ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016)

Содержание

Введение

VII

Предисловие

Область применения

Раздел 1. Общая информация об областях применения ПСО

1.1 Предприятия черной и цветной металлургии

1.2 Химическая промышленность, нефтепереработка и нефтехимия

1.3 Тепловые и атомные электростанции

1.4 Компрессорные станции

1.5 Целлюлозно-бумажная промышленность

Раздел 2. Применяемые системы охлаждения

2.1 Классификация ПСО

2.2 Прямоточные водные системы охлаждения

2.3 Оборотные водные ПСО

2.3.1 ПСО с башенными испарительными градирнями

2.3.2 Вентиляторные испарительные градирни

2.3.3 Эжекционные градирни

2.3.4 Атмосферные градирни

2.3.5 Оборотные ПСО с водоемами-охладителями

2.3.6 Оборотные ПСО с брызгальными бассейнами

2.4 Воздушные радиаторные ПСО

2.4.1 Вентиляторные сухие системы охлаждения

2.4.2 Радиаторные градирни с естественной тягой

2.4.3 Радиаторные градирни с орошением

Раздел 3. Экологические аспекты ПСО

3.1 Виды экологических аспектов ПСО

3.2 Потребление энергии

3.2.1 Прямое потребление электроэнергии

3.2.2 Косвенное влияние на энергопотребление охлаждаемого

оборудования

3.2.3 Применяемые методы снижения потребления энергии

системами охлаждения

102

3.3 Водопользование

103

3.3.1 Виды водопользования

103

3.3.2 Применяемые методы снижения безвозвратного потребления

воды

106

3.4 Ущерб водным организмам

107

3.4.1 Уровень ущерба

107

3.4.2 Применяемые методы снижения ущерба

110

3.5 Тепловое воздействие на окружающую среду

121

3.5.1 Влияние ПСО на температуру воды водных объектов

121

3.5.2 Законодательные ограничения теплового воздействия на

окружающую среду

129

3.5.3 Применяемые методы снижения влияния ПСО на

температурный режим водных объектов

130

3.6 Сбросы загрязняющих веществ в водные объекты от ПСО

132

3.6.1 Обработка охлаждающей воды

133

3.6.2 Загрязняющие вещества, сбрасываемые ПСО в окружающую

среду

156

3.6.3 Снижение сбросов в поверхностные водные объекты

164

3.6.4 Снижение сбросов путем выбора материалов и конструкции

ПСО

168

3.6.5 Применение дополнительных и альтернативных методов

обработки охлаждающей воды

169

3.6.6 Оптимизация методов обработки циркуляционной воды

175

3.7 Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу

176

3.7.1 Объемы выбросов в атмосферу

176

3.7.2 Методы снижения выбросов

177

3.8 Паровые факелы градирен

178

3.8.1 Условия образования парового факела

178

3.8.2 Методы предотвращения и уменьшения парового факела

179

3.9 Шум

180

3.9.1 Источники и уровни шума ПСО

180

3.9.2 Применяемые методы шумоподавления

183

3.10 Риск утечек опасных веществ

186

3.10.1 Причины и потенциальные последствия утечек охлаждаемых

веществ

186

3.10.2 Методы снижения рисков утечек

188

III

3.10.3 Техническая диагностика и профилактическое техническое

обслуживание

190

3.10.4 Обращение с химическими реагентами

193

3.11 Риски микробиологического загрязнения

194

3.11.1 Условия развития микроорганизмов в ПСО

194

3.11.2 Методы снижения микробиологических рисков

196

3.12 Образование отходов

200

Раздел 4. Определение НДТ ПСО

202

Раздел 5. НДТ ПСО

205

5.1 Общие элементы НДТ для всех типов ПСО

207

5.1.1 Учет косвенного влияния ПСО на эффективность

охлаждаемого производственного объекта и технологического

оборудования

207

5.1.2 Снижение производительности ПСО путем оптимизации

объемов повторного использования тепла

208

5.1.3 Учет требований охлаждаемого производственного

оборудования

209

5.1.4 Учет местных условий

209

5.1.5 Снижение прямого энергопотребления

210

5.1.6 Снижение объемов водопотребления

210

5.1.7 Снижение ущерба для водных организмов при заборе воды

211

5.1.8 Снижение сбросов загрязняющих веществ со сточными водами

212

5.1.9 Снижение уровня шума

214

5.2 НДТ-1. Прямоточные ПСО

214

5.2.1 Классификационные признаки

214

5.2.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

215

5.2.3 Области, условия и ограничения применения

216

5.3 НДТ-2. Оборотные водные ПСО с водоемами-охладителями

218

5.3.1 Классификационные признаки

218

5.3.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

219

5.3.3 Области, условия и ограничения применения

220

5.4 НДТ-3. Оборотные водные ПСО с брызгальными бассейнами

222

5.4.1 Классификационные признаки

222

5.4.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

223

5.4.3 Области, условия и ограничения применения

223

5.5 НДТ-4. Оборотные водные ПСО с атмосферными градирнями

225

5.5.1 Классификационные признаки

225

5.5.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

225

5.5.3 Области, условия и ограничения применения

226

5.6 НДТ-5. Оборотные водные ПСО с башенными испарительными

градирнями

228

5.6.1 Классификационные признаки

228

5.6.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

228

5.6.3 Области, условия и ограничения применения

229

5.7 НДТ-6. Оборотные водные ПСО с вентиляторными испарительными

градирнями с принудительной тягой или под наддувом

232

5.7.1 Классификационные признаки

232

5.7.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

232

5.7.3 Области, условия и ограничения применения

233

5.8 НДТ-7. Оборотные водные ПСО с эжекционными испарительными

градирнями

235

5.8.1 Классификационные признаки

235

5.8.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

235

5.8.3 Области, условия и ограничения применения

236

5.9 НДТ-8. Воздушные ПСО с башенными радиаторными градирнями

238

5.9.1 Классификационные признаки

238

5.9.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

238

5.9.3 Области, условия и ограничения применения

239

5.10 НДТ-9. Воздушные ПСО с вентиляторными радиаторными

градирнями, аппаратами воздушного охлаждения, воздушными

конденсаторами

240

5.10.1 Классификационные признаки

240

5.10.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

240

5.10.3 Области, условия и ограничения применения

241

5.11 НДТ-10. Комбинированные ПСО

242

5.11.1 Классификационные признаки

242

5.11.2 Значимые аспекты, уровни воздействий и потребления

242

5.11.3 Области, условия и ограничения применения

243

Раздел 6. Экономические аспекты реализации НДТ

243

Раздел 7. Перспективные технологии

259

7.1 Использование градирен для отведения дымовых газов

259

7.2 Открытые гибридные системы охлаждения

261

7.3 Абсорбционные тепловые насосы

264

7.4 Безреагентный каталитический метод борьбы с биообрастаниями

ПСО

266

Заключительные положения

268

Приложение А (справочное) Термины, определения и сокращения

275

Приложение Б (обязательное) Перечень НДТ ПСО

289

Приложение В (обязательное) Энергоэффективность

290

Приложение Г (справочное) Перечни основного технологического

оборудования, эксплуатируемого при применении НДТ ПСО

291

Приложение Д (рекомендуемое) Рекомендуемые перечни нормируемых

показателей качества сточных вод ПСО

318

Приложение Е (обязательное) Основные и дополнительные виды

деятельности с учетом областей применения НДТ, а также действующих в

Российской Федерации кодов ОКВЭД и видам деятельности ОКПД

322

Библиография

324

Введение

Настоящий информационно-технический справочник по наилучшим доступным

технологим (далее - справочник НДТ) является документом по стандартизации, раз-

работанным на основе анализа технологических, технических и управленческих реше-

ний, применяемых в Российской Федерации при проектировании, строительстве, ре-

конструкции и эксплуатации промышленных систем охлаждения. Целью настоящего

справочника НДТ является определение наилучших доступных технологий промыш-

ленного охлаждения - наиболее прогрессивных технологий охлаждения, применяе-

мых в настоящее время в промышленности Российской Федерации, обеспечивающих

наиболее высокий уровень охраны окружающей среды и рационального использования

природных и энергетических ресурсов, технически реализуемых и экономически эф-

фективных.

Краткое содержание справочника НДТ

В предисловии указана цель разработки настоящего справочника НДТ, его ста-

тус, законодательный контекст, краткое описание процедуры создания в соответствии с

установленным порядком, а также взаимосвязь с аналогичными международными до-

кументами.

В области применения перечислены основные виды экономической деятельно-

сти, на которые распространяется действие настоящего справочника НДТ, определены

границы области его применения.

В разделе 1 представлена общая информация о потребностях в охлаждении

технологического оборудования при осуществлении различных видов экономической

деятельности, более подробно описаны основные области применения настоящего

справочника НДТ.

В разделе 2 представлена классификация ПСО, а также сведения о технологиях

охлаждения, в настоящее время применяемых в Российской Федерации, включающие

краткое описание работы основного и вспомогательного оборудования, а также значи-

мые экологические аспекты их работы, характеристики энерго- и водопотребления.

В разделе 3 дана сравнительная оценка потребления энергетических и природ-

ных ресурсов и уровней воздействий на окружающую среду различных типов ПСО,

применяемых в Российской Федерации. Наряду с прямыми воздействиями рассмотре-

ны также косвенные влияния ПСО на уровни потребления ресурсов и воздействий на

окружающую среду охлаждаемых процессов. Раздел подготовлен на основе данных,

VII

представленных предприятиями Российской Федерации в рамках проведения опроса, а

также различных литературных источников.

В разделе 4 описаны особенности подхода, примененного для идентификации

НДТ ПСО при разработке настоящего справочника НДТ, в соответствии с Правилами

определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а также разра-

ботки, актуализации и опубликования информационно-технических справочников по

наилучшим доступным технологиям (постановление Правительства Российской Феде-

рации от 23 декабря 2014 года № 1458) и Методическими рекомендациями по опреде-

лению технологии в качестве наилучшей доступной технологии (приказ Министерства

промышленности и торговли Российской Федерации от 31 марта 2015 года № 665).

В разделе 5 приведено краткое описание идентифицированных НДТ ПСО. Для

каждой из НДТ приведены:

- классификационные признаки технологии, на основании которых возможно от-

несение ПСО к данной НДТ. В разделах приведены признаки ПСО, которые должны

учитываться при классификации. Полагается, что эти признаки будут использоваться, в

том числе, при применении мер экономического стимулирования внедрения НДТ;

- значимые аспекты, уровни воздействий на окружающую среду и потребления

природных и энергетических ресурсов. В данных разделах указаны перечни значимых

аспектов конкретных НДТ. По мере возможности для значимых аспектов указаны чис-

ловые оценки уровней воздействий и потребления ресурсов, связанные с применением

данных НДТ. Прочие аспекты, для которых не указаны численные оценки уровней воз-

действий и потребления ресурсов, существенно зависят от местных условий и специ-

фики охлаждаемых процессов, поэтому для них такая оценка оказалась невозможной;

- области, условия и ограничения применения. В этих разделах определены об-

ласти применения конкретных НДТ, а также условия и ограничения, при которых кон-

кретная ПСО может считаться НДТ.

В разделе 6 приведены доступные сведения об экономических аспектах реали-

зации НДТ ПСО на предприятиях Российской Федерации.

В разделе 7 приведены сведения о некоторых технологических и технических

решениях в области промышленного охлаждения, не применяемых в России на момент

подготовки настоящего справочника НДТ, и направленных на повышение энергоэф-

фективности, обеспечение ресурсосбережения, снижение эмиссий загрязняющих ве-

ществ.

В заключительных положениях приведены сведения об организации разра-

ботки, согласования и утверждения настоящего справочника НДТ, организациях, при-

VIII

Предисловие

Цели, основные принципы и порядок разработки справочников НДТ установлены

Порядком определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии, а

также разработки, актуализации и опубликования информационно-технических спра-

вочников по наилучшим доступным технологиям (постановление Правительства Рос-

сийской Федерации от 23 декабря 2014 г. № 1458).

В соответствии со структурой российской системы экологического нормирования

основным функциональным назначением справочников НДТ является информацион-

ное обеспечение и обоснование нормативных требований в области охраны окружаю-

щей среды, которые будут установлены в дальнейшем нормативными документами в

области охраны окружающей среды для определенных, наиболее существенно влия-

ющих на состояние окружающей среды видов деятельности, включая:

- требования в области охраны окружающей среды к работам, услугам и мето-

дам их контроля;

- ограничения и условия осуществления хозяйственной и иной деятельности, по-

тенциально оказывающей значительное негативное воздействие на окружающую сре-

ду;

- порядок организации деятельности в области охраны окружающей среды и

управления такой деятельностью на хозяйственных объектах;

- технологические показатели НДТ, определяющие допустимые уровни воздей-

ствия на окружающую среду.

Настоящий справочник НДТ является межотраслевым, не включает обязатель-

ных технологических показателей НДТ, но содержит необходимую информацию для

принятия обоснованных решений в части проектирования и эксплуатации промышлен-

ных систем охлаждения в различных отраслях экономической деятельности.

Перечень технологических процессов, оборудования, технических способов и

методов, применяемых при осуществлении хозяйственной и (или) иной деятельности,

которые оказывают значительное негативное воздействие на окружающую среду и

наиболее значимы для достижения целей охраны окружающей среды и рационального

природопользования, и, соответственно, отнесенных к области применения НДТ, опре-

делен распоряжением Правительства Российской Федерации от 24 декабря 2014 г.

№ 2674-р «Об утверждении Перечня областей применения наилучших доступных тех-

нологий».

Для того чтобы технология могла быть идентифицирована как НДТ, она должна

одновременно соответствовать нормативно установленным критериям (на основе фак-

тической информации о ее применении в хозяйственной деятельности):

- иметь наименьшие из достигнутых технологиями аналогичного функционально-

го назначения удельных показателей негативного воздействия на окружающую среду;

- внедрение и применение технологии должно быть экономически эффективным;

- иметь относительно низкий уровень ресурсо- и энергопотребления;

- иметь приемлемый период внедрения;

- должны быть примеры успешного применения технологии в промышленных

масштабах.

