Интенсификация теплообмена в градирнях

Тепловая эффективность башенных испарительных градирен с естественной тягой, применяемых для охлаждения оборотной воды конденсаторов турбин электростанций, подвержена плохо прогнозируемой и неуправляемой зависимости от внешних климатических условий, что особенно негативно сказывается на потерях в генерации энергии. На Международной конференции «Возобновляемая и альтернативная энергетика в системах теплоснабжения», которая состоялась в октябре 2013 года в Москве, представлены результаты исследований, выполненных авторским коллективом ученых Российской академии наук (РАН), Московского государственного университета (МГУ), специалистами-практиками госкорпорации «Росатом» и компании ЗАО «С-Инструментс», в которых решались задачи, направленные на разработку и практическую реализацию инновационных технологических решений, обеспечивающих повышение эффективности охлаждающей способности теплоносителей в башенных градирнях.

Градирни являются главным элементом технологического процесса практически на всех электростанциях, работающих как на традиционном, так и альтернативном энергоносителе. Находящиеся в настоящее время в эксплуатации градирни советской и российской постройки далеко не всегда удовлетворяют требованиями энергоэффективного производства электрической энергии. Особо отметим, что потери вырабатываемой энергии в значительной степени возникают за счет неэффективного тепломассообмена, обусловленного неоптимальной динамикой взаимодействия гидравлических и аэродинамических движений в градирных теплообменниках.

Ограничения по мощности, связанные с недостаточной производительностью по внутренней аэрогидродинамике охлаждающих устройств 370 башенных градирен тепловых электростанций России, достигают значений 3,9 ГВт с колебаниями в пределах 15 % при общей установленной мощности в 122,6 ГВт (рис. 1). Существенная недовыработка электроэнергии отмечается в особенности в связи с климатическими изменениями, приводящими к увеличению продолжительности и интенсивности высоких летних температур охлаждающего воздуха, значительно снижающего глубину охлаждения циркуляционной воды, возвращающейся в конденсаторы турбин.

Ухудшение показателей тепловой эффективности башенных испарительных градирен в определенной степени связано с игнорированием влияния аэродинамики внутренних воздушных потоков на процессы тепломассообмена. В суровых российских климатических условиях, из-за отсутствия в охладительных башнях систем регулирования подачи воздуха, зимой увеличивается степень вероятности обмерзания градирни, а летом снижается площадь орошения.

В местах контакта морозного воздуха с теплой водой и паром образуются громадные ледяные сосульки, которые при падении выводят из строя ороситель и другие элементы градирни. При неравномерном и нерегулируемом прохождении через ороситель потоков теплого летнего воздуха доля его термического контакта с водой резко снижается. В итоге температуру воды на выходе из градирни не удается заметно понизить по сравнению с ее температурой на входе.

Все это свидетельствует о практической значимости разработки технологических решений по оптимизации воздушных течений внутри градирен и оценок эффективности различных элементов градирни, регулирующих и оптимизирующих процессы воздушного охлаждения водных и паровоздушных потоков оборотной воды конденсаторов турбин электростанций. Процесс охлаждения воды во влажных башенных градирнях представляет собой результат контактного взаимодействия воздуха с водой и водяным паром, и отвода тепла от воды и капель при испарении. Оба процесса в градирне протекают одновременно, оказывая друг на друга взаимное влияние.

Внутри градирни в ее «подоросительном» пространстве наблюдается мощные нисходящие водные потоки типа тропического ливня (фото 1). Потокам наружного воздуха проблематично преодолеть значительное сопротивление стены дождя горячей воды и проникнуть как можно дальше внутрь градирни, охватив контактным теплообменом по возможности большие объемы водяного дождя. Для решения проблем, связанных с аэродинамической интенсификацией теплообмена, предложен вариант (фото 2) технологии воздухорегулирования потоков в башенных противоточных градирнях с естественной тягой, который предусматривает функционирование поворотных устройств во входных окнах [1].

Предполагается, что поворотные устройства, изменяя направление, интенсивность и турбулизацию входящих в градирню воздушных потоков, позволят обеспечить охлаждение циркуляционной воды до достаточно низких температур за счет организации ее контакта с воздухом на большей площади, с равномерным заполнением «подоросительного» пространства при минимальной протяженности мертвых зон. Предлагаемая система воздухорегулирования потока, входящего в градирню через воздуховводные окна (фрагменты которых показаны на фото 2), предусматривает формирование вихревого турбулизированного потока, обладающего повышенной степенью проникновения и фильтрации через систему водных струй.

Это позволяет создать благоприятные условия для интенсификации процессов тепломассообмена с преодолением негативных факторов пространственной неравномерности процессов теплообмена воздуха с водой, капельного испарения воды внутри градирни, а также метеорологических параметров внешней среды. Для практического решения задачи по обоснованию целесообразности технологии воздухорегулирования был выбран метод моделирования с использованием физических и математических маломасштабных моделей, удовлетворяющих параметрам подобия. Теоретическую основу аэродинамических и тепломассообменных процессов в модели градирни составляют дифференциальные уравнения переноса импульса массы, тепла и уравнение состояние влажного воздуха.

