Борис Марцинкевич, Илья Монин. Потоки воды для электростанций

Современная цивилизация немыслима без электростанций, обеспечивающих нас тепловой и электрической энергией. Чем более крупным является тот или иной населенный пункт, чем больше в том или ином регионе промышленных предприятий, тем больше требуется здесь электростанций. Механизировав сельское хозяйство, сделав его более интенсифицированным, развитые страны уже много лет назад начали процесс урбанизации — их население устремилось в города. Каждый город, каждая агломерация, транспортные артерии, связывающие их — это сотни и тысячи больших и малых потребителей энергии, энергии не только электрической, но и тепловой.

Потребление энергии населением городов в огромных количествах характерно не только для стран с таким суровым климатом, как Россия, но и для тех, что находятся намного ближе к тропикам — постоянная высокая температура стимулирует использование множества вентиляторов и кондиционеров. Потому вне зависимости от географической широты характерная черта архитектуры крупных, средних, да и малых городов — трубы электростанций, достигающие порой немалой высоты. Высота трубы Экибастузской ГРЭС-2 — 419,7 метров, труба американской Homer City 371 метр, что на целый 1 метр выше трубы российской Берёзовской ГРЭС — так выглядит тройка мировых лидеров в этом «виде спорта». Есть подобного рода монстры и в Европе — трубы польской Белхатувской ТЭС, крупнейшей ТЭС в Европе и крупнейшей ТЭС в мире, работающей на буром угле взметнулись ввысь на 300 метров. Современная цивилизация пошла куда дальше египетской — тамошние пирамиды сосредоточены в одном месте, наши современные памятники инженерного искусства, причем действующие, распространены по всей планете.

Неотъемлемые части городской архитектуры

Но даже у тех тепловых электростанций, которым дымовые трубы без надобности — у АЭС, тоже есть свои архитектурные достоинства, строительство которых вызвано технической необходимостью. Рядом с АЭС, не со всеми, но со многими, высятся громады градирен, их вынуждены строить и рядом со многими угольными и газовыми ТЭС и ТЭЦ.

Напомним, что разные буквы в аббревиатуре — не филологический каприз, электростанции и энергоцентрали, несмотря на сходства, имеют очень серьезные различия, но об этом чуть позже.



>Мы уже выяснили, для чего именно и как именно используются в недрах электростанций вода и пар и то, что любой электрик постоянно напевает песенку с припевом «Да потому что без воды — и ни туды, и ни сюды». Но все эти паропроводы и бегущие в разные стороны трубы с водой внешнему наблюдателю не видны, все, что с ними связано, сокрыто от внешних наблюдателей за стенами зданий электростанций. И только последняя из использованных схем дает ясный намек на то, спрятать всю схему работы с водой от наблюдательных глаз энергетики не могут.

Электростанции стремятся на берега водоемов

Конденсатор — это место, где пар, выполнивший свою работу при прохождении сквозь все цилиндры турбины, снова становится водой. Закон сохранения энергии фундаментален не только для отдельно взятой электростанции, но и для всей Вселенной — если что-то стало холоднее, то что-то рядом в обязательном порядке нагрелось. Холодная вода, которая обеспечивает конденсацию пара, забирает его энергию и становится теплее. Теплее настолько, что второй раз в конденсаторе использовать ее становится невозможно, то есть нужно либо подавать новые и новые порции холодной воды, либо заниматься охлаждением использованной.



Если присмотреться к географии расположения крупных АЭС за пределами России, то становится очевидной закономерность — они все жмутся к морскому побережью или к крупным сухопутным водоемам. Логика понятна — если есть возможность избавиться от головной боли, нужно это делать. Росатом строит АЭС в Турции, она будет расположена на берегу моря, АЭС в Египте тоже будет прибрежной, геологи Узбекистана определяют наиболее удачный грунт на берегу озера — при любой возможности в любой стране место для строительства электростанций выбирают именно так. Но находить такие места получается далеко не всегда, а проблему с охлаждением воды решать необходимо, таковы требования технологии.

Водохранилища-охладители

Если с местом будущего строительства нет ни моря, ни крупного озера, ни полноводной реки, то проектировщики электростанции стараются обустроить поближе к площадке искусственное водохранилище, которое можно использовать в качестве охладителя. Если есть малоценные участки суши, построить дамбу-запруду — вполне приемлемый вариант решения проблемы. Для создания искусственных водохранилищ-охладителей используются русловые и пойменные участки рек, перекрываемые плотинами, пойменные участки водотоков, и даже водохранилища гидростанций. Но создание водохранилища — это далеко не единственная проблема, нужно еще уметь правильно рассчитать систему подачи теплой воды, подлежащей охлаждению и определить места для водозабора. Теплая вода имеет меньшую плотность, чем вода холодная, поэтому охлаждение воды, идущей с электростанции, происходит с поверхности водохранилища, но в этом процессе участвуют еще поверхностные (дождь, снег, река, течение которой было перегорожено при создании водохранилища) и грунтовые воды.