Функциональным назначением настоящего справочника НДТ является информа-

ционная поддержка обоснования требований к технологическим процессам, техниче-

ским способам и методам, применяемым в промышленных системах охлаждения.

1 Статус документа

Настоящий справочник НДТ является документом по стандартизации. Его юри-

дический статус определен Федеральным законом от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О

стандартизации в Российской Федерации».

Настоящий справочник НДТ не является нормативным правовым документом и

не содержит правовых норм, обязательных для применения при осуществлении хозяй-

ственной и иной деятельности. Применение рекомендаций, содержащихся в справоч-

нике НДТ, осуществляется субъектами хозяйственной деятельности на добровольной

основе.

2 Информация о разработчиках

Настоящий справочник НДТ разработан технической рабочей группой «Промыш-

ленные системы охлаждения» (ТРГ 20), состав которой утвержден приказом Росстан-

дарта от 4 марта 2016 г. № 235 «О создании технической рабочей группы «Промыш-

ленные системы охлаждения» (в редакции приказа от 18 июля 2016 г. № 1047).

Ниже приведен перечень организаций, представители которых принимали уча-

стие в разработке настоящего справочника НДТ:

- АО «Атомэнергопроект»

- АО «Евр°CибЭнерго»

- АО «Концерн «Росэнергоатом»

- АО «Танеко»

- Ассоциация «НП «КИЦ СНГ»

- Ассоциация «Совет производителей электроэнергии и стратегических инвесто-

ров электроэнергетики»

- Группа компаний Danone

- ЗАО «Ионообменные технологии»

- ЗАО «Карабашмедь»

- ЗАО «Кировский молочный комбинат»

- ЗАО «Новгородский металлургический завод»

- ЗАО «Русская медная компания»

- ЗАО НПВП «Турбокон»

- Минпромторг России

- Национальный исследовательский университет «Московский энергетический

институт»

- НП «НТС ЕЭС»

- ОАО «ТГК-2»

- ООО «Интер РАО - Управление электрогенерацией»

- ООО «Новые Технологии»

- ООО «Остров-Комплект»

- ООО «Сибирская генерирующая компания»

- ООО «Химическая Группа «Основа», ГК Миррико

- ПАО «Интер РАО»

- ПАО «Юнипро»

- РАО «Бумпром»

- ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной про-

мышленности»

- ФГБУ «ВНИИ Экология»

- ФГБУ РосНИИВХ

- ФГУП «ВНИИ СМТ»

- Филиал ОАО «Концерн Росэнергоатом» Кольская АЭС

ТРГ 20 выражает благодарность АО «Всероссийский теплотехнический инсти-

тут» и Фонду «Энергия без границ» (группа Интер РАО) за помощь в формировании и

техническом редактировании содержания настоящего справочника НДТ.

Настоящий справочник НДТ представлен на утверждение Бюро наилучших до-

ступных технологий (далее - Бюро НДТ) (www.burondt.ru ).

XII

3 Краткая характеристика

Настоящий справочник НДТ содержит описание промышленных технологий

охлаждения, применяемых в России, технологических процессов, оборудования, тех-

нических способов, методов, позволяющих снизить негативное воздействие на окру-

жающую среду, водопотребление, повысить экономичность, конкурентоспособность,

энергоэффективность, ресурсосбережение. Из описанных применяемых технологиче-

ских процессов, оборудования, технических способов, методов определены техниче-

ские решения, являющиеся наилучшими доступными технологиями (НДТ).

4 Взаимосвязь с международными, региональными аналогами

При разработке настоящего справочника НДТ были использованы сведения из

европейского справочника НДТ «Промышленные системы охлаждения» (Reference

Document on the application of Best Available Techniques to Industrial Cooling Systems)

([9]), а также европейского справочника НДТ по обеспечению энергоэффективности

(Reference document on best available techniques for energy efficiency).

5 Сбор данных

Информация о технологических процессах, оборудовании, технических спосо-

бах, методах охлаждения, применяемых в промышленности Российской Федерации,

была собрана в процессе разработки настоящего справочника НДТ в соответствии с

Порядком сбора данных, необходимых для разработки справочника НДТ и анализа

приоритетных проблем отрасли, утвержденным приказом Росстандарта от 23 июля

2015 г. № 863.

6 Взаимосвязь с другими справочниками НДТ

Настоящий справочник НДТ предназначен для применения при формировании

отраслевых справочников НДТ видов экономической деятельности, отнесенных к обла-

стям применения НДТ.

7 Информация об утверждении, опубликовании и введении в действие

Настоящий справочник НДТ утвержден приказом Росстандарта от 15 декабря

2016 г. № 1882.

Настоящий справочник НДТ введен в действие с 1 июля 2017 г., официально

опубликован в информационной системе общего пользования - на официальном сай-

те Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Ин-

тернет (www.gost.ru ).

XIII

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК ПО

НАИЛУЧШИМ ДОСТУПНЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Industrial cooling systems

Дата введения - 2017-07-01

Область применения

В справочнике НДТ рассмотрены системы охлаждения, которые применяются

при осуществлении видов хозяйственной деятельности, отнесенных в Российской Фе-

дерации к областям применения НДТ (распоряжение Правительства Российской Феде-

рации от 24 декабря 2014 г. № 2674-р), и которые могут оказывать значительное пря-

мое или косвенное влияние на состояние окружающей среды в условиях нормальной

эксплуатации или в аварийных режимах, специально предназначеные для отведения

тепла в окружающую среду и используются для отведения тепла от стационарных

промышленных установок и объектов, отнесенных к областям применения НДТ.

В справочнике НДТ не рассматриваются:

- вопросы передачи тепла между производственными технологическими процес-

сами, с целью охлаждения или отопления помещений или иного полезного применения

тепла, а также процессы непреднамеренных потерь тепла в окружающую среду,

например, с отходящими газами энергоустановок или через внешнюю поверхность тех-

нологического оборудования в окружающий воздух, потерь тепла с продукцией или от-

ходами производства;

- системы охлаждения передвижных установок, транспортных средств, а также

системы охлаждения (кондиционирования) воздуха с целью создания благоприятных

условий жизни и работы в жилых, общественных и производственных зданиях и поме-

щениях.

Основные виды хозяйственной деятельности, отнесенные к областям примене-

ния НДТ, системы охлаждения которых рассматривались при формировании настоя-

щего справочника НДТ:

- добыча природного газа и газового конденсата;

- целлюлозно-бумажная промышленность;

- нефтепереработка и нефтехимия;

- химическая промышленность;

- черная и цветная металлургия;

- тепловая и атомная энергетика;

- пищевая промышленность;

- стекольная промышленность.

Материалы настоящего справочника НДТ могут также быть использованы в це-

лях совершенствования проектирования и эксплуатации ПСО в областях деятельно-

сти, не отнесенных в настоящее время к областям применения НДТ.

Теплообменные аппараты, предназначенные для передачи тепла от охлаждае-

мого технологического оборудования напрямую в окружающую среду или промежуточ-

ному теплоносителю, рассматриваются как часть охлаждаемой технологической уста-

новки и не относятся в ПСО. В справочнике НДТ рассматриваются только некоторые

характеристики данных теплообменных аппаратов, влияющие на показатели эффек-

тивности и экологической безопасности ПСО.

Раздел 1. Общая информация об областях применения ПСО

Любой реальный производственный процесс связан с образованием тепла. Это

вызвано тем, что все производственные процессы связаны с преобразованием энергии

из одной формы (ядерной, химической, механической, электрической и пр.) в другую,

которое неизбежно происходит с выделением тепла. В зависимости от интенсивности

процессов образования избыточного тепла и наличия или отсутствия возможности его

полезного использования, отведение избыточного тепла в окружающую среду осу-

ществляется неорганизованным образом, например, с поверхности технологической

установки, или сооружаются установки, специально предназначенные для организо-

ванного отведения тепла, называемые системами охлаждения. От того, насколько си-

стемы охлаждения обеспечивают потребности охлаждаемых технологических процес-

сов и оборудования в отведении избыточного тепла существенным образом зависит

энергоэффективность, надежность и экологические показатели охлаждаемого обору-

дования. Далее в этом разделе рассмотрены вопросы, связанные с отраслевыми осо-

бенностями объемов избыточного тепла, его температурного уровня и влияния каче-

ства охлаждения на показатели надежности, эффективности и экологической безопас-

ности охлаждаемых процессов.

В таблице 1.1 приведены данные об удельном потреблении энергии различными

видами экономической деятельности (по данным Государственного доклада o состоя-

нии энергосбережения и повышении энергетической эффективности в Российской Фе-

дерации в 2014 году ([50]).

Таблица 1.1 - Удельный расход топливно-энергетических ресурсов в разрезе отраслей

экономики Российской Федерации за 2012-2014 годы ([50])

Единицы измере-

2012

2013

2014

Отрасль

ния

Производство удобрений

кг у. т./тонну

494,3

487,0

470,1

Целлюлозно-бумажная про-

кг у. т./тонну

1109,8

1068,8

1062,2

мышленность

Черная металлургия

кг у. т./тонну

650,6

657,4

647,8

Добыча природного газа

кг у. т./1000 м³

9,1

9,2

Транспортировка природного

кг у. т./1000 м^3-к

29,6

28,9

28,4

газа

Переработка природного газа

кг у. т./1000 м³

85,9

83,7

82,7

Сжиженный природный газ

кг у. т./кг

0,2

Нефтедобыча

кг у. т./тонну

18,2

18,0

17,7

Переработка нефти

кг у. т./тонну

107,7

110,1

112,2

Нефтегазохимия

кг у. т./тонну

1027,7

1000,1

956,1

Попутный нефтяной газ

кг у. т./1000 м³

41,4

41,0

40,6

Генерация электроэнергии

г у.т./квтч

330,4

328,4

325,1

Практически вся первичная энергия, потребляемая отраслями, указанными в

таблице 1.1 (за исключением производства электроэнергии), в конечном счете превра-

щается в тепло и отводится в атмосферу как неорганизованно, так и разнообразными

специальными системами охлаждения. Каждая из отраслей характеризуется специфи-

ческими объемами и температурным уровнем избыточного тепла, которое отведится в

окружающую среду. Далее в разделе 1 приведены сведения об особенностях причин

образования, объемов и параметров избыточного тепла при осуществлении некоторых

видов хозяйственной деятельности.

1.1 Предприятия черной и цветной металлургии

Черная металлургия - отрасль тяжелой промышленности, которая включает

производство чугуна, стали, проката, ферросплавов, а также добычу и обогащение же-

лезной руды и производство огнеупоров. В структуру черной металлургии Российской

Федерации входит более 1,5 тыс. предприятий. В России выделяют три основных базы

черной металлургии: уральская, центральная и сибирская. Основу российской черной

металлургии составляют 6 крупных вертикально и горизонтально интегрированных

холдингов, на долю которых приходится более 93 % всей выпускаемой продукции: Се-

версталь, EVRAZ, Новолипецкий металлургический комбинат, Магнитогорский метал-

лургический комбинат, Металлоинвест, Мечел.

Рисунок 1.1 - Основные базы черной металлургии Российской Федерации ([55])

Уральская база - старейшая в России и самая крупная. Сейчас здесь произво-

дят около половины всей продукции черной металлургии страны. Уральская металлур-

гическая база связана с кузбасским углем и уральскими месторождениями железной

руды. Центрами металлургии Урала являются Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил,

Екатеринбург. Крупнейшие предприятия - Магнитогорский металлургический комби-

нат, Челябинский металлургический комбинат, Чусовской металлургический завод и

другие.

Поскольку месторождения железной руды на Урале практически исчерпаны, на

смену Уральской металлургической базе строится Сибирская. На данный момент эта

база находится на стадии формирования и представлена двумя крупными металлурги-

ческими предприятиями - Кузнецкий металлургический комбинат и Западно-

Сибирский металлургический комбинат в Новокузнецке.

Центральная металлургическая база использует собственные месторождения

железной руды, которые находятся в Курской и Белгородской областях. Добыча руды

здесь очень дешева и добывается открытым способом. Здесь нет угля, но в силу удоб-

ного географического расположения, предприятия снабжаются углем из трех бассей-

нов - Донецкого, Печорского и Кузнецкого. Крупнейшие предприятия - Череповецкий

металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, металлурги-

ческие заводы в Туле и Старом Осколе.

По объему запасов железной руды Россия занимает третье место в мире, усту-

пая по этому показателю Австралии и Бразилии. Разведанные запасы железной руды в

России составляют около 25 млрд. тонн, что в пересчете на чистое железо составляет

14 млрд. тонн.

Наибольшие объемы избыточного тепла на предприятиях черной металлургии

образуются при охлаждении агрегатов доменных цехов, в установках по очистке до-

менного газа, прокатных цехах, воздуходувных и электрических станциях (теплоэлек-

троцентралях). Раньше много потребляли воды и сталеплавильные цехи, но с перево-

дом печей на испарительное охлаждение, при котором охлаждение нагретых элемен-

тов печи производится пароводяной эмульсией, потребность этих цехов в воде резко

сократилась.

В настоящее время для охлаждения теплонагруженных элементов металлурги-

ческих печей применяют в основном следующие три типа систем охлаждения:

- охлаждение проточной технической водой;

- испарительное охлаждение (с естественной и принудительной циркуляцией);

- охлаждение химически очищенной водой в замкнутом контуре с использовани-

ем теплообменников.

При проточном водяном охлаждении отвод теплоты от водоохлаждаемых эле-

ментов производится холодной проточной водой. При этом расход воды должен обес-

печить, по возможности, безнакипный режим. Данное условие трудно выполнимо, так

как техническая вода содержит накипеобразователи, которые при нагреве воды оса-

ждают на стенках деталей, препятствуя отводу от них тепла.

Каждая из названных систем имеет свои преимущества и недостатки, что каса-

ется обеспечения качества охлаждения, а также их экономичности и эффективности.

Все большее распространение получает система испарительного охлаждения

металлургических печей (доменных, мартеновских, электроплавильных, нагреватель-

ных и вагранок). При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи

отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом ис-

пользуется скрытая теплота парообразования, т. е. тепло, отбираемое охлаждающей

водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобож-

денная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар ис-

пользуется на технологические нужды завода.

