Вода в предприятиях теплоэнергетики

Предприятия теплоэнергетики подразделяются на электростанции, вырабатываю­щие в основном электрическую энергию - конденсационные электростанции (КЭС) и производящие электрическую и тепловую энергию (ТЭЦ). Удельные расходы техничес­кой воды на предприятиях теплоэнергетики, работающих на газомазутном топливе, с оборотными системами водоснабжения и испарительными градирнями приведены в таблице

Удельные расходы воды при выработке энергии

Параметры пара, МПа	Удельный расход техни­ческой воды при выра­ботке энергии		Параметры пара, МПа	Удельный расход техниче­ской воды при выработке энергии
	электриче­ ской, м3/(МВтч)	тепловой, м3/Гкал		электриче­ ской, м3/(МВтч)	тепловой, м3/Г кал
Для КЭС:			Для ТЭЦ:
			3,4	9,4	0,49
8,8	6,86	-	8,8	5	0,42
12,7	5,81	-	12,7	3,88	0,42
23,5	4,96	-	23,5	2,94	0,386

В отрасли примерно 60% воды находится в обороте и 5% используется повторно-последовательно. Удельные расходы воды на предприятиях отрасли составляют 14 м³/(кВт-ч), из них 0,06 м³/(кВт-ч) свежей воды и 0,08 м³/(кВт-ч) оборотной и по­вторно используемой.

Основными потребителями воды на предприятиях теплоэнергетики являются сис­темы: генерации пара в котлах; охлаждения; пароснабжения; гидравлического удаления юлы и шлама на ТЭС, работающих на твердых топливах, и др. Распределение расхода потребляемой воды зависит от вида ТЭС. На КЭС около 96% используемой воды расхо­дуется на восполнение потерь в системах охлаждения, а добавка в пароводяной цикл составляет около 4%. На ТЭЦ потребляемая вода расходуется следующим образом: подгонка воды для пароводяного цикла - 25-35%; подпитка теплосети - 20-30%, добавка в систему охлаждения - 35-55%. В зависимости от сезона года ТЭЦ работает в различ­ных режимах. В летний период в связи с отключением отопления жилых, общественных и производственных помещений расход воды на теплосеть снижается, а на цели охлаж­дения увеличивается.

Использование воды в каждой из указанных систем характеризуется своими осо­бенностями и предъявляет специфические требования к химическим и санитарно-гиги­еническим показателям состава используемой воды. В таблице ниже приведены разрабо­танные УралВТИ требования к качеству воды, используемой в системах охлаждения пара и вспомогательного оборудования, а также для подпитки теплосети с закрытой и oткрытой системой водоразбора, и указаны нормативные показатели оборотной воды систем охлаждения, принятые в Польше и Германии.

Как уже указывалось, наиболее емкими потребителями воды на ТЭС являются системы водяного охлаждения конденсаторов паровых турбин. Расход охлаждающей воды для конденсации отработанного пара составляет 40-60 м³ на 1 т пара. Съем теплоты охлаждающей водой определяет величину вакуума, непосредственно влияющую на количество вырабатываемой турбинами электроэнергии, и тем самым определяет экономичность работы электростанции в целом. Повышение температуры охлаждающей воды на 1 °С, например для турбины типа К-300-240, уменьшает величину вакуума в кондак и торах на 0,5%, что равноценно снижению мощности турбины на 0,4%, или перерасход; пара на 0,5%. Обычно перепад температур в конденсаторах составляет 7-9 °С. Для по лучения величины вакуума в конденсаторах, обеспечивающей отдачу турбиной номинальной мощности, температура охлаждающей воды не должна превышать 30-33 °С.

Кроме конденсаторов турбин охлаждающая вода используется в газо- и воздухоохладителях турбогенераторов и электродвигателей, маслоохладителях турбоагрегатов и питательных турбонасосов, а также для охлаждения подшипников вспомогательных механизмов.

Удельная потребность в охлаждающей воде для конденсаторов турбин ТЭС на органическом топливе составляет 100 м³/ч на 1 МВт мощности. Таким образом, для мощных ТЭС необходим очень большой расход воды, что лимитирует использование прямоточных схем водоснабжения. При проектировании новых ТЭС системы охлаждения как в нашей стране, так и за рубежом принимаются исключительно оборотными.

На большинстве ТЭЦ для охлаждения нагретой воды применяются башенные иле ночные и капельно-пленочные градирни с естественной тягой. Площадь оросительного устройства башенных градирен достигает 3200-7000 м², а отдельные градирни имею площадь орошения 10 000 м². На КЭС широко применяются оборотные системы водного охлаждения с прудами-охладителями, для размещения которых требуются значительные площади. Так, например, для ГРЭС мощностью 3,2-6,4 ГВт с водохранилищем-охладителем требуется отчуждение земель в размере 2,3-4,5 тыс. га. В связи с этим в последнее время и на КЭС для охлаждения воды начинают использовать градирни.

Оборотные системы охлаждения теплоэлектростанций характеризуются следующими показателями. Количество охлаждающей воды, необходимой для отвода теплом для конденсации пара и прочих нужд, на конденсационных электростанциях мощностью 2400 МВт составляет 250 000-300 000 м³/ч. При разности температур нагретой и охлажденной воды 7-9 °С в градирнях испаряется 1,2-1,5% воды. Капельный унос влаги в зависимости от конструкции водоуловителей составляет 0,2-0,5%. В паросиловых циклах температура и давление воды при последовательном сжатии, нагреве, расширении и отводе тепла изменяются в широких пределах. Температура может меняться от - до 650 °С, а давление - от 4 кПа до 40 МПа.