Циркуляционный поток не охватывает всю площадь водохранилища, его конфигурация и площадь зависят от формы и глубины водоема, взаимного расположения водовыпускных и водозаборных сооружений, наличия сооружений, изменяющих его величину. Для простых схем циркуляции в водохранилищах небольшой глубины с расположением водозабора и водовыпуска на значительном расстоянии друг от друга в практике проектирования применяют приближенное теоретическое построение плана течений. При проектировании крупных охладителей с глубинами, достигающими десятков метров и имеющих сложную конфигурацию, определение плана течений представляет исключительно сложную задачу. Также существуют различия по размерам площадей: небольшие — площадь не более 5 квадратных километров, средние — от 5 до 10 квадратных километров и большие — с площадью более 10 квадратных километров.

Если коротко, то организация водоема в искусственных водоемах-охладителях является отдельным научным направлением, а любой пруд возле электростанции становится местом постоянной заботы для персонала электростанции. Вот только есть одна маленькая проблема — эффект охлаждения воды не будет таким, чтобы решить вопрос полностью. Маловато будет, хотя, если события происходят в средней широтах, то в зимнее время года ситуация становится более оптимистичной. Но электростанция обязана работать круглый год, поэтому энергетики используют дополнительные методы.

Фонтаны на электростанциях

Один из них — брызгальные фонтаны, которые частенько служат настоящим украшением промышленного пейзажа. С технической точки зрения брызгальные фонтаны — трубопроводы и установленные на них сопла, через которые вода выбрасывается в виде фонтана или факела. Охлаждение воды происходит вследствие испарения воды и отдачи тепла воздуху конвекцией. Чем больше напор перед соплами — тем меньше диаметр капель, тем быстрее происходит охлаждение, вот только увеличение напора требует и увеличения затрат электроэнергии.



Дополнительный эффект обеспечивает бассейн фонтана — их стараются сделать больше по площади, но глубиной не увлекаются, вполне достаточно 1,2 — 1, метра. Но, чем мощнее электростанция, чем более серьезные объемы энергии она генерирует, тем больше требуется воды для охлаждения конденсаторов. Строить под фонтаны огромные бассейны, тратить электроэнергию на работу подающих фонтанов — слишком дорого, любая электростанция стремится уменьшить расход электроэнергии на собственные нужды, тем самым повышая рентабельность.

Получается, что ни водоем-охладитель, ни брызгальные фонтаны полностью проблему охлаждения воды для конденсаторов электростанций не решают — оба метода слишком сильно зависят от температуры на улице. Зимой эти методы срабатывают лучше, в летнюю жару хуже, а электростанции нужна стабильность, а не зависимость от погоды и силы ветра. Это и стало причиной того, что градирни стали неотъемлемой частью электростанций, расположенных не на берегах крупных рек и морей.

Градирни

Эти гигантские трубы-башни, над которыми клубятся густые клубы «дыма», находятся на территориях ТЭС, АЭС и ТЭЦ (теплоэлектроцентралей), где одновременно вырабатывается электроэнергия и тепло для освещения и отопления наших домов. Слово «дым» заключено в кавычки не случайно, так как это вовсе не дым, а стопроцентный водяной пар, «белые облака тумана» — это наиболее точное определение происходящего на наших глазах масштабного явления. Ну, а сами бетонные башни — это еще один класс охладительных систем электростанций.

Градирня — это устройство для охлаждения разбрызгиваемой воды, которое происходит за счёт испарения воды с поверхности брызг. Конструкция градирни не опирается непосредственно на землю, а устанавливается на тонких стальных или железобетонных опорах на некоторой высоте над землёй. Высота этих опор в больших градирнях может достигать 10-20м. Таким образом, под стаканом градирни на уровне земли присутствует кольцевой проход для воздуха. В этот кольцевой проход внизу градирни затекает холодный воздух с уровня земли. Над верхней кромкой кольцевого прохода над всей площадью дна градирни расположены решётки с разбрызгивателями охлаждаемой воды. А на всей площади самого дна Градирни находится охладительный бассейн, куда разбрызгиваемая вода в итоге попадает после остывания в полёте.





Размеры градирен настолько масштабны, что сделать снимок, на котором ее устройство видно полностью, невозможно, проще разъяснить все при помощи схемы:



Горячая вода поступает через трубу (4) на распределитель (1) — форсунки и фонтаны, растекается по водораспределителю (2), после охлаждения стекает в бассейн-резервуар (3), откуда и уходит в обратный путь в здание электростанции через отвод (5). Ну, а цифра (6) изображает поступление потока воздуха. Контур стен градирни не случаен и не является неким изобретением дизайнеров с архитекторами, он высчитан суровыми математиками, которые точно знают, что это, извините за выражение — однополостной параболический гиперболоид. Именно такая форма обеспечивает максимальную тягу входящего воздуха, который обеспечивает охлаждение поступающей воды, потому градирню можно с полным основанием называть гигантской трубой, хотя никакой «печки» тут нет и в помине



На вершине градирни.