Данная система охлаждения представляет собой комбинацию двух функцио-

нально независимых систем: традиционное испарительное охлаждение с естественной

циркуляцией для холодильников шахты (первый контур) и принудительная циркуляция

холодной химически очищенной для охлаждения холодильников нижней зоны и труб

подлещадного охлаждения (второй контур), которые объединены общей системой ути-

лизации тепла нагретой воды для подогрева воздуха, идущего для горения газа в до-

менных воздухонагревателях.

Система теплоиспользования состоит из водовоздушного теплообменника (ка-

лорифера), пароводяных теплообменников (бойлеров) и водоводяных теплообменни-

ков. Калориферы используются в качестве теплообменников, в которых за счет тепла

нагретой воды охлаждаемых элементов нижней зоны и тепла конденсации пара систе-

мы испарительного охлаждения холодильников шахты нагревается воздух, идущий для

горения газа в воздухонагревателях.

Системы испарительного охлаждения также используются для охлаждения эле-

ментов печей цветной металлургии. В печах кипящего слоя охлаждают стояки отходя-

щих газов (для предварительного охлаждения газов), кессоны для отвода теплоты от

слоя; в отражательных - рамы завалочных окон, пятовые балки, шибера. Кессоны,

шахты, свода и пода фьюминговой печи; в конвертерах - напыльники; в печи рудно-

термической плавки - закладные элементы кладки стен печи, приэлектродные зоны

свода печи, загрузочные течки и т. д.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на

рисунке 1.2. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная

или принудительная циркуляция.

1 - опускная труба; 2 - охлаждаемая деталь; 3 - подъемная труба; 4 -

водозаборное устройство; 5 - станция перекачки воды; 6 - химическая

водоподготовка; 7 - питательный насос; 8 - подвод питательной воды; 9 -

барабан-сепаратор; 10 - отвод насыщенного пара

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема системы испарительного охлаждения

([54]):

Параметры пара в системах испарительного охлаждения выбираются на основа-

нии анализа топливно-энергетических балансов и технико-экономических расчетов с

учетом предельных параметров для данного типа установок. Так, предельные пара-

метры пара для систем охлаждения доменных печей составляют 0,8 МПа; мартенов-

ских и двухванных сталеплавильных агрегатов - 2,5 МПа; методических нагреватель-

ных - 4,7 МПа.

Удельная выработка пара определяется для каждого агрегата отдельно. Так,

например, в доменном производстве она составляет

0,2 кг/кг; мартеновском -

0,25 кг/кг; прокатном - 0,3 кг пара на 1 кг продукции.

Из-за относительно низких параметров пар испарительного охлаждения

не всегда находит потребителей. В настоящее время используется менее 85 % пара

систем испарительного охлаждения. Потребители насыщенного пара самые разнооб-

разные. На металлургическом предприятии имеется несколько паропроводов (каждый

для пара определенных параметров), к которым подключены как парогенерирующие

установки (паровые котлы, котлы-утилизаторы, системы испарительного охлаждения

и др.), так и потребители пара соответствующих параметров либо непосредственно,

либо через преобразующие устройства. Из паропроводов насыщенного пара пар, в за-

висимости от давления, используется в технологических цехах для различных нужд.

В доменном производстве паром (давление пара

0,4-0,5 МПа) увлажняют дутье,

уплотняют засыпные аппараты доменных печей, обогревают рудные бункера и трубо-

проводы, а также применяют для технологических нужд в коксохимическом производ-

стве.

В мартеновском производстве насыщенным паром (давление 0,12-0,15 МПа)

нагревают мазут, масла и смолы в резервуарах и трубопроводах.

Насыщенный пар находит потребителей также в энергетическом хозяйстве

предприятий: для водоподготовки производственных котельных ТЭЦ, паровакуумных

холодильных установок, кондиционирования воздуха в горячих цехах, получения льда,

в горячем водоснабжении душевых, бань, прачечных и др.

При дополнительном перегреве насыщенного пара до более высокого давления

(24-4,5 МПа) его можно использовать в турбинах.

Доменный цех. В доменных печах вода расходуется на охлаждение кладки печей

и металлических конструкций, находящихся под непосредственным воздействием вы-

соких температур, развивающихся в процессе плавки металла. Система охлаждения

доменных печей состоит из большого числа теплообменников, расположенных в клад-

ке всех зон печи, по которым циркулирует охлаждающая вода.

Теплообменники доменной печи представляют систему металлических плит-

коробок, соединенных трубками небольшого диаметра. Проходя по закрытой системе

труб и теплообменников, вода нагревается, но не загрязняется.

Вода в теплообменниках доменной печи, по данным многочисленных обследо-

ваний, нагревается на 3 °C - 10 °C, при этом температура поступающей к печи воды

может достигать 30 °C - 35 °C. Дальнейшее ее повышение нежелательно, так как то-

гда может происходить выпадение солей временной жесткости, что ведет к «зараста-

нию» труб в теплообменниках.

При использовании сравнительно мягких вод (3-4 мг экв./л) допустимое содер-

жание взвешенных веществ при обычной эксплуатации составляет

100-200 мг/л.

В отдельных случаях оно может быть повышено до 300 и даже 500 мг/л и более, что

влечет за собой необходимость более частой промывки теплообменников.

Помимо охлаждения доменных печей, вода в доменном цехе расходуется также

на охлаждение арматуры воздухонагревателей. Одной из характерных особенностей

системы водоснабжения доменных цехов является наличие в отводной магистрали

напора, создаваемого за счет разности отметок (расположения сборных резервуаров

или желобов, находящихся на уровне рабочей площадки печи и водоохладителей.

Разность отметок (8-10 м) обеспечивает поступление нагретой, отработанной

воды к охладителям оборотной системы водоснабжения самотеком, без перекачки ее

насосами.

Установки для очистки доменного газа. Выходящий из доменных печей газ обла-

дает большой теплотворной способностью и используется в качестве топлива в других

цехах металлургического завода. Однако для транспортировки по газопроводам он

должен быть очищен от большого количества колошниковой пыли, состоящей из мель-

чайших частиц материалов, загружаемых в печь (руда, кокс, известняк и др.). Одно-

временно с очисткой газ должен быть охлажден.

В настоящее время при проектировании металлургических заводов предусмат-

ривается электрическая очистка доменных газов в электрофильтрах. При прохождении

через электрическое поле высокого напряжения содержащиеся в газе частицы пыли

приобретают электрический заряд и осаждаются на электродах.

Установка для электрической очистки газа состоит из скруббера, размещаемого

в нижней части аппарата, и двух электрофильтров, находящихся в средней и верхней

частях колонны.

В скруббере газ проходит грубую очистку и одновременно охлаждается до

35 °C - 40 °C. После скруббера газ направляется на электрофильтры, где происходит

его тонкая очистка.

Расходуемая на промывку и охлаждение газа загрязненная большим количе-

ством колошниковой пыли вода собирается в нижней части газоочистного аппарата

(под скруббером) и сбрасывается в отводные лотки. Сточная вода после газоочистки

содержит как механические, так и химические загрязнения. В то же время после

надлежащего отстоя вода может быть вновь использована для водоснабжения газо-

очистки. Поэтому система водоснабжения газоочистки принимается оборотной. Перед

повторным использованием осветленной воды ее необходимо охладить.

Осветление оборотной воды происходит в горизонтальных отстойниках.

На металлургических заводах, работающих на обычных рудах, применяются радиаль-

ные отстойники, оборудованные подвижными фермами для непрерывного сгребания

шлама, что весьма важно, так как шлам имеет свойство спекаться. Шлам удаляется из

отстойников постоянно работающими насосами.

Опыт эксплуатации радиальных отстойников подтвердил их несомненные пре-

имущества. Эффект осветления в них достигает 90 % - 95 %. Однако и при высоком

проценте осветления в оборотной воде цикла газоочистки содержится до 200-500 мг/л

взвешенных веществ. Наличие в оборотной воде такого количества взвеси, имеющей

способность к спеканию, предъявляет особые требования к конструкции оросительных

устройств градирен.

Сталеплавильные цехи. В мартеновских печах этих цехов вода охлаждает за-

слонки и рамы завалочных окон, кессоны, перекидные клапаны и другие устройства.

Вода циркулирует по закрытым трубкам и поэтому не загрязняется. После охлаждения

ее вновь можно использовать, за исключением воды от дымовых клапанов, которая

сбрасывается в канализацию.

Средний температурный перепад между подводимой и отходящей от мартенов-

ских цехов водой составляет 15 °C. Нагревшаяся вода собирается в приемных короб-

ках, установленных на рабочих площадках печей, на высоте 7-8 м от спланированной

поверхности и под этим напором может подаваться на охладитель.

В последнее время применяется испарительное охлаждение мартеновских пе-

чей. Подаваемая в теплообменники горячая вода за счет отбора тепла от охлаждае-

мых элементов образует пароводяную эмульсию, которая поступает в бак-сепаратор,

где пар отделяется от воды и отводится для дальнейшего использования, а вода про-

должает циркулировать в системе. Циркуляция происходит либо естественным путем

за счет разности удельных весов воды и пароводяной эмульсии, либо при помощи

насоса.

Подаваемая для испарительного охлаждения вода подвергается специальной

химической очистке. В этом случае оборотное водоснабжение с охлаждением отрабо-

тавшей воды в водоохладителях не применяется.

Водяное охлаждение при использовании испарительного охлаждения сохраняет-

ся в виде резерва для удовлетворения потребности одной или двух печей в зависимо-

сти от мощности цеха. Вода используется также для охлаждения мелких агрегатов в

цехе - дымовых клапанов и др.

Прокатные цехи. По характеру водопотребления оборудование прокатных цехов

можно разделить на три основные группы:

- нагревательные печи и колодцы, где слитки разогреваются перед их прокаткой;

- собственно прокатные станы;

- теплообменники для воздуха (и масла) в моторных помещениях двигателей ос-

новных станов.

В нагревательных колодцах и печах прокатных цехов вода расходуется для

охлаждения примерно тех же деталей, что и в мартеновских печах. Вода циркулирует

по закрытым трубкам, ничем не загрязняется и после охлаждения может быть вновь

использована.

Эти агрегаты нетребовательны в отношении температуры поступающей воды,

которая в отдельные периоды года может достигать 30 °C - 32 °C. Охлаждающая во-

да нагревается в печах и колодцах на 8 °C - 12 °C.

В отношении качества (состав, количество взвешенных веществ) к охлаждающей

воде для нагревательных колодцев и печей прокатных цехов предъявляются те же

требования, что и для доменных печей.

Значительное количество воды в современных прокатных цехах расходуется для

воздухоохладителей и охлаждения масла в моторных помещениях машинных залов

при станах, где расположены электродвигатели. Проходя закрытые противоточные ап-

параты, вода нагревается на 8 °C - 15 °C. Для обеспечения лучших условий работы

электродвигателей температура охлаждающей воды для воздуха и масла не должна

превышать 25 °C - 28 °C.

Часть подаваемой к прокатным станам воды поступает к валкам и подшипникам

станов и охлаждает их, после чего сливается в подстановые каналы и используется

для смыва окалины, которая осыпается с прокатываемого металла в цеховые отстой-

ники. Для охлаждения подшипников станов следует подавать воду без механических

примесей. В этих целях используется вода, подаваемая к печам и нагревательным ко-

лодцам, или отработанная вода, отходящая от этих агрегатов.

Обычно для прокатных цехов проектируется две системы оборотного водоснаб-

жения - для чистой воды, используемой для охлаждения печей и нагревательных ко-

лодцев, воздухо- и маслоохладителей, и для воды, поступающей от станов. Различное

качество оборотной воды определяет выбор разных типов охладителей: вентилятор-

ных или башенных градирен с пленочным оросителем для чистого цикла и капельных

или брызгальных градирен - для загрязненной воды.

К воде, используемой для охлаждения валков прокатных станов,

не предъявляется особых требований как в отношении ее качества, так и температуры.

Однако вода, используемая от смыва окалины, должна быть освобождена от окалины и

смазочного масла, которое зачастую попадает в сточную воду, отходящую от прокат-

ных цехов. С этой целью на металлургических заводах проектируются особые отстой-

ники, в которых происходит осветление воды, т. е. освобождение от мелкой окалины,

вынесенной из цеха, и следов масла.

1.2 Химическая промышленность, нефтепереработка и

нефтехимия

Химическая промышленность характеризуется высоким уровнем потребления

энергетических ресурсов. К особо энергоемким относятся производство масел, соды

каустической и кальцинированной, удобрений, волокон и нитей химических, синтетиче-

ских смол и пластических масс, синтетического каучука, этилена и пропилена, ацети-

лена, средств защиты растений, бутилового и изобутилового спиртов. В таблице 1.2

показано фактическое удельное потребление энергии на производство различных ви-

дов продукции химической промышленности в Российской Федерации.

Таблица 1.2 - Фактическое удельное потребление энергии на производство различных видов

продукции химической промышленности в Российской Федерации ([52])

Электроэнергия,

Теплоэнергия,

Топливо, кг у. т.

Ед.

кВт·ч

тыс. ккал

Продукция

изм.

2012

2013

2014

2012

2013

2014

2012

2013

2014

Переработка

на 1 т

46,4

44,0

42,9

134,5

127,2

123,6

59,3

56,3

53,1

нефти, включая

газовый конден-

сат

первичная пе-

на 1 т

17,8

16,8

17,0

63,2

61,4

55,4

31,9

31,3

29,2

реработка

нефти

гидрокрекинг

на 1 т

66,9

74,6

66,4

251,5

266,1

343,3

114,1

128,6

103,5

термический

на 1 т

13,0

13,3

12,6

38,0

35,0

35,5

33,0

32,0

30,2

крекинг

каталитический

на 1 т

95,5

93,2

88,6

264,7

258,9

241,7

72,2

66,7

66,0

крекинг

каталитический

на 1 т

82,7

81,1

86,7

113,6

122,0

130,8

98,9

93,9

98,4

риформинг

производство

на 1 т

323,4

392,4

320,2

1552,

1866,

1515,

235,3

280,5

223,3

масел

Электроэнергия,

Теплоэнергия,

Топливо, кг у. т.

