц) по результатам натурных исследований брызгальной градирни Кировской ТЭЦ-4. Уравнение связи пЭф = 0,55 + 0,009 U. Коэффициент корреляции 0,5. В период испытаний не удалось достигнуть широкого диапазона гидравлических и тепловых нагрузок, их изменения находились в пределах 33-52 Мкал/(м ч). Вместе с тем, по данным натурных измерений можно судить об уровнях охлаждения циркуляционной воды этой градирней. Коэффициент эффективности изменялся от 0,88 до 1,05, при средней величине недоохлаждения 0,9С; пЭф = 0,94. При расходе воды порядка 11000 м/ч уровень охлаждения был идентичен градирням пленочного типа.
Как показал приведенный анализ охлаждающей способности исследованных в натурных условиях брызгальных градирен, надежная корреляционная связь пЭф от тепловой нагрузки существует для градирен Петрозаводской и Тольяттинской ТЭЦ (градирня ст. № 4), причем в исследованном диапазоне нагрузок при увеличении тепловой нагрузки коэффициент эффективности лЭф возрастает. Охлаждающая способность брызгальной градирни № 3 Тольяттинской ТЭЦ и градирни Кировской ТЭЦ-4 сравнительно мало зависит от тепловой нагрузки, коэффициент эффективности близок к постоянной величине. Как известно, с увеличением расхода воды на градирню уровень температур охлажденной воды возрастает. Согласно номограмме ВНИИГ-АЭП, например, для градирни площадью орошения 1600 м2 при одинаковых значениях температур воздуха и его влажности 6 = 20 С, ф = 60% и д1=10С увеличение плотности орошения с 6м3/ (м2 ч) до 10 м3/(м2 ч) значения температур охлажденной воды с 29,2 С поднимается до температуры воды 33,5 С. Эта тенденция сохраняется для всех типов градирен. Вместе с тем, увеличение расхода воды особенно важно для брызгальных градирен, так как в этом случае повышается напор воды на сопла, что приводит к уменьшению средней крупности капель и, следовательно, к лучшему охлаждению циркуляционной воды.
Следует также отметить, что для каждой конструкции градирни имеется определенный рубеж, когда увеличение расхода воды приводит к возрастанию взаимовлияния факела разбрызгивания, что, в свою очередь, приводит к укрупнению капель и к снижению охлаждающей способности брызгальной градирни.
Малая зависимость пЭф от значений тепловой нагрузки приводит к выводу об уравновешивании двух тенденций в процессе охлаждения: повышение расхода воды и, как следствие, уменьшение крупности капель в капельном потоке и, с другой стороны, увеличение расхода воды на градирню, как было отмечено, связано со снижением охлаждающего эффекта. Опыт наладочных работ на брызгальных градирнях, в частности, Тольятганской ТЭЦ показал, что ориентацией сопл в периферийной области вместе с улучшением компоновки сопл приводит к интенсификации процесса охлаждения (коэффициент пЭф = 0,70 после проведения наладочных работ увеличился: пЭф = 0,85). Повышение напора воды на Петрозаводской ТЭЦ привело к уровням охлаждения близким к градирням пленочного типа (в диапазонах тепловых нагрузок 70 - 115 Мкал/(м ч).
При рассмотрении результатов натурных исследований башенных брызгальных градирен с помощью зависимости лЭф = f (U) можно выделить диапазоны нагрузок, при которых брызгальная градирня работает с минимальным недоохлаждением относительно соответствующих номограмм охлажденной воды для пленочных градирен.