В промышленных градирнях разбрызгивание охлаждаемой воды происходит на небольшой высоте над сборным бассейном для воды. За время пролёта водяных капель от разбрызгивателей до поверхности бассейна успевает испариться около 1 % массы капель, а увлажнённый и потеплевший воздух начинает подниматься вверх, уступая место свежему и ещё сухому и холодному воздуху. На большой высоте на холодном ветру воздух остывает, что приводит к превращению водяного пара в водяной туман, который мы и видим на вершине градирен как клубы « белого дыма». Выброшенные на больших высотах облака тумана рассеивают принесенную влагу по большим площадям вокруг, не создавая повышенной влажности непосредственно рядом с градирней. Рекорд по высоте градирни сегодня принадлежит Индии, где действуют две градирни высотой 202 метра.

Реки, текущие сквозь градирни

Испарение воды — это очень энергоёмкий процесс. Теплота испарения воды выражается вполне конкретной цифрой 2’400 кДж/кг, при этом теплоёмкость воды составляет всего 4,19 кДж/(град*кг). Обычно градирню строят из расчета на то, что в ней испарится порядка 1% поступающей воды, и этих данных вполне достаточно для того, чтобы высчитать, на сколько удастся понизить температуру за счет использования этой громадной конструкции.

При испарении 1% воды оставшиеся 99% воды остывают на:

(2’400 * 1%) : (4,19 * 99%) = 5,79 градусов

На входе в градирню приходит вода с температурой + 35 С, а из охладительного бассейна забирают воду с температурой + 30 С. При этом температура окружающего воздуха может быть какой угодно, она никак не влияет на процесс испарения внутри градирни, снижение температуры будет одинаковым что зимой, что летом.

Ежесекундно в градирнях охлаждаются огромные объёмы воды, что и формирует над ними настоящие водяные облака из испарившейся воды. При выработке 1 МВт электроэнергии на градирне ТЭЦ необходимо сбрасывать 1,5 МВт тепла, несложно посчитать, что тепловая мощность 1,5МВт (=1500кВт) потребует испарить:

1’500 кВт * 1сек/ 2’400кДж = 0,625 кг/сек или 2’250 кг в час

Для не самой большой ТЭЦ мощностью 1’000 МВт испарение с ее градирен составит 600 кг в секунду или 2’250 тонн в час. Поскольку плотность воды составляет 1 тонну на 1 кубометр, то это число можно представить наглядно — в трубы градирен средней ТЭЦ ежечасно улетает на ветер по целому олимпийскому бассейну воды! При этом по самим градирням прокачивается в 100 раз больший объём воды, то есть 60 кубометров в секунду. С такой интенсивностью можно сравнить, например, Москву-реку, протекающую перед Кремлём — расход воды в ней составляет 109 кубометров в секунду. Когда на Ленинградской АЭС-2 будут работать оба строящихся энергоблока с ВВЭР-1200, через градирни АЭС «будет протекать Москва-река». Стеснительные и скромные энергетики по этому поводу высказываются корректно и обтекаемо: энергетика — это очень водоёмкий процесс.

В конце концов, это просто красиво!

Конечно, строительство градирен требует немалых вложений, но эти капитальные вложения окупаются, поскольку единственная всепогодная альтернатива такой системе охлаждения — создание воздушного потока принудительно, за счет электровентиляторов и оплаты постоянных расходов на их электроснабжение. Кроме того, есть и еще один аргумент в пользу строительства градирен, с которым вообще спорить невозможно — в конце концов, это просто красиво! Особенно в том случае, если к внешней стороне градирен допустить промышленных художников и дизайнеров (ЮАР):







Градирни — самый надежный и экономически самый целесообразный метод охлаждения воды, необходимой для надежной и стабильной работы электростанций, их строили, строят и будут строить до той поры, пока используются тепловые электростанции и АЭС. Эта привычная часть промышленного пейзажа как в городах, так и за их пределами, так что, на наш взгляд, все мы только выиграем, если промышленные дизайнеры получат возможность превращать их вот в такие удивительные картины. Градирни необходимы не только для ТЭС, но и для ТЭЦ, теплоэнергоцентралей, о принципах работы которых мы обязательно расскажем. Почему «обязательно»? То, что Россия — самая северная страна мира, говорят многие, но для энергетиков это не просто устойчивая идиома, а практически инструкция к действиям. 70% энергии, вырабатываемой в России, вырабатывают именно ТЭЦ.

ТЭЦ — энергетический объект, осуществляющий совместную генерацию электроэнергии и тепловой энергии за счет сжигаемого органического топлива. Тепло в наши батареи и в систему горячего водоснабжения приходят по трубам, а, чем длиннее труба — тем больше тепла будет потеряно, экономически выгодно делать маршруты труб как можно более короткими. Прямое следствие этого нехитрого логического построения — ТЭЦ расположены внутри наших городов, мы их видим ежедневно, это неотъемлемая и важная часть инфраструктуры. Аналитический онлайн-журнал Геоэнергетика.ru не может мириться с тем, что для многих жителей городов ТЭЦ — почти НЛО, неопознанный летающий объект!

При соавторстве с Борис Марцинкевичем

Илья Монин

* * *