Ед.

кВт·ч

тыс. ккал

Продукция

изм.

2012

2013

2014

2012

2013

2014

2012

2013

2014

коксование тя-

на 1 т

38,9

40,6

39,5

145,2

146,7

149,5

57,0

58,7

57,5

желых нефтя-

ных остатков

гидроочистка

на 1 т

24,1

24,6

25,0

39,7

39,0

35,6

24,4

22,7

каталитический

на 1 т

157,3

155,2

151,4

499,9

503,5

499,3

204,7

212,8

208,7

риформинг для

получения аро-

матических уг-

леводородов

парекс

на 1 т

211,3

194,7

186,7

76,3

78,5

63,4

57,3

47,0

49,2

Переработка га-

на

118,8

118,5

125,4

188,2

178,9

185,0

20,9

17,8

18,8

за

1 тыс.

м³

в том числе

на

75,0

73,6

33,8

33,3

33,0

2,0

3,1

2,1

глубокая пере-

1 тыс.

работка газа

м³

Сера

на 1 т

63,0

65,8

79,2

475,9

484,4

588,1

86,5

83,4

87,1

Серная кислота

на 1 т

106,3

108,1

113,1

99,6

108,9

121,5

5,1

5,9

9,1

в моногидрате

Аммиак синте-

на 1 т

121,1

115,5

111,0

122,5

117,9

110,5

28,6

24,6

25,5

тический

Сода кальцини-

на 1 т

177,4

170,9

181,6

1995,

1911,

1676,

76,1

71,4

76,1

рованная 100 %

(включая поташ

и содопоташную

смесь)

Сода каустиче-

на 1 т

1240,

1118,

1106,

1765,

1724,

1703,

38,5

43,2

41,6

ская твердая

100 % (включая

едкий калий)

Электроэнергия,

Теплоэнергия,

Топливо, кг у. т.

Ед.

кВт·ч

тыс. ккал

Продукция

изм.

2012

2013

2014

2012

2013

2014

2012

2013

2014

Калийные удоб-

на 1 т

273,9

279,5

243,9

481,1

538,8

447,9

24,3

24,9

21,9

рения (в пере-

счете на 100 %

K2O)

Фосфатные

на 1 т

587,2

533,4

361,6

2322,

2059,

1611,

57,6

55,1

43,4

удобрения (в

пересчете на

100 % P2O5)

Карбамид (мо-

на 1 т

250,5

245,5

192,0

1342,

1421,

1123,

14,6

29,0

21,1

чевина) в пере-

счете на 100 %

Аммиачная се-

на 1 т

58,6

56,3

55,8

393,8

382,8

325,9

3,1

2,9

2,8

литра

Волокна и нити

на 1 т

2329,

2153,

2117,

2701,

2366,

2187,

57,6

55,6

48,4

химические

Синтетические

на 1 т

733,9

639,8

639,3

2827,

2751,

3141,

143,7

141,7

170,1

смолы и пла-

стические мас-

сы

Каучук синтети-

на 1 т

2600,

2487,

2648,

15357

13887

12980

679,5

670,9

677,0

ческий

Лакокрасочные

на 1 т

172,6

147,7

198,9

259,6

205,1

600,3

12,4

12,5

46,0

материалы

Этилен и про-

на 1 т

481,4

423,0

439,1

2583,

2376,

2411,

313,7

455,7

380,7

пилен

Ацетилен

на 1 т

2123,

2284,

2196,

4362,

4493,

4589,

Электроэнергия,

Теплоэнергия,

Топливо, кг у. т.

Ед.

кВт·ч

тыс. ккал

Продукция

изм.

2012

2013

2014

2012

2013

2014

2012

2013

2014

Средства защи-

на 1 т

330,8

339,2

476,2

315,8

334,5

501,9

ты растений хи-

мические (пе-

стициды) в

100 % исчисле-

нии по действу-

ющему веще-

ству

Спирты бутило-

на 1 т

1649,

1993,

1940,

5345,

6318,

5863,

545,6

620,4

660,4

вый и изобути-

ловый

Шины для гру-

на

52,0

66,2

63,6

191,3

243,1

245,0

0,1

зовых автомо-

1 шт.

билей, автобу-

сов и троллей-

бусов

Шины для лег-

на

18,7

17,7

18,8

61,1

53,0

48,5

0,0

0,2

ковых автомо-

1 шт.

билей

Технологические

процессы во

многих отраслях химической промышленности

связаны с охлаждением разогретых жидких и газообразных продуктов. Охлаждение

производится непосредственно водой или растворами.

Примером комбинированного охлаждения могут служить аммиачно-холодильные

установки, где для целей охлаждения употребляется аммиак и соляной раствор, а вода

расходуется для охлаждения рубашек компрессоров и конденсаторов для аммиака.

Для большинства установок химических заводов, где расходуется вода оборот-

ных систем водоснабжения, характерным является применение ограниченного количе-

ства типов теплообменников и конденсаторов.

Основными типами являются:

- поверхностные теплообменники и конденсаторы, в которых охлаждаемый про-

дукт и вода не соприкасаются друг с другом и где, как правило, вода не загрязняется

продуктом;

- конденсаторы с разбрызгиванием охлаждающей воды непосредственно в про-

дукт.

К числу поверхностных аппаратов относятся:

- трубчатые конденсаторы и теплообменники;

- погруженные конденсаторы и теплообменники;

- оросительные теплообменники.

Трубчатые конденсаторы и теплообменники представляют собой противотиво-

точные теплообменные аппараты, где по пучку трубок мелкого диаметра протекает

обычно вода, а по межтрубному пространству движется охлаждаемый продукт.

Конденсаторы или теплообменники в виде труб или змеевиков, погруженных в

бак с проточной водой, получили название погруженных. Отличаясь простотой устрой-

ства, аппараты этого типа весьма нетребовательны к качеству воды (жесткости и со-

держанию взвеси).

В том случае, если змеевики орошаются водой сверху, установки носят название

оросительных. Теплообменники и конденсаторы этого типа более эффективны, так как

в них, кроме отведения тепла за счет повышения температуры охлаждающей воды,

охлаждение происходит и за счет испарения части воды.

Как отмечалось выше, в поверхностных аппаратах вода не соприкасается с

охлаждаемым продуктом и, следовательно, ничем не загрязняется. Однако в результа-

те разгерметизации теплообменников охлаждаемый продукт может попадать в воду,

что необходимо учитывать при выборе типа водоохладителей.

Из аппаратов, у которых вода непосредственно вводится в продукт для его

охлаждения, на предприятиях химической промышленности применяются смешиваю-

щие и барометрические конденсаторы. Вода в них, проходя через насадки, сопла или

другие приспособления, из верхней части аппарата падает навстречу газообразному

продукту.

Барометрические конденсаторы отличаются от смешивающих тем, что в них со-

здается вакуум, который образуется за счет быстрой конденсации паров. В отдельных

случаях, в зависимости от характера загрязнения, после соответствующей очистки и

охлаждения вода после барометрических конденсаторов может быть повторно исполь-

зована.

Общей и характерной чертой химических предприятий является наличие боль-

шого количества теплообменников и отдельных оборотных циклов водоснабжения, по-

скольку составные части газообразных продуктов конденсируются при различных тем-

пературах. Поэтому к температурам охлаждающей воды также предъявляются различ-

ные требования, определяемые технологами при расчете аппаратуры. Максимальное

понижение температуры оборотной воды необходимо для аппаратов, которые при низ-

ких температурах воды обеспечивают большую конденсацию и лучшее извлечение

продукта.

Так, например, в бензольных цехах коксохимических заводов количество улав-

ливаемого бензола при температуре масла 25 °C может достигать 90 % от его содер-

жания в газе, а если масло будет охлаждено до температуры 30, 35 или 40 °C, количе-

ство улавливаемого бензола соответственно снизится до 86, 79 и 70 %.

1.3 Тепловые и атомные электростанции

По данным Системного оператора ЕЭС за 2015 год ([51]) для производства элек-

троэнергии в России применяются энергогенерирующие установки следующих типов:

- тепловые электростанции (ТЭС) - 68,10 % установленной электрической мощ-

ности;

- гидроэлектростанции (ГЭС) - 20,34 %;

- атомные электростанции (АЭС) - 11,53 %;

- прочие (СЭС, ВЭС) - 0,03 %.

Тепловые электростанции в свою очередь подразделяются на:

- конденсационные электростанции (КЭС) с паросиловыми установками (паро-

выми турбогенераторами) - 46,3 % от установленной электрической мощности ТЭС;

- теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - 37,3 %;

- газотурбинные (ГТУ) и парогазовые установки (ПГУ) - 16,4 %.

Все типы используемых в настоящее время тепловых электрогенерирующих

энергоустановок, преобразующих энергию химических связей различных видов топли-

ва в тепло, а затем в электроэнергию, нуждаются в организованном отведении избы-

точного тепла в окружающую среду. Общее количество крупных ТЭС и, соответствен-

но, их систем охлаждения, составляло в России на конец 2015 года около трехсот пя-

тидесяти.

В 2015 году тепловыми электростанциями России было потреблено около

250 млн. тонн условного топлива (или около 2013,8 млн. МВт·ч топлива), при этом ТЭС

произвели

671,4 млн. МВт·ч электроэнергии и порядка

550 млн. МВт·ч тепла

(1 млн. Гкал = 1,163 млн. МВт·ч). Остальная энергия топлива - 792,4 млн. МВт·ч или

39 % - была отведена в окружающую среду в виде низкопотенциального тепла. Около

10 % исходной энергии топлива (около 200 млн. МВт·ч) было отведено в атмосферу ко-

тельными установками с теплом дымовых газов, химическим и механическим недожо-

гом, тепловыми потерями через обшивку котлов. Остальная часть энергии -

592,4 млн. МВт·ч или около 29 % энергии сожженного топлива, было отведено в окру-

жающую среду системами охлаждения энергогенерирующих установок.

Все избыточное тепло от ТЭС и АЭС в конечном счете отводится в атмосферу,

однако в качестве промежуточного теплоносителя между технологическим оборудова-

нием и атмосферой, как правило, применяется вода. В среднем за год ТЭС России ис-

пользуют около 106 млрд. м³ воды, в том числе 80,3 млрд. м³ из систем оборотного и

повторного водоснабжения и 25,6 млрд. м³ свежей воды из природных источников (по

данным ведомственной отчетности Минэнерго России). Основной объем воды на ТЭС

потребляется для конденсации пара в конденсаторах паровых турбин (до 90 % всей

потребности в воде). Для прочих нужд электростанции - подпитки котлов, охлаждения

подшипников насосного оборудования, масла, газа и воздуха генераторов, транспорта

золы и шлака и т. д. - используется сравнительно небольшая часть общего объема

потребления воды.

Удельный расход воды на каждый произведенный 1 МВт·ч электроэнергии, зави-

сит от типа применяемого генерирующего оборудования и составляет для паросиловой

конденсационной ТЭС 160-250 м³, для газотурбинной ТЭС - в 3 раза меньше. По-

требность в воде для производства электроэнергии на ТЭЦ существенно зависит от то-

го, работает ТЭЦ в теплофикационном или конденсационном режиме. Среднее значе-

ние использования воды для производства 1 МВт·ч электроэнергии по России в

2015 году составило 158 м³, в том числе 38 м³ свежей воды. Температура воды, охла-

ждающей конденсаторы, определяет величину вакуума, непосредственно влияющую

на количество вырабатываемой турбинами электроэнергии и на экономичность работы

электростанции в целом. Повышение температуры охлаждающей воды на один градус

ухудшает величину вакуума в конденсаторах на 0,5 %, что равноценно снижению мощ-

ности турбины на 0,4 % или перерасходу пара на 0,5 %.

Обычно величина нагрева воды в конденсаторах составляет 7 °C - 9 °C.

В конструктивном отношении воздухо- и газоохладители также являются поверх-

ностными теплообменниками аналогично конденсаторам с той лишь разницей, что

между трубками с охлаждающей водой проходит не пар, а подлежащий охлаждению

воздух или водород. Температура подводимого к генератору воздуха не должна пре-

вышать 35 °C - 37 °C. По этой причине технические условия на поставку генераторов

предусматривают температуру охлаждающей воды для систем воздухоохлаждения

не выше 30 °C - 33 °C во избежание снижения мощности, отдаваемой генератором.

Величина нагрева воды в воздухоохладителях составляет 4 °C - 5 °C.

Поверхностные теплообменники применяются и для охлаждения турбинного

масла, используемого для смазки подшипников турбогенераторов и регулирующих ме-

ханизмов. Маслоохладители обычно требуют подачи воды с температурой не выше

25 °C - 30 °C.

Для химической очистки воды, питающей котлы, и гидравлического удаления зо-

лы и шлаков используется часть теплой циркуляционной воды, получаемой после

охлаждения конденсаторов.

Вода в конденсаторах, воздухо- и газоохладителях не загрязняется.

В маслоохладителях вода может загрязняться нефтепродуктами через неплотности

теплообменной поверхности. Закрытая система охлаждения конденсаторов позволяет

легко решать вопросы, связанные с подачей отработанной воды на водоохладитель-

ные сооружения. При использовании градирен или брызгальных бассейнов вода пода-

ется к конденсаторам под таким напором, чтобы на выходе из них сохранился остаточ-

ный напор, способный обеспечить подачу теплой воды на охладитель.

Потребности АЭС в охлаждении и отведении неутилизируемого тепла значи-

тельно выше по сравнению с ТЭС одинаковой мощности. Это связано с более низкими

параметрами и с наличием других охлаждающих устройств, не характерных для ТЭС.

Система технического водоснабжения, осуществляющая функции охлаждения, во мно-

гом определяет надежность и экономичность работы АЭС. Капиталовложения в ее со-

оружение оцениваются на уровне 10 % от стоимости строительства АЭС.

