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.
https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/1766064/1766064_600.jpg
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.
Хорошо видны опоры градирен
«Фонтаны» внутри градирен
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.
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!
Илья Монин
При соавторстве с Борисом Марцинкевичем
***
Цивилизация – демоническая общественная система, направляющая людей на самоубийственную деятельность и уничтожение природы, а не на развитие собственных способностей и умения жить в единении с природой. Противопоставляется культуре…
Правильно! Предлагаю Вам перейти на лучины и гусиные перья, правда, после этого можно будет рассчитывать на “плюсики” только от своих домочадцев, для нас Вы будете потеряны…
Если ты думаешь, что богатенькие дяденьки избавят человечество от этого, то ты глубоко заблуждаешься… А безотходными производствами ублажай уши лохам…
https://mir24.tv/news/16297825/musornyi-ostrov-v-tihom-okeane-v-tri-raza-pereros-franciyu
https://news.un.org/ru/story/2017/12/1320222
Так в чем же дело? Покажите пример – начните с себя. А рассказывать про мусорное пятно, попутно выкидывая в помойку целлофановый пакет – это лицемерие.
“Цивилизация – демоническая система…Противопоставляется культуре…”
Но 7,7 миллиарда людей кормятся и живут за ее счет.
Кормятся и живут – злоупотребляя ее, цивилизации, достижениями,
в ущерб собственной культуре, прежде всего – нравственности.
И если человечество не сумеет найти примиряющий компромисс
между нравственностью и “цивилизацией” – быть беде, не за горами.
Человечество должно, наконец, избрать парадигмой НРАВСТВЕННОСТЬ.
Хватит нам цивилизации и на сегодня, и на завтра.
J UDOV
Пока кормятся… А как о нас потомки отзовутся – не сегодня и завтра, а послезавтра и дальше?
Вот поэтому и херят нравственность паразиты , чтоб не очнулись.
Я знаю город, где в технологический цикл ТЭС включен город. Отработанный теплоноситель подаётся для обогрева пром. и жилых помещений.
Спасибо за познавательную статью!