Тепломассообменные процессы для многофазных сред определяются законами сохранения массы и энергии для контактирующих потоков и уравнениями тепломассообмена между фазами. Уравнениями баланса расходов воздуха и воды устанавливается интенсивность процессов испарительного и контактного охлаждения воды и нагрева воздуха. Дифференциальными уравнениями потоков энергии для воды и паровоздушной смеси характеризуется изменение потоков энтальпии.

Потоки энтальпии через поверхность раздела фаз определяются температурным напором «поверхность раздела–паровоздушная смесь» и фазовыми превращениями. Граничные условия для этой системы уравнений включают в себя задание в нижнем сечении башни на входе (в ее подоросительном пространстве) температуры наружного воздуха, его влажности, теплового потока и энтальпии воздуха, скорости входящих в башню течений под углом χ, отсчитываемым от радиального направления и расхода воздуха Q_a. В верхнем сечении оросителя задается начальный расход воды Q_w, ее температура, энтальпия пара для исходной температуры воды. В результате расчетов с использованием математической модели и измерений на лабораторной градирни определялись базовые величины, такие как температура воды на выходе и тепловой коэффициент полезного действия

где t_1w — температура воды на входе в градирню; t_2w — температура воды на выходе; t — температура мокрого термометра. Для проведения экспериментальных исследований процессов тепломассообмена с регулируемой аэродинамикой использовался лабораторный стенд с маломасштабной моделью испарительной башенной градирни. Выделяя наиболее значимые результаты исследований, следует отметить избирательность влияния воздухорегулирования на тепловую эффективность от направленности углов χ установки поворотных устройств в воздуховводных окнах градирни. Расчеты и эксперименты проводились для стандартных условий режима эксплуатации: расхода воды, подаваемой на градирню Q_w = 1 м³/ч; температуры поступающей воды t_1w = 40 °C; температуры наружного воздуха t_a = 25 °C; относительной влажности воздуха ? = 50 % и двух значений массового расхода воздуха Q_a, равных 840 и 268 м3/ч. Обнаруживается весьма характерная зависимость тепловой эффективности от угла входа потока в градирню.

Наибольший КПД работы градирни при фиксированном отношении расходов воздуха и воды Q_a/Q_w = 1,1 приходится на значения углов входа потока воздуха в градирню, лежащие в интервале от 30° до 60° (рис. 3). Разница КПД между полностью открытой градирней и градирней с воздухорегулирующими устройствами, обеспечивающими угол входа потока в градирню 45°, составляет 3,9 %, что эквивалентно увеличению вырабатываемой электрической мощности на 1,5 МВт.

При варьировании соотношения гидравлической и тепловой нагрузки эффективность охлаждающей способности испарительной башенной градирни изменяется. Влияние на эффективность и степень охлаждения воды в градирне, наряду с направленностью входящих потоков и их интенсивностью, подтвердилось как в численных расчетах, так и в данных, полученных при измерениях в лабораторных экспериментах. На рис. 4 приведены характерные зависимости тепловой эффективности градирни от относительного расхода «воздух–вода» в сравнении с данными численного расчета. Управлять величиной коэффициента тепловой эффективности градирни можно не только регулированием направленности входящих в «подоросительное» пространство градирни воздушных потоков.

Тепловой коэффициент полезного действия градирни подвержен изменению также и за счет регулировки интенсивности воздушных потоков воздухорегулирующими устройствами, устанавливаемыми одновременно под фиксированным углом по всему периметру основания башни. Анализ полей распределения моделируемых параметров градирни, выполненный с применением тепловизионный видеосъемки, показывает, что поток атмосферного воздуха по пути своего движения встречает, помимо потока тепла, разные элементы системы, у которых он тоже забирает тепловую энергию, теряя свою эффективность при работе с тепловым потоком.

Турбулизация и вихревая структура течений, входящих в градирню после систем воздухорегулирования, обеспечивает подход воздуха непосредственно в место прямого контакта с водными потоками. Это достигается при заборе воздуха непосредственно из атмосферы (без его контакта с теплоносителем), и направлением его непосредственно в зону теплообмена с водой с тем расчетом, чтобы охлаждающий воздух, пройдя через эту зону, имел возможность выходить в атмосферу с минимизацией паразитарных контактов и аэродинамического сопротивления.

Обсуждая возможности практического применения изложенной модели аэродинамического управления теплообменом в мокрой башенной градирне, отметим результат, который представляются наиболее важным, — это выравнивание поля скоростей в градирне за счет выбора конструкции воздухорегулирующих окон, создающих турбулентно-вихревой поток, интенсифицирующий теплообменные процессы, что особенно актуально в аспекте роста производимой энергетической продукции и экономии топливных ресурсов