Основные источники сбросного тепла на АЭС:

а) конденсаторы паровых турбин (основных и вспомогательных);

б) маслоохладители и воздухоохладители турбогенераторов;

в) охлаждение подшипников насосов и других вспомогательных агрегатов;

г) теплообменники вентиляционных систем;

д) теплообменники доохлаждения продувочной воды парогенератора;

е) теплообменники бассейнов выдержки и перегрузки;

ж) теплообменники расхолаживания реактора;

з) теплообменники доохлаждения продувочной воды реактора;

и) теплообменники автономных контуров охлаждения ГЦН;

к) охладители радиоактивных проб воды и пара, отбираемых для анализа;

Наиболее ответственные потребители осуществляют охлаждение через проме-

жуточный контур. Соотношение давлений потребителей в промежуточном контуре и в

системе технического водоснабжения устанавливается таким, чтобы исключить рас-

пространение радиоактивности за пределы станции. Если в качестве источника техни-

ческого водоснабжения используется морская вода, то по прямому назначению она

может использоваться лишь для охлаждения конденсаторов турбин, масло- и воздухо-

охладителей, у всех остальных потребителей охлаждение должно идти через проме-

жуточный контур.

Более 90 % расхода технической воды на АЭС потребляют конденсаторы тур-

бин. Охлаждение конденсаторов турбин осуществляется по независимой от других

охладителей системе и называется системой технического водоснабжения низкого

давления. Для охлаждения ответственных потребителей сооружаются свои системы

среднего и высокого давления, не зависящие от работы системы низкого давления.

Учитывая большие потребности в технической воде, источник технического во-

доснабжения является определяющим при выборе места строительства АЭС. Чем ни-

же температура охлаждающей воды, тем выше экономичность и надежность АЭС.

1.4 Компрессорные станции

По принципу работы компрессоры можно разделить на объемные и динамиче-

ские. К компрессорам объемного действия относятся поршневые и винтовые, а к дина-

мическим - центробежные.

Рисунок 1.3 - Типы компрессоров¹⁾

Процесс сжатия любых газов связан с повышением его температуры. Для того

чтобы температура сжимаемого газа, выходящего из компрессора, не превышала до-

пустимого предела для нормальной, экономичной и безопасной работы компрессора

(140 °C - 160 °C), применяется охлаждение сжимаемого газа - воздушное и/или во-

дяное. Воздушное охлаждение малоэффективно и используется преимущественно в

компрессорах малой производительности. Чаще применяется оборотное водяное

охлаждение компрессоров.

Система охлаждения компрессоров не предъявляет особых требований к темпе-

ратуре подаваемой воды. В зависимости от величины расхода нагрев воды может до-

стигать 10 °C - 25 °C. Желательно, чтобы температура нагретой воды не превышала

40 °C - 45 °C для того, чтобы не происходило выпадение солей временной жесткости

и образование накипи на охлаждаемой поверхности.

Если охлаждающая вода содержит большое количество солей, рекомендуется

применять двухступенчатую или двухконтурную системы охлаждения. При такой си-

стеме охлаждения рубашки компрессоров охлаждает химически очищенная вода, цир-

¹⁾ Данные Premium Engineering, http://www.premen.ru.

кулирующая по закрытой, замкнутой сети (первого контура), снабженной поверхност-

ным теплообменником. Вода второго контура используется, в свою очередь, для охла-

ждения поверхностного теплообменника, после чего она поступает на водоохладитель.

Компрессоры применяются в промышленности очень широко, практически во

всех отраслях промышленности.

В электроэнергетике мощные компрессоры применяются для обеспечения необ-

ходимого давления топливного газа перед газотурбинными установками.

На нефтепромыслах до недавнего времени было принято сжигать на факелах

попутный нефтяной газ, образующийся в результате первичной обработки нефти и пе-

ред ее подачей в трубопровод. В настоящее время введено государственное регули-

рование, в соответствии с которым доля попутного газа, которая может быть сожжена в

факелах, ограничивается. Для сжигания попутного газа его необходимо компримиро-

вать. Как правило, рабочее давление на нагнетании компрессора на промысле состав-

ляет 2-5 МПа. Для этих целей в большинстве случаев используются поршневые ком-

прессоры с газопоршневым приводом. Единичная мощность такого компрессорного аг-

регата составляет 150-3500 кВт. Топливом для привода служит перекачиваемый газ.

Еще одной задачей для нефтепромысловых объектов является поддержание

пластового давления с помощью закачки газа в пласт. В качестве газа может быть ис-

пользован попутный газ, иногда воздух. Рабочее давление компрессора для этих целей

составляет 15-35 МПа. На давно эксплуатируемых месторождениях для повышения

дебита скважин применяется газлифтный способ добычи, когда течение нефти в трубу

интенсифицируется потоком газа, подаваемого в пласт через другую скважину.

На газопромысловых объектах компрессоры необходимы для обеспечения ста-

бильных параметров газа при подаче его в газопровод, поскольку со временем дебит

скважины и пластовое давление снижаются. Для этих целей применяются поршневые

(для средних и малых месторождений) и центробежные (для крупных месторождений)

компрессоры со сменными проточными частями.

Поршневые компрессоры с газопоршневым приводом широко применяются для

транспорта газа (на небольших магистралях) и для технологий его первичной перера-

ботки на месторождениях. Единичная мощность таких компрессорных установок быва-

ет от 50 кВт до 6 МВт и могут иметь от одной до 4 ступеней сжатия.

Основные месторождения газа в России расположены на значительном расстоя-

нии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по газопроводам. При

прохождении газа по трубам его давление снижается. Например, при расходе газа

90 млн. нм³/сут по трубе диаметром 1400 мм давление убывает с 7,6 до 5,3 МПа на

участке 110 км. Поэтому транспортировать природный газ в достаточном количестве и

на большие расстояния только за счет естественного пластового давления невозмож-

но. Для этой цели необходимо строить компрессорные станции (КС), которые устанав-

ливаются на трассе газопровода через каждые 100-200 км.

В настоящее время только на магистральных газопроводах газотранспортной

системы России эксплуатируется более 4 тыс. компрессоров общей установленной

мощностью порядка 40 млн. кВт.

Перед подачей газа в магистральные газопроводы его необходимо подготовить к

транспорту на головных сооружениях, которые располагаются около газовых место-

рождений. Подготовка газа заключается в очистке его от механических примесей,

осушке от газового конденсата и влаги, а также удалении, при их наличии, побочных

продуктов: сероводорода, углекислоты и т. д.

При падении пластового давления около газовых месторождений строят так

называемые дожимные компрессорные станции, где давление газа перед подачей его

на КС магистрального газопровода поднимают до уровня

5,5-7,5 МПа.

На магистральном газопроводе около крупных потребителей газа сооружаются газо-

распределительные станции для газоснабжения потребителей.

Рисунок 1.4 - Схема газопровода и изменения давления и температуры газа

вдоль трассы ([56])

На газопроводах в качестве привода КС используются газотурбинные установки,

электродвигатели и газомотокомпрессоры - комбинированные агрегаты, в которых

привод поршневого компрессора осуществляется от коленчатого вала двигателя внут-

реннего сгорания. Вид привода компрессорных станций и ее мощность, в основном,

определяются пропускной способностью газопровода. Для станций подземного хране-

ния газа, где требуются большие степени сжатия и малые расходы, используются га-

зомотокомпрессоры, а также газотурбинные агрегаты типа «Солар» и ГПА-Ц-6,3, кото-

рые могут обеспечивать заданные степени сжатия. Для газопроводов с большой про-

пускной способностью наибольшее применение находят центробежные нагнетатели с

приводом от газотурбинных установок или электродвигателей.

С ростом пропускной способности газопроводов за счет увеличения диаметра

трубы и рабочего давления растет температура газа, протекающего по трубопроводу.

Для повышения эффективности работы газопровода и, прежде всего, для снижения за-

трат энергии на транспортировку газа необходимо на выходе каждой КС устанавливать

аппараты воздушного охлаждения газа. Снижение температуры газа необходимо еще и

для сохранения изоляции трубы. Для уменьшения затрат мощности КС на перекачку

газа, увеличения пропускной способности газопровода и экономии энергоресурсов на

перекачку газа всегда выгодно поддерживать максимальное давление газа в трубопро-

воде, снижать температуру перекачиваемого газа за счет его охлаждения на станциях,

использовать газопроводы большего диаметра, периодически осуществлять очистку

внутренней поверхности трубопровода.

Современная компрессорная станция (КС) - это сложное инженерное сооруже-

ние, обеспечивающее основные технологические процессы по подготовке и транспорту

природного газа.

1 - узел подключения КС к магистральному газопроводу; 2 - камеры запуска и

приема очистного устройства магистрального газопровода; 3 - установка

очистки технологического газа, состоящая из пылеуловителей и фильтр-

сепараторов; 4 - установка охлаждения технологического газа; 5 -

газоперекачивающие агрегаты; 6 - технологические трубопроводы обвязки

компрессорной станции; 7 - запорная арматура технологических трубопроводов

обвязки агрегатов; 8 - установка подготовки пускового и топливного газа; 9 -

установка подготовки импульсного газа; 10 - различное вспомогательное

оборудование; 11 - энергетическое оборудование; 12 - главный щит

управления и система телемеханики; 13 - оборудование электрохимической

защиты трубопроводов обвязки КС

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема компоновки основного оборудования

компрессорной станции ([56])

На магистральных газопроводах различают три основных типа КС по их функци-

ональному назначению: головные компрессорные станции, линейные компрессорные

станции и дожимные компрессорные станции.

Головные компрессорные станции устанавливаются непосредственно по ходу

газа после газового месторождения. По мере добычи газа происходит падение давле-

ния в месторождении до уровня, когда транспортировать его в необходимом количе-

стве без компремирования уже нельзя. Поэтому для поддержания необходимого дав-

ления и расхода строятся головные компрессорные станции. Их назначением является

создание необходимого давления технологического газа для его дальнейшего транс-

порта по магистральным газопроводам. Принципиальным отличием таких станций от

линейных станций является более высокая степень сжатия.

Линейные КС устанавливаются на магистральных газопроводах, как правило,

через каждые 100-200 км. Назначением КС является компремирование поступающего

на станцию природного газа. Тем самым обеспечивается постоянный заданный расход

газа по магистральному газопроводу. В России строятся линейные газопроводы в ос-

новном на давление 5,5 МПа и 7,5 МПа.

Дожимные компрессорные станции (ДКС) устанавливаются на подземных храни-

лищах газа (ПХГ). Назначением ДКС является подача газа в подземное хранилище га-

за от магистрального газопровода и отбор природного газа из подземного хранилища

(как правило, в зимний период времени) для последующей подачи его в магистральный

газопровод или непосредственно потребителям газа. ДКС строятся также на газовом

месторождении при падении пластового давления ниже давления в магистральном

трубопроводе. Отличительной особенностью ДКС от линейных КС является высокая

степень сжатия 2-4, улучшенная подготовка технологического газа (осушители, сепа-

раторы, пылеуловители), поступающего из подземного хранилища с целью его очистки

от механических примесей и влаги, выносимой с газом.

Рядом с потребителями газа строятся газораспределительные станции (ГРС),

где газ редуцируется до необходимого давления (1,2; 0,6; 0,3 МПа) перед подачей его в

сети газового хозяйства.

Компремирование газа на КС приводит к повышению его температуры на выходе

станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значени-

ем на входе КС и степенью сжатия газа.

Излишне высокая температура газа на выходе станции, с одной стороны, может

привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода, а с другой стороны - к

снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его компреми-

рование (из-за увеличения его объемного расхода).

Определенные специфические требования к охлаждению газа предъявляются в

северных районах страны, где газопроводы проходят в зоне вечномерзлых грунтов.

В этих районах газ в целом ряде случаев необходимо охлаждать до отрицательных

температур с целью недопущения протаивания грунтов вокруг трубопровода.

В противном случае это может привести к вспучиванию грунтов, смещению трубопро-

вода и, как следствие, возникновению аварийной ситуации.

Охлаждение технологического газа можно осуществить в холодильниках различ-

ных систем и конструкций; кожухотрубных (типа «труба в трубе»), воздушных компрес-

сионных и абсорбирующих холодильных машинах, различного типа градирнях, воз-

душных холодильниках и т. д.

Большую часть механического оборудования нефтеперерабатывающих, газопе-

рерабатывающих и нефтехимических производств составляет компрессорное обору-

дование различного назначения, применяемое в основном технологическом цикле и

вспомогательных производствах:

- циркуляционные компрессоры, обеспечивающие стабильный расход процесс-

ного газа по замкнутому контуру для поддержания необходимых параметров рабочего

процесса в технологических установках (например, циркуляция водородсодержащего

газа в циклах установок гидроочистки);

- питающие компрессоры, обеспечивающие подачу процессного газа в реактор;

- дожимающие компрессоры (бустеры);

- компрессоры товарных газов (например, метана).

Наибольшее распространение на заводах нефте- и газопереарботки получили

поршневые и центробежные компрессоры с электроприводом.

Воздухоразделительные установки различного назначения - еще одна доста-

точно специфическая область применения компрессорного оборудования. Независимо

от типа используемых технологических процессов разделения воздуха они требуют по-

дачи сжатого воздуха.

Крупные системы охлаждения применяются при производстве сжиженного при-

родного газа (СПГ). Обычно сжижение природного газа высокого давления при темпе-

ратуре окружающей среды производится в серии теплообменников (испарителей холо-

дильных машин), которые обеспечивают последовательное охлаждение, полное сжи-

жение и некоторое переохлаждение. Очистка и фракционирование реализуются, как и

основное охлаждение, под высоким давлением. Установки сжижения являются круп-

ными потребителями энергии. Эта энергия обычно производится за счет потребления

части сжижаемого газа (в тепловом эквиваленте около 12 %).

1.5 Целлюлозно-бумажная промышленность

В России имеется 212 предприятий, производящих целлюлозно-бумажную про-

дукцию, из которых 17 крупных предприятий (более 100 тыс. т товарной продукции в

год) выпускают 79,9 % общего объема продукции, средние предприятия (14 единиц, го-

довая мощность 50-100 тыс. т) производят 9,5 % продукции. Оставшиеся 10,6 % вы-

пускаемых бумаги, картона и изделий из них приходятся на долю 181 предприятия.

Производство целлюлозно-бумажной продукции является высокоэнергоемким.

