Технико-экономические исследования по сравнению "мокрых" и "сухих" градирен применительно к условиям площадки Нововоронежской АЭС-2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Институт ядерной энергетики (филиал) ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» в г. Сосновый Бор

Дисциплина: Основы научно исследовательской работы

Тема: Технико-экономические исследования по сравнению «мокрых» и «сухих» градирен применительно к условиям площадки

Нововоронежской АЭС-2

Выполнил студент гр. В4297/1: Иванов И.И.

Сосновый Бор 2015

Содержание

• Введение
• 1. Отечественный опыт 1989ч1993 гг.
• 2. Системы охлаждения
• 3. Испарительные башенные градирни
• 3.1 Строительная часть
• 3.2 Технологическое оборудование градирни
• 3.2.1 Охладитель
• 3.2.2 Система водоснабжения
• 3.2.3 Водоуловительное устройство
• 3.2.4 Эксплуатация в зимний период
• 4. Вентиляторные секционные градирни
• 5. Сухие градирни с естественной тягой
• 5.1 Основные элементы конструкции
• 5.2 Система водоохлаждения через охлаждающие дельты
• 5.3 Защита охладительной установки от замерзания
• 5.4 Система создания азотной защитной атмосферы
• 6. Гибридные градирни
• 6.1 Техническое описание
• 6.2 Конструкция гибридной градирни
• 7. Технико-экономическое сравнение вариантов
• 7.1 Вариант сухих и мокрых градирен
• 7.2 Вариант смешанной работы
• 7.3 Вариант гибридной работы
• 7.4 Вариант использования испарительных градирен в условиях дефицита подпиточной воды
• 8. Сравнение различных способов охлаждения
• 8.1 Качественное сравнение различных способов охлаждения
• 8.2 Факторы, влияющие на выбор типа охлаждающего устройства
• 9. Оценка сравнительной экономической эффективности вариантов использования «мокрых» и «сухих» градирен в системе технического водоснабжения на энергоблоках № 3,4 Нововоронежской АЭС-2
• 10. Оценка сравнительной экономической эффективности использования испарительных градирен в условиях дефицита подпиточной воды
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

В Российской Федерации принята к реализации программа строительства ряда мощных энергоблоков АЭС. Однако выбор площадок строительства в отдельных районах затруднен дефицитом или отсутствием воды для обеспечения работы системы оборотного водоснабжения.

В районе размещения энергоблоков № 3, 4 НВАЭС-2 также существуют ограничения в потреблении водных ресурсов.

В этих условиях возникает необходимость рассмотрения возможности использования совмещенных систем охлаждающей воды для энергоблоков АЭС. В данной работе использованы данные по охладительным системам, применяемым на:

· тепловых станциях;

· нефтеперерабатывающих;

· химических предприятиях и т.д.

Ввиду отсутствия достаточного отечественного эксплуатационного опыта, большая часть исходных данных заимствуется из аналогичного опыта иностранных предприятий. Эти данные в достаточном количестве присутствуют в исследовательских отчётах ОАО «Атомэнергопроект», в которых присутствуют:

· данные с международных выставок;

· информация от ведущих зарубежных фирм: немецкой SPX Cooling Technologies, венгерской GEA;

· информация по результатам визитов специалистов иностранных фирм с изучением опыта работы фирм по документации, в исследовательских центрах, на заводах и на эксплуатируемых объектах;

· предварительный отчёт фирмы SPX с проработкой вопросов эксплуатации и ТЭИ по сухой и комбинированной градирням для энергоблоков № 3, 4 НВАЭС-2, 2009 г.;

Ввиду объектной (Нововоронежская АЭС-2, Ленинградская АЭС-2, Балтийская АЭС и др.) и отраслевой актуальности темы дефицита водных ресурсов и проблем экологии, следует считать целесообразным изучение темы сухих градирен с рассмотрением современного иностранного опыта работы в этой области для проектов как строящихся, так и уже эксплуатируемых объектов.