Плотность пара по мере повышения давления приближается к плотности воды до тех пор, пока критическое давление не достигнет 25,8 МПа. При более высоком давлении образуется сверхкритическая среда, которую нельзя рассматривать как пар или воду. Котлы, работающие под давлением выше 25,8 МПа, называют котлами сверхкритического давления.

В циклах с давлениями ниже критического, когда плотность пара меньше плотности воды, наблюдается фазовое превращение воды в пар и затем пара обратно в воду.

Требования к качеству воды

Показатель	Качество воды
	для подпитки теплосети		для систем охлаждения
	закрытой без водо­забора	открытой с водозабором	УралВТИ	Польша	Г ермания
Температура, °С	Не нормируется	Не нормируется	25-28	-	-
Запах, балл	3	2	2	-	-
pH	6,5-8,5	6,5-8,5	6,5-8,5	7-8,3	7
Жесткость, ммоль/л общая карбонатная	Не нор­мируется То же	7 7	Не норми­руется 3*	20 2	80 5
Солесодержание, мг/л	»	1000	5000	3000	3000
Содержание, мг/л взвешенных ве­ществ	20	1,5	20*
нефтепродуктов	5	0,1	5	-	-
хлоридов	Не нор­мируется	350	Не норми­руется	400	1000
сульфатов	То же	500	То же	600	500
нитратов	»	10	»	-	-
нитритов	»	Не нормируется	»	3	-
железа общего	4	0,3	4	-	-
меди	Не нор­мируется	1	Не норми­руется	-	-
марганца	То же	0,1	То же	-	-
углекислоты свободной	»	Не нормируется	»	1,5	3
фосфора (в пересчете на Р203)	2,5	3,5 (в пере­счете на РО4)	2,5	-	-
азота общего	80	-	80	-	-
ванадия	Не нор­мируется	10	Не норми­руется	-	-
никеля	То же	0,1	То же	-	-
фтора	»	0,7-1,5	»	-	-
мышьяка	»	0,05	»	-	-
ХПК, мг/л	»	100	»	-	-
БПК	15-30	3	15-30	-	-

Хотя н большинстве случаев в циклах со сверхкритическим давлением целесообразнее использовать барабанные котлы, иногда все же устанавливаются прямоточные котлы с более низкими первоначальными затратами.

При производстве пара в условиях докритического давления барабанные котлы имеют два основных преимущества. Во-первых, в этих котлах получают пар высокой чистоты при менее жестких требованиях к качеству питательной воды. При механичес­ком разделении фаз пара и рециркулирущей воды в котловой воде остается большее количества нежелательных твердых веществ. А поскольку скорость рециркуляции в котле примерно в 4 раза превышает скорость потока пара, выходящего из котла, то среда, поступающая из труб парогенератора в расположенный выше паросборник, будет содержать примерно 75% воды. Это означает, что перегретый пар, в котором растворяются некоторые примеси, содержащиеся в котловой воде, не может находиться в барабане выше котла. Во-вторых, так как рециркулирующая в трубах котла смесь в основном является водой, то эффективность теплопередачи и охлаждения металла труб выше, чем в условиях, когда по трубам проходит только пар.

В прямоточных котлах докритического давления происходит полное фазовое превращение, при котором с одной стороны подается вода, а с другой - выходит nepeгретый пар. В этом случае в котле не происходит рециркуляция и не предусмотрен барабан для механического разделения фаз пара и воды. Продувка таких котлов невозможна, поэтому для предупреждения образования отложений твердых веществ в системе при достижении температуры фазового превращения воды в пар требуется питательная вода намного более высокого качества по сравнению с качеством питательной воды для барабанных котлов.

В циклах с давлением выше критического фазовое превращение не происходит, следовательно, разделение фаз пара и воды невозможно. Поэтому в условиях сверхкритических давлений могут работать только прямоточные парогенераторы. Универсальные котлы, работающие под давлением, представляют собой прямоточные котлы, которые могут работать под давлениями выше или ниже критического. Исходя из требований, предъявляемых к сплавам металлов, используемых для изготовления труб, и к толщине труб, эти котлы экономически выгодно эксплуатировать в условиях давлении примерно от 16 МПа до 24 МПа.

В циклах с более высоким докритическим давлением (22 МПа - 22,8 МПа) различия в требованиях к качеству питательной воды, используемой для барабанных и прямоточных котлов, несколько уменьшаются. При таких давлениях барабанные котлы имеют преимущество, обеспечивая эффективное механическое разделение фаз пара и воды. Однако при уменьшении различий между плотностью пара и плотностью воды повышается растворимость в паре загрязнений, содержащихся в воде. Твердые вещества, растворенные в паре, не могут быть удалены при помощи установки в барабане котла устройств для механического разделения. Поэтому для имеющихся на электростанциях котлов высокого давления концентрация твердых веществ в паре в значительной степени зависит от коэффициентов их растворимости в паре и воде при рабочем давлении.