В таблице 1.3 показано фактическое удельное потребление энергии на производство

1 т бумаги и картона в Российской Федерации.

Таблица 1.3 - Фактическое удельное потребление энергии на производство 1 т бумаги и

картона в Российской Федерации в 2012-2014 годах (Источник: данные ФТС, обработка

РАО «Бумпром»)

Электроэнергия, кВт·ч

Теплоэнергия, тыс. ккал

Топливо, кг у. т.

Вид продукции

2012

2013

2014

2012

2013

2014

2012

2013

2014

Бумага

894,3

903,4

861,3

1650,2

1583,9

1592,4

8,9

9,2

8,7

Картон

574,5

537,3

522,7

1795,3

1722,8

1719,7

4,2

3,7

3,0

Технологические процессы производства целлюлозно-бумажной продукции, свя-

занные со значительным использованием тепловой и электрической энергии, описаны

в справочнике НДТ ИТС 1-2015 «Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги,

картона».

Для обеспечения технологическим паром, теплом, электроэнергией на предпри-

ятиях имеются ТЭЦ, кородревесные энергетические котлы, содорегенерационные кот-

лы и другое энергетическое оборудование. Используются все виды топлива, такие как

природный газ, уголь, мазут. Высока доля использования возобновляемых источников

энергии - биотоплива, включая кородревесные отходы, черный щелок, осадки очист-

ных сооружений.

Поскольку потребляемая энергия не входит в состав производимой продукции,

она практически в полном объеме отводится в окружающую среду как за счет неорга-

низованного теплообмена, так и системами охлаждения.

Раздел 2. Применяемые системы охлаждения

В этой главе приводится классификация и краткое описание ПСО, применяемых

в российской промышленности.

2.1 Классификация ПСО

В промышленности применяется достаточно много типов ПСО, различающихся

между собой как принципом действия, так и конструкцией. Единой общепризнанной

классификации ПСО не существует. В технической литературе используются разнооб-

разные классификации ПСО, построенные на основании их различных признаков и ха-

рактеристик:

а) по типу охлаждающего агента (теплоносителя):

- водные ПСО - в качестве охлаждающего агента используется вода (в лю-

бом ее виде - вода, пар или пароводяная смесь);

- газовые (в частности, воздушные, водородные и т. д.) ПСО - в качестве

охлаждающего агента используется газообразное вещество (водород, воздух и т. д.);

- ПСО с использованием специальных хладагентов или иных теплоносите-

лей - в качестве охлаждающего агента могут использоваться хладагенты (фреоны)

или иные теплоносители (расплавы металлов или солей, растворы различных веществ

и т. д.);

- гибридные (смешанные) ПСО;

б) по схеме движения охлаждающего агента:

- прямоточные ПСО - охлаждающий агент (теплоноситель) используется од-

нократно, т. е. после передачи тепла от технологического оборудования или от рабоче-

го тела охлаждающий агент сбрасывается в окружающую среду (открытый цикл ис-

пользования теплоносителя);

- оборотные ПСО - охлаждающий агент используется многократно,

т. е. после передачи тепла от технологического оборудования или от рабочего тела

охлаждающий агент не сбрасывается в окружающую среду, а используется повторно

(закрытый или замкнутый цикл использования теплоносителя);

- ПСО с повторным (последовательным) использованием охлаждающего

агента - охлаждающий агент полностью или частично после передачи тепла от техно-

логического оборудования или от рабочего тела повторно (последовательно) исполь-

зуется для охлаждения других систем или механизмов (повторный или последователь-

ный цикл использования охлаждающего агента). Данные системы фактически являют-

ся прямоточными;

- комбинированные (прямоточно-оборотные) ПСО - часть охлаждающего

агента после передачи тепла от технологического оборудования или от рабочего тела

сбрасывается в окружающую среду, а часть повторно используется для охлаждения

тех же систем или механизмов (комбинированный цикл использования охлаждающего

агента). Данные системы могут обладать свойствами и характеристиками систем пря-

моточных, оборотных и с повторным (последовательным) использованием охлаждаю-

щего агента. Комбинированная система применяется, как правило, в тех случаях, когда

источник водоснабжения в отдельные периоды года не может обеспечить производ-

ственный объект достаточным количеством охлаждающей воды, а также с целью сни-

жения объемов забора свежей воды из водных объектов или сброса тепла в водные

объекты. Это вызывает необходимость полного или частичного перехода на оборотную

систему с включением в работу всех имеющихся или части охладителей. Различные

типы охладителей могут соединяться в одной системе как последовательно, так и па-

раллельно. К комбинированным системам также относятся прямоточные ПСО, в кото-

рых организована подача части нагретой воды на вход ПСО, причем эта часть может

достигать десятков процентов от расхода циркуляционной охлаждающей воды;

в) по типу контура охлаждения:

- открытые - охлаждающий агент находится в контакте с окружающей сре-

дой;

- замкнутые (или закрытые) - охлаждающий агент циркулирует в закрытом

контуре и не контактирует с окружающей средой.

г) по количеству последовательно соединенных контуров:

- одноконтурные;

- двухконтурные и т. д.

д) оборотные системы классифицируются по типам применяемых охладите-

лей - оборотные системы с водоемами-охладителями, градирнями различных типов,

брызгальными бассейнами. В качестве водоемов-охладителей могут применяться

наливные, русловые и отсечные водоемы (пруды, водохранилища). Основные типы

применяемых градирен разделяются по методу создания потока охлаждающего возду-

ха: атмосферные, башенные с естественной тягой, вентиляторные с принудительной

тягой или наддувом, эжекционные;

е) по схемам включения охладителей и объектов охлаждения: последователь-

ные, параллельные и смешанные.

Прямоточная водная ПСО (рисунок 2.1, а) характеризуется забором охлаждаю-

щей воды с естественной температурой из реки, озера или моря. Подогретая в тепло-

обменных аппаратах вода сбрасывается через отводящую сеть ниже по течению,

не возвращаясь к водозабору.

1 - водозаборный ковш; 2 - водоприемник; 3 - береговая насосная станция;

4 - напорные магистральные водоводы; 5 - напорные трубопроводы; 6 -

конденсатор турбины; 7 - сливные трубопроводы; 8 - колодец; 9 - отводящий

самотечный закрытый канал; 10 - сифонное сопрягающее сооружение для

поддержания уровня воды в закрытом отводящем канале; 11 - открытый

отводящий канал; 12 - водосбросное устройство; 13 - трубопровод обогрева

водозабора в зимнее время; 14 - русло реки; 15 - затопленное русло реки в

зоне водохранилища; 16 - струераспределительное устройство; 17 -

водохранилище-охладитель; 18 - плотина; 19 - дополнительный (паводковый)

водосброс плотины

Рисунок 2.1 - Системы технического водоснабжения ТЭС ([53]):

а - прямоточная, б - оборотная с водоемом-охладителем.

Оборотная система технического водоснабжения (рисунок 2.1, б) характеризует-

ся многократным использованием циркуляционной воды с охлаждением ее в охлади-

телях различного типа и с восполнением потерь воды в системе из источника водо-

снабжения. В качестве охладителей циркуляционной воды в оборотных системах водо-

снабжения применяются водоемы-охладители, градирни различного типа, брызгаль-

ные бассейны или их сочетания.

Иногда в качестве отдельной категории ПСО выделяют непрямые двухконтурные

системы охлаждения. Их характерным признаком является наличие между охлаждае-

мым технологическим оборудованием и охладителем, передающим тепло в окружаю-

щую среду, промежуточного оборотного контура. В принципе, ПСО любого типа может

быть прямой или непрямой, поэтому наличие промежуточного контура охлаждения

рассматривается в справочнике НДТ как один из возможных методов повышения эко-

логической безопасности любых систем охлаждения, а непрямые системы с промежу-

точным контуром не выделяются в качестве отдельного класса ПСО.

Необходимо отметить, что все применяемые классификации не позволяют одно-

значно классифицировать конкретную конструкцию ПСО. Это связано с тем, что для

каждой конкретной конструкции ПСО можно говорить лишь о преобладании опреде-

ленных физических процессов, на использовании которых организована теплопереда-

ча в данной конструкции, над другими. Так в воздушных радиаторных системах широко

используется орошение радиаторов водой, в системах, традиционно относимых к ис-

парительным, существенная часть тепла отводится путем нагревания воздуха, прохо-

дящего через градирню, градирни с естественной тягой могут оснащаться вспомога-

тельными вентиляторами, и т. д. В связи с этим любая классификация ПСО будет до-

статочно условной, определяемой в большей степени ее функциональным назначени-

ем.

В данном справочнике НДТ используется классификация ПСО, приведенная на

рисунке 2.2. Она направлена на решение конкретной задачи идентификации НДТ ПСО

и на разделение применяемых конструкций ПСО на классы, имеющие сходные показа-

тели воздействия на окружающую среду, энергоэффективности и потребления природ-

ных ресурсов.

Промышленные системы

охлаждения (ПСО)

Воздушные

Водные ПСО

радиаторные ПСО

ПСО с радиаторными (сухими)

Прямоточные

Оборотные

градирнями (аппаратами

Комбинированные

градирнями (аппаратами

водные ПСО

воздушного охлаждения) с

водные ПСО

ПСО

воздушного охлаждения) с

принудительной тягой или

естественной тягой

наддувом

Оборотные водные

Оборотные

Оборотные водные

ПСО с

водные ПСО с

ПСО с водоемами-

брызгальными

испарительными

охладителями

бассейнами

градирнями

Оборотные водные

ПСО с градирнями с

ПСО с градирнями

ПСО с

принудительной

с естественной

эжекционными

атмосферными

тягой или наддувом

тягой (башенными)

градирнями

(вентиляторными)

Рисунок 2.2 - Классификация ПСО, применяемых в Российской Федерации

Исходя из данной классификации, в справочнике НДТ рассмотрены следующие

10 типов систем охлаждения, применяемых российской промышленностью:

- прямоточные водные системы охлаждения;

- оборотные водные ПСО с брызгальными бассейнами;

- оборотные водные ПСО с водоемами-охладителями;

- оборотные водные ПСО с атмосферными градирнями;

- оборотные водные ПСО с башенными испарительными градирнями (с есте-

ственной тягой);

- оборотные водные ПСО с вентиляторными испарительными градирнями (с

принудительной тягой или под наддувом);

- оборотные водные ПСО с эжекционными градирнями;

- воздушные ПСО с радиаторными градирнями с естественной тягой;

- воздушные ПСО с вентиляторными радиаторными градирнями (с принудитель-

ной тягой или под наддувом);

- комбинированные ПСО.

Остальные применяемые конструкции ПСО не выделяются в отдельные классы,

а рассматриваются как вариации основных типов ПСО, перечисленных выше.

Некоторые технические и термодинамические характеристики наиболее распро-

страненных промышленных систем охлаждения приведены для сравнения в табли-

це 2.1. Эти данные - ориентировочные, полученные при некоторых допущениях

(см. примечания к таблице). Важно учитывать, что значения недоохлаждения могут из-

меняться и зависеть в значительной степени от конструкции теплообменника и харак-

теристик окружающей среды. Соответственно изменятся и минимальные достижимые

конечные температуры рабочей среды.

Таблица 2.4 - Ориентировочные технические характеристики различных типов систем

охлаждения промышленного применения (кроме электростанций) ([9])

Минималь-

ная дости-

жимая тем-

Мощность

Минималь-

пература

Охлаждаю-

ПСО по от-

Система охла-

Основной прин-

ное недо-

щая среда

охлаждения

водимому

ждения

цип охлаждения

охлаждение,

(агент)

охлаждае-

теплу,

°C ⁴⁾

МВт(тепл)

мой среды ⁵⁾,

°C

Прямоточная

Вода

Теплопровод-

3-5

18-20

От < 0.01

водная ПСО

ность и конвек-

до > 2000

(одноконтурная)

ция

Прямоточная

Вода

Теплопровод-

6-10

21-25

От < 0.01

водная ПСО

ность и конвек-

до > 1000

(двухконтурная)

ция

Оборотная вод-

Вода ¹⁾

Испарение³

6-10

27-31

От < 0.1 до

ная ПСО с ис-

Воздух ²⁾

>2000

парительными

градирнями

(одноконтурная)

Оборотная вод-

Вода ¹⁾

Испарение³

9-15

30-36

От < 0.1 до

ная ПСО с ис-

Воздух ²⁾

> 200

парительными

градирнями

(двухконтурная)

ПСО с радиа-

Воздух

Теплопровод-

10-15

40-45

От < 0.1 до

торными гра-

ность, конвек-

100

дирнями или

ция

аппаратами

воздушного

охлаждения

Примечания к таблице 2.1:

1) В этих ПСО вода является вторичным охлаждающим агентом. Тепло переда-

ется в атмосферу с водяным паром.

2) Воздух является охлаждающим агентом, с которым тепло отводится в окру-

жающую среду.

3) Для этих ПСО испарение является основным механизмом теплопередачи.

Тепло также передается путем теплопроводности и конвекции, но в меньшей доле.

4) Должны быть добавлены недоохлаждения теплообменника и градирни.

5) Конечные температуры зависят от климатических характеристик (приведены

данные для средних центральноевропейских климатических условий: температура су-

хого термометра 30 °C, мокрого термометра 21 °C, температуры воды 15 °C).

6) Производительность ПСО может достигать более высоких значений при ком-

бинировании нескольких охлаждающих устройств.

При применении непрямых (двухконтурных) систем указанное недоохлаждение

увеличивается на 3-5 K, что приведет к повышению температуры технологического

оборудования.

Таблица 2.5 - Области применения ПСО

Удельная тепло-

Разность темпе-

вая нагрузка на

Разность темпе-

ратур охлажден-

единицу площади

ратур воды после

ной воды и атмо-

Охладитель

поверхности

и до охладителя,

сферного воздуха

охлаждения,

°C

по мокрому тер-

кВт/м²

мометру, °C

Вентиляторные градирни

93-116 и выше

3-20

4-5

Водоемы-охладители

0,23-0,47

5-10

6-8

Башенные испарительные гра-

70-116

5-15

8-10

дирни

Эжекционные градирни

97 и выше

5-40

2-4

Атмосферные градирни

8,1-17,4

5-10

10-12

Брызгальные бассейны

5,8-23

5-10

10-12

Радиаторные (воздушные) гра-

5-10

20-35

дирни

Примеры в таблицах 2.1, 2.2 показывают, что различным типам систем охлажде-

ния соответствуют различные температуры отводимого тепла. По причинам высоких

значений необходимой площади теплообменной поверхности и соответствующих капи-

тальных затрат, воздушные системы охлаждения обычно не используются для очень

больших мощностей, тогда как водные системы могут применяться для отведения до

2000 МВт и более тепла.

Недоохлаждение прямоточных систем равно сумме температурного напора и

повышению температуры охлаждающей воды. Термин «температурный напор» озна-

чает разность температур между температурой пара, входящего в конденсатор (или

конденсата, покидающего конденсатор) и температурой охлаждающего агента (воды)

на выходе из конденсатора. Обычно встречающиеся на практике значения представ-

лены в таблице 2.3.

Таблица 2.6 - Примеры производительности и термодинамических характеристик ПСО,

применяемых в энергетике ([9])

Мощность производствен-

Система охлаждения

Недоохлаждение, °С

ного процесса, МВт (тепл)

Прямоточные системы

13-20 (температурный напор

< 2700

3-5)

Открытые испарительные

7-15

< 2700

(мокрые) градирни

Открытые гибридные гра-

15-20

< 2500

дирни (в Российской Феде-

рации не применяются)

Воздушные конденсаторы

15-25

< 900

Рисунок 2.3 - График среднемесячных температур воды при прямоточном и

оборотном водоснабжении с охладителями различных типов ([14])

Далее приведены описания принципов действия, конструкций и технических ха-

рактеристик промышленных систем охлаждения, применяемых в Российской Федера-

ции.

2.2 Прямоточные водные системы охлаждения

В прямоточных водных системах охлаждения вода подается из водного объекта

(реки, озера, моря) через открытые подводящие каналы непосредственно к производ-

ственному объекту. После теплообменников или конденсаторов нагретая вода сбрасы-

вается в поверхностный водный объект. Тепло передается от технологического обору-

дования к охлаждающему веществу - воде через разделительную стенку в виде труб

в трубчатом теплообменнике или в виде пластин в пластинчатом теплообменнике.

Охлаждаемое

оборудование

Циркуляционный

насос

Теплообменник

или конденсатор

Рисунок 2.4 - Схема прямоточной системы охлаждения

Прямоточные системы бывают, главным образом, большой производительности

охлаждения (> 1000 МВт(тепл)), но могут иметь и небольшую производительность

(< 10 кВт). Типичные для крупных электростанций расходы воды для отведения

1 МВт(тепл) находятся в диапазоне от 0,02 м³/с (при нагреве воды в конденсаторе на

12 °C) до 0,034 м³/с (при нагреве воды на 7 °C). Прямоточные системы позволяют до-

стичь наиболее низких конечных температур охлаждения с уровнем недоохлаждения

3 °C - 5 °C.

Экологические аспекты прямоточных систем:

- использование (но не безвозвратное изъятие из водных объектов) больших

объемов воды;

- тепловое воздействие на водные объекты, в результате которого возможно не-

допустимое повышение температуры воды водного объекта;

- риск повреждения и гибели рыбы и других водных организмов в результате их

попадания в ПСО;

- потребление энергии, главным образом, циркуляционными насосами;

- риск утечек охлаждаемого вещества в водные объекты в случае, если охла-

ждается экологически опасное вещество;

- образование твердых отходов на мусорозадерживающих решетках на водоза-

боре.

Прямоточные системы, как правило, используются для охлаждения крупных про-

изводственных объектов в энергетике, химической промышленности и на нефтепере-

рабатывающих заводах. Вода, используемая для прямоточного охлаждения, забирает-

ся, главным образом, из поверхностных водоемов. Для небольших систем, например,

охлаждения компрессоров, насосов, может использоваться водопроводная или под-

земная вода. Наличие надежного и достаточно холодного источника воды вблизи про-

мышленной площадки является существенным условием для применения прямоточ-

ных систем. На применимость также может оказывать влияние качество воды поверх-

ностного водоема и ограничения по объемам сброса тепла, но обычно качество воды

реже является ограничивающим фактором, чем в случае оборотных систем.

Иногда прямоточные системы применяются в комбинации с градирнями или дру-

гими охладителями с целью охлаждения сбросной воды перед ее выпуском в поверх-

ностный водоем. В качестве дополнительного охладителя также применяются брыз-

гальные устройства. Эти дополнения к прямоточным системам применяются в качестве

аварийного средства понижения температуры сбросной воды в ситуациях:

- при возможности циркуляции нагретой воды к водозабору при определенных

природных явлениях (периодические течения, нагонные явления), что может приводить

к повышению температуры воды на водозаборе этой же самой или другой промышлен-

ной установки;

- в качестве аварийного средства снижения температуры сбросной воды при

аномально высоких температурах воды водных объектов;

- для снижения температуры в периоды особой чувствительности гидробионтов к

температуре воды (нерест, миграции).

Охлаждаемое

оборудование

Рисунок 2.5 - Схема прямоточной системы охлаждения с градирней на выпуске

В качестве еще одного варианта прямоточных ПСО применяются двухконтурные

прямоточные системы. Этот вариант конструкции охлаждения подобен прямой одно-

контурной прямоточной системе, однако в нем отсутствует прямая передача тепла от

технологического оборудования к охлаждающему веществу, которое отводится в окру-

жающую среду. Тепло передается от рабочей среды или оборудования в замкнутый

вторичный контур, и затем, через дополнительные теплообменники - охлаждающей

воде, поступающей в поверхностный водоем.

С двухконтурным прямоточным охлаждением могут быть достигнуты практически

столь же низкие конечные температуры технологического оборудования, но из-за

наличия дополнительного теплообменника недоохлаждение может увеличиться на

3 °C - 5 °C в зависимости от эффективности теплообменника.

Риск поступления веществ из технологического процесса в поверхностный водо-

ем для данной конструкции - минимальный, поэтому непрямая прямоточная система

охлаждения воды может использоваться в случаях, когда утечка охлаждаемого веще-

ства (например, масла, химических веществ) в охлаждающую воду создает недопусти-

мо высокие риски для окружающей среды.

Охлаждаемое

оборудование

Циркуляционные насосы

первого контура

Рисунок 2.6 - Схема двухконтурной (непрямой) прямоточной системы

охлаждения

Прямоточные ПСО очень широко применяются в промышленности Российской

Федерации и в мире. В таблице 2.4 приведены сведения о количестве электростанций,

применяющих различные типы ПСО (по данным отраслевой отчетности Минэнерго

России за 2014 год). Из данных таблицы видно, что прямоточные и комбинированные

(применяющие прямоточные системы охлаждения к части оборудования) системы

применяются на более чем половине тепловых и атомных электростанций. Доля про-

изводства электроэнергии и установленной мощности электростанций с прямоточными

и комбинированными ПСО существенно превышают половину, поскольку такими си-

стемами охлаждения оснащены наиболее крупные электростанции, в то время как

оборотные ПСО применяются в основном на ТЭЦ, расположенных в населенных пунк-

тах, вблизи от потребителей тепла.

Таблица 2.7 - Количество электростанций, применяющих различные типы ПСО

Доля в об-

Тип ПСО

АЭС

ГРЭС

ТЭЦ

ГЕОЭС

ТЭС

ВСЕГО

щем количе-

стве, %

Прямоточная

25 %

Комбинированная

28 %

Доля в об-

Тип ПСО

АЭС

ГРЭС

ТЭЦ

ГЕОЭС

ТЭС

ВСЕГО

щем количе-

стве, %

Оборотная

117

47 %

ВСЕГО

170

250

100 %

В таблице 2.5 приведены сведения о применении различных типов ПСО на ТЭС

и АЭС США за 2004-2014 годы и доля установленной электрической мощности (Nэл)

ТЭС и АЭС, использующих данные типы ПСО, в общей установленной электрической

мощности. Доля электростанций, использующих прямоточные системы, постепенно

снижается и по количеству (2004 год - 43 %, 2014 год - 35 %), и по установленной

мощности (2004 год - 39 %, 2014 год - 36 %). Тем не менее, количество применяе-

мых в США прямоточных систем значительно.

Таблица 2.8 - Количество эксплуатируемых систем охлаждения различных типов и суммарная

установленная электрическая мощность ТЭС, оборудованных различными системами

охлаждения, в США в 2004-2014 годах (Источник: Интернет-сайт U.S. Energy Information

Administration (EIA), eia.gov/electricity/annual/xls/epa_09_03.xlsx)

Оборотные

системы

Прямоточ-

ПСО с во-

Воздушные

Гибридные

Прочие ти-

охлаждения

ные систе-

доемами-

системы

пы систем

с градирня-

мы

охладите-

охлаждения

Год

ми различ-

лями

ного типа

Доля

Ко-

в Nэл

в Nэл,

лич.

2004

794

39 %

178

15 %

812

43 %

2 %

0,02

2 %

2005

782

38 %

171

15 %

810

44 %

2 %

0,05

2 %

2006

762

38 %

171

15 %

814

44 %

2 %

0,05

2 %

2007

757

37 %

170

14 %

823

44 %

2 %

0,05

2 %

Оборотные

системы

Прямоточ-

ПСО с во-

Воздушные

Гибридные

Прочие ти-

охлаждения

ные систе-

доемами-

системы

пы систем

с градирня-

мы

охладите-

охлаждения

ми различ-

Год

лями

ного типа

Доля

Ко-

в Nэл

в Nэл,

лич.

2008

746

37 %

162

14 %

823

45 %

2 %

0,05

2 %

2009

730

37 %

162

14 %

833

46 %

2 %

0,09

1 %

2010

759

38 %

176

14 %

868

44 %

2 %

0,20

2 %

2011

724

37 %

179

14 %

875

45 %

2 %

0,20

2 %

2012

667

37 %

159

12 %

883

46 %

2 %

0,21

3 %

2013

609

36 %

152

12 %

855

46 %

2 %

0,21

3 %

2014

585

36 %

147

13 %

829

46 %

2 %

0,22

4 %

2.3 Оборотные водные ПСО

Основным классификационным признаком

оборотных

водных ПСО является

многократное использование циркуляционной воды для целей охлаждения.

Оборотные водные ПСО, как правило, включают следующие сооружения и обо-

рудование:

- водозаборные и водоочистные сооружения, используемые для очистки забира-

емой воды от водорослей, мусора и т. п., при заборе воды из водного объекта рыбохо-

зяйственного значения - рыбозащитные устройства;

- насосные станции с установленными в них насосными агрегатами и вспомога-

тельным оборудованием;

- водяной тракт теплообменных аппаратов;

- охладители циркуляционной воды (различные комбинации различных градирен,

водоемов-охладителей, брызгальных бассейнов);

- соединительные трубопроводы;

- оборудование для отведения продувочных вод (насосы, трубопроводы, кана-

лы);

- система управления ПСО.

Обобщенная схема открытой оборотной водной системы охлаждения показана

на рисунке 2.7.

Охлаждаемое

оборудование

Теплообменник

Продувка

Циркуляционный

Подпиточный

насос

Рисунок 2.7 - Схема оборотной водной системы

В этих системах охлаждающая циркуляционная вода проходит через теплооб-

менник (или теплообменники), затем охлаждается в охладительном устройстве, где ос-

новная часть тепла отводится в атмосферу. В градирнях нагретая вода распределяет-

ся по оросительному устройству градирни и охлаждается в результате тепломассооб-

менных процессов с атмосферным воздухом, затем собирается в бассейне, из которого

перекачивается циркуляционными насосами обратно к источнику тепла и вновь ис-

пользуется в качестве охлаждающего вещества. Поток охлаждающего воздуха может

создаваться естественным образом (ветер), либо создается естественной тягой через

башню градирни или посредством вентиляторов, которые нагнетают или вытягивают

воздух через градирню. Охлаждение воды происходит в результате испарения не-

большой части охлаждающей воды, а также через конвективное охлаждение воды воз-

духом. При положительных температурах окружающего воздуха испарительные гра-

дирни передают в атмосферу приблизительно 80 % тепла в виде скрытого тепла (теп-

ла, пошедшего на испарение части циркуляционной воды) и около 20 % - за счет теп-

лопередачи от воды к воздуху (тепла, пошедшего на повышение температуры возду-

ха).

Большая часть воды, которая охлаждается в градирне, циркулирует и может

вновь использоваться в качестве охлаждающего агента. В оборотных испарительных

системах происходят безвозвратные потери воды - испарение, капельный унос, про-

дувка системы и потери с дренажными водами через плотины водоемов-охладителей,

из бассейнов градирен и т. п. Продувка ПСО - это выпуск части циркуляционной воды

из оборотного цикла для предотвращения ее чрезмерного засоления. Для компенсации

потерь циркуляционной воды необходимо постоянно выполнять подпитку ПСО доба-

вочной водой. В связи с этим открытые оборотные испарительные ПСО потребляют

достаточно большие объемы воды.

Главным образом открытые оборотные системы имеют производительность в

пределах 1-100 МВт(тепл), но имеются примеры систем и с намного большими мощно-

стями.

Общие экологические аспекты водных оборотных систем любой конструкции:

- основным путем отведения тепла является испарение воды, поэтому для таких

систем характерны наиболее высокие объемы безвозвратного потребления воды;

- в циркуляционной воде оборотной системы происходит постепенный рост кон-

центрации солей, что создает риск возникновения отложений на теплообменных по-

верхностях. Предотвращение этих негативных процессов требуют сброса части цирку-

ляционной воды (продувка системы) в поверхностный водоем и химической обработки

циркуляционной воды;

- потребление электроэнергии насосами и вентиляторами;

- выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

- образование парового факела, что может приводить при определенных усло-

виях к негативным воздействиям на сооружения и окружающую среду в районе распо-

ложения ПСО;

- шум;

- занятие земель для размещения охладителей;

- риски влияния на здоровье людей в связи с возможным развитием в ПСО пато-

генных микроорганизмов.

Интенсивность этих аспектов в основном зависит от типа применяемых охлади-

телей.

Оборотные водные системы применяются практически во всех отраслях про-

мышленности. В основном они используются при отсутствии вблизи промышленного

объекта достаточно крупного водного объекта, позволяющего применить прямоточную

систему охлаждения, или там, где дальнейший рост тепловой нагрузки на водный объ-

ект недопустим.

Таблица 2.9 - Технико-экономические и экологические показатели градирен при охлаждении

циркуляционной воды с температурой не более 45 °C ([21])

Тип градирни

Показатель

вентилятор-

атмосфер-

воздушные

башенные

ные

радиаторные

Удельная тепловая нагрузка,

93-175

70-120

35-60

0,25-2

кВт/м²

Перепад температур воды, °C

3-20.

5-15

5-10

Температура охлажденной воды

16-18

21-23

26-28

30-32

(среднегодовая), °C

Глубина охлаждения воды t2 - t1,

4-5

8-10

10-12

20-35

°С

Выбросы в окружающую среду,

отнесенные к 1 м³ охлаждаемой

воды:

тепла с паровым факелом, МДж/ч

12-80

20-60

20-40

воды с капельным уносом и про-

0,035

0,03

0,02

дувкой, м³/ч (не более)

Выбросы загрязнений с капель-

ным уносом и продувкой, кг/ч, до:

- органических веществ

0,01

0,007

- минеральных солей

0,3

0,2

0,17

- механических примесей

0,01

0,007

Тип градирни

Показатель

вентилятор-

атмосфер-

воздушные

башенные

ные

радиаторные

Потребление свежей воды, отне-

0,05

0,04

0,03

0,02**

сенное к 1 м³ циркуляционной во-

ды, м³/ч (не более)*

Примечания

* Без учета потерь оборотной воды, отбираемой из ПСО на технологические нужды.

** На увлажнение воздуха в наиболее жаркие дни.

Далее описаны оборотные водные системы с различными типами охладителей.

2.3.1 ПСО с башенными испарительными градирнями

Башенные испарительные градирни - наиболее широко используемый тип

охладителя. В испарительных охладителях охлаждение воды происходит в результате

ее испарения при непосредственном контакте с воздухом (испарение 1 % воды снижа-

ет ее температуру на 6 °C). Поток воздуха создается за счет разности плотностей воз-

духа с различной температурой внутри и снаружи вытяжной башни. Теоретическим

пределом охлаждения воды в испарительных градирнях является температура атмо-

сферного воздуха по мокрому термометру, которая, в зависимости от влажности воз-

духа, может быть ниже температуры по сухому термометру на несколько градусов.

Башенные градирни обладают более высокой и устойчивой охлаждающей спо-

собностью, чем брызгальные бассейны или водоемы-охладители, и требуют меньшей

площади для их размещения.

В то же время при расположении испарительных градирен на площадке пред-

приятия следует обеспечивать беспрепятственный доступ атмосферного воздуха к ним

и благоприятные условия для отвода увлажненного воздуха, выбрасываемого из гра-

дирен. По этим соображениям не рекомендуется располагать градирни в окружении

высоких зданий или на близком расстоянии от них. Расстояние должно быть более по-

луторной высоты зданий. При этом необходимо учитывать розу ветров и направление

зимних ветров для предупреждения увлажнения и обмерзания зданий и сооружений

вблизи градирен.

По условиям надежности, удобства и экономичности эксплуатации рекомендует-

ся сооружать от 2 до 12 секций или отдельных градирен в одном оборотном цикле во-

доснабжения.

Конструкция

Башенные градирни состоят из следующих основных элементов: вытяжной баш-

ни, оросительного устройства (кроме брызгальных градирен), подводящих напорных

водоводов, системы водораспределения, каплеуловителя, водосборного бассейна, от-

водящих трубопроводов циркуляционной и продувочной воды, противообледенитель-

ного устройства. Гидравлическая нагрузка на башенные градирни равна 7-10 м³/(м²·ч).

В брызгальном варианте башенной градирни, т. е. при отсутствии оросителя и

охлаждении воды при помощи разбрызгивающих сопл, плотность орошения (гидравли-

ческая нагрузка) бывает ниже - не более 5 м³/(м²·ч).

Вытяжная башня

Вытяжная башня выполняется или из стального каркаса с внутренней обшивкой,

или из монолитного или сборного железобетона. Форма вытяжной башни может быть

гиперболической, конической или пирамидальной. Вытяжные башни из монолитного

железобетона строятся, как правило, гиперболической формы - наиболее рациональ-

ной в аэродинамическом и экономическом отношениях.

По условиям предотвращения разрушения конструкционных материалов темпе-

ратура воды, поступающей на градирни, не должна, как правило, превышать 60 °C. При

температуре поступающей воды выше 60 °C применяютя защитные покрытия кон-

струкций или специальные термоустойчивые материалы.

При применении башенных градирен в районах с суровыми зимними условиями

эксплуатация их затрудняется из-за возможности обмерзания. Во избежание обледе-

нения конструкций градирен при отрицательной температуре наружного воздуха необ-

ходимо поддерживать температуру охлажденной воды не ниже уровня 10 °C - 12 °C.

Кроме того, воздуховходные окна оборудуются щитами (поворотными, навесными или

шандорными) для регулирования входящего в градирню воздуха в зимний период.

По периметру башни на уровне верха воздуховходного окна может быть уложен коль-

цевой трубопровод с горячей водой. Кроме того, для условий зимней эксплуатации

возможно применение предварительного нагрева или циркуляции охлаждающего воз-

духа.

Система распределения воды

Вода из теплообменника поступает в градирню через специальную систему во-

дораспределения. Ее цель - увеличение площади контакта циркуляционной воды с

воздухом. Для этого система водораспределения создает мелкие капли. Однородность

распределения увеличивает интенсивность теплообмена. Если нужно понизить произ-

водительность системы охлаждения возможно отключение части системы водораспре-

деления.

Опыт применения брызгальных градирен вместо градирен с пленочным ороси-

телем показал, что при напоре циркуляционной воды у сопл 5-6 м вод. ст. недоохла-

ждение воды составляет 3 °C - 4 °C при всех прочих равных условиях. При этом име-

ет место также большой вынос мелких капель воды вместе с выходящими из башен

потоками воздуха. Последнее ограничивает возможность повышения напора сопл и

связано с необходимостью установки водоулавливающих устройств.

Водораспределительное устройство башенных градирен выполняется напор-

ным. Магистральные трубы водораспределительного устройства - стальные. Ответв-

ления от магистральных труб (рабочие трубы) могут быть асбестоцементными, пласт-

массовыми или стальными. На ответвлениях труб устанавливаются разбрызгивающие

пластмассовые сопла. Водораспределительное устройство рассчитывается так, чтобы

обеспечивать нормальную работу градирен в широком диапазоне удельных гидравли-

ческих нагрузок.

Ороситель

Ороситель - важная часть открытой испарительной градирни, создающая по-

верхность контакта для теплообмена между водой и воздухом. В зависимости от кон-

струкции оросительного устройства и способа, которым достигается увеличение по-

верхности соприкосновения воды с воздухом и типом применяемого оросителя, гра-

дирни подразделяются на пленочные, капельные, комбинированные капельно-

пленочные и брызгальные.

Каждый из указанных видов градирен может иметь разнообразные конструкции

отдельных элементов оросительного устройства, отличаться их размерами, расстоя-

ниями между ними и может быть выполнен из различных материалов.

Наиболее существенными характеристиками, которые необходимо учитывать

при выборе оросителей, являются стоимость, стабильность охлаждающих параметров,

аэродинамическое сопротивление, устойчивость к биообрастанию, срок службы ороси-

теля, ремонтопригодность, пожаробезопасность.

В брызгальных градирнях ороситель отсутствует. Увеличение поверхности теп-

лообмена достигается за счет разбрызгивания воды. Эти градирни менее эффективны

по сравнению пленочными и капельными, так как площадь контакта воды и воздуха в

них меньше.

Пленочный ороситель обычно состоит из плотно упакованных гофрированных

вертикальных листов или листов из органических материалов, которые побуждают во-

ду стекать вниз в виде тонкой пленки. Этот ороситель очень эффективен и может ис-

пользоваться для большинства применений.

Капельный ороситель применяется в различных конструкциях и может быть сде-

лан из множества материалов. Капельный ороситель имеет намного более низкую эф-

фективность, чем пленочный, но используется в ситуациях, где вода загрязнена и при

этом у пленочного оросителя могут быть проблемы из-за загрязнения поверхности. Ес-

ли содержание взвешенных вещества высоко, то используются также цементноволок-

нистые плиты.

Комбинированные капельно-пленочные оросители имеют достаточно высокие

характеристики эффективности, при этом оставаясь устойчивыми к загрязнению.

Удельная гидравлическая нагрузка на градирни определяется технологическими

расчетами в зависимости от расчетных параметров атмосферного воздуха при задан-

ном проценте обеспеченности, требуемых перепадов температуры воды, расчетных

температур охлажденной воды и выбранного вида и конструкции градирен.

Ориентировочно для градирен, расположенных в средней полосе России, удель-

ная гидравлическая нагрузка равна, м³/(м²·ч), при оросителе:

- пленочном 8-12

- капельном 6-10

- брызгальном 5-6

При наличии в оборотной воде взвесей в сочетании с маслами и нефтепродук-

тами, образующих на элементах оросителя трудноудаляемые отложения, рекоменду-

ется применять градирни брызгального типа. Такого же типа градирни рекомендуется

применять при возможности выделения из оборотной воды карбоната кальция в виде

накипи на элементах оросителя в больших количествах, угрожающих его обрушением.

Оросители башенных градирен в настоящее время, как правило, изготавливают-

ся из различных пластмасс: полипропилена, поливинилхлорида, полиэтилена высокой

плотности, различных стеклопластиков и др. Относительные преимущества изготовле-

ния оросителей из пластмасс заключаются в высокой прочности и долговечности, ма-

лом удельном весе, низком аэродинамическом сопротивлении, возможности изготов-

ления самых разнообразных конфигураций, предназначенных для работы в конкретных

условиях.

По ранее действовавшим строительным правилам ороситель изготавливался из

плоских или волнистых асбестоцементных листов в один или два яруса, а также из де-

ревянных блоков. Поэтому достаточно много действующих градирен имеют такую кон-

струкцию.

Рисунок 2.8 - Блок современного капельно-пленочного оросителя

Каплеуловитель (водоуловитель, сепаратор капельного уноса)

Для экономии воды выше системы водораспределения устанавливают капле-

уловители, которые препятствуют тому, чтобы водяные капли уносились из градирни

потоком воздуха. Капельные потери без каплеуловителя в зависимости от давления

воды в водораспределительной системе могут составлять от 0,5 до 1,5 % циркуляци-

онного расхода. При установке каплеуловителя эти потери снижаются до 0,01 % -

0,05 %. По результатам опроса среднее значение потерь воды с уносом по ПСО с ба-

шенными испарительными градирнями составило 0,43 % (от 0,01 % до 1,5 %).

В настоящее время сепараторы уноса выполняются, как правило, из синтетиче-

ских пластмасс и выполняются таким образом, чтобы создавать минимальное аэроди-

намическое сопротивление.

Срок службы пластмассового водоуловителя составляет около 25 лет. Ранее

каплеуловители изготавливались также из антисептированных деревянных элементов

со сроком службы не более 5 лет.

Каплеуловители устанавливают на расстоянии около 0,5-2 м над водораспреде-

лительными системами. Скорость движения воздуха в створе перед каплеуловителем

не следует принимать более 3 м/с во избежание значительного повышения уноса ка-

пель.

Применение в водных системах охлаждения токсичных ингибиторов коррозии, а

также использование сточных вод в качестве подпитки в системы оборотного водо-

снабжения накладывает ограничения на величину выноса капельной влага из гради-

рен, так как в атмосферном воздухе в районе градирен образующиеся аэрозоли могут

содержать вредные вещества в недопустимых концентрациях. В связи с этим эффек-

тивная работа каплеуловителей становится особенно важной.

Башенные градирни могут оснащаться вспомогательными вентиляторами

(рис. 2.11), которые обеспечивают воздушный поток при неблагоприятных условиях

высоких температур наружного воздуха, при необходимости кратковременного увели-

чения производительности градирни.

Область и ограничения применения

Башенные испарительные градирни имеют следующие характеристики, опреде-

ляющие их область применения:

- инвестиционные затраты высоки при относительно низких эксплуатационных

затратах;

- значительная высота (40-100 м) может создавать препятствие для авиации,

радиоволн;

- за счет отсутствия вентиляторов относительно низкое потребление электро-

энергии;

- обычно применяется для отвода тепловой мощности более 200 МВт, для круп-

ных технологических установок, таких как электростанции или крупные химические за-

воды;

- испарительные градирни обеспечивают более глубокое охлаждение воды по

сравнению с воздушными радиаторными и могут быть выполнены из более дешевых

материалов.

Конструкция

Технологическая схема вентиляторной градирни включает следующие основные

элементы: оболочку (корпус), состоящую из каркаса, обшитого листовым материалом,

водораспределительное устройство, ороситель, каплеуловитель, водосборный бас-

сейн, подводящие и отводящие трубопроводы и вентиляторную установку.

Испарительные градирни с принудительной тягой применяются в виде различ-

ных конструкций. В этих градирнях применяется широкое разнообразие материалов в

зависимости от размера и типа, а также требований относительно занимаемой площа-

ди, срока службы и капиталовложений. Крупные градирни могут быть построены из же-

лезобетона, более мелкие - главным образом из синтетических материалов, стальных

листов, стальных конструкций. Также возможно использование модульной системы,

т. е. нескольких параллельно подключенных градирен в одном корпусе. В этом случае

систему можно эксплуатировать самым экономичным способом, вводя в эксплуатацию

часть элементов в зависимости от внешних условий и объема отводимого тепла.

Устройство систем распределения воды, оросителей и каплеуловителей могут

незначительно отличаться от аналогичных систем в градирнях с естественной тягой, но

принципы их работы одни и те же.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016) - часть 1