1. Отечественный опыт 1989ч1993 гг.

Заместителями Министра атомной энергии и Министра машиностроения СССР в 03.03.1989 г. было утверждено «Решение о разработке сухих градирен для энергоблоков АЭС мощностью 500 и 1000 МВт»:

· Атомэнергопроекту, ЦКТИ, ПО Атоммаш разработать график выполнения НИР и ОКР, выпуска проекта, РД и поставки головного образца отечественного теплообменника из оцинкованной стали с поперечным оребрением;

· проработать вопрос с ведущими зарубежными фирмами - Balke-Durr, Gea о возможности закупки технологии изготовления оребренных труб, включая технологическую оснастку.

Приказ Министров этих министерств от 11.10.1989 г. «О разработке и изготовлении воздушно-водяных теплообменников сухих градирен для энергоблоков АЭС нового поколения мощностью 500 и 1000 МВт» обязал:

· назначить головными организациями Атомэнергопроект, ЦКТИ, ЦНИИТмаш;

· разработать ЭП, ТЭО, ТП, РД теплообменников соответственно в 1990ч1992 г. в соответствии с ТЗ НПО ЦКТИ № 060520-89;

· Атомэнергопроекту привязать схемы сухой градирни к конкретной АЭС и разработать РД в 1993 г.;

· Атоммашу, ЦНИИТмашу, Энергомашпроекту, Атомкотломашу организовать проектиование, изготовлении и монтаж оборудования для изготовления теплообменников в 1992 г.;

· подразделениям внешнеэкономических связей Министерств предусмотреть командирование специалистов на инофирмы для изучения опыта разработки, производства и эксплуатации теплообменников сухих градирен, а также решения вопроса о возможности закупки лицензии на технологию изготовления труб с поперечным оребрением и оборудования для их изготовления.

На совещании в Минатомпроме СССР 20.02.1990 г. было принято решение разработку сухих градирен вести исходя из их применения на энергоблоке № 4 Южно-Украинской АЭС.

Решение от 06.12.1991 г. утвержденное Первым заместителем Минатомпрома СССР обязывало:

· оснастить блоки № 6 и № 7 НВАЭС сухими градирнями с теплообменниками из поперечно-оребренных труб изготовленных на ПО Атоммаш на основе контракта № 85-120/15000 «На закупку оборудования…» по лицензии фирмы Балке-Дюрр;

· Атомэнергопроекту предусмотреть в ТЭО блоков № 6 и № 7 НВАЭС для охлаждения конденсаторов турбин использование сухих градирен.

В течение 1991 г. после переговоров в г. Ратингине был подготовлен текст контракта с фирмой Балке-Дюрр. Цена контракта - 23500000 марок ФРГ. Подписание контракта не состоялось. Контракт был аннулирован 04.09.1991 г. Решением Минатомпрома СССР от 16.12 1991 г. строительство Южно-Украинской АЭС было прекращено из-за моратория Украины.

После аналогичных переговоров в г. Бохум с фирмой ГЕА 20.02.1991 г. был представлен контракт на передачу лицензии на технологию производства оребренных труб и их цинкования, закупку оборудования. Стоимость контракта - 25340000 марок ФРГ. Проект контракта был отклонен.

Собрана нформация о применении в химической промышленности и теплоэнергетики фирмой Намон-Собелко биметаллических труб из стали с поперечным спиральным оребрением из алюминия, получаемым способом экструзии. Дальнейшие переговоры не проводились. Позже «сухое» подразделение Намон вошло в состав объединенной фирмы SPX в 2003 г., Балке-Дюрр - в 2002 г.

Выполнен эскизный проект башенной сухой градирни производительностью 60-80 тыс. м3/ч. для Кольской АЭС с горизонтальной компоновкой теплообменников в двух вариантах башен - железобетонной и каркасно-обшивной применительно к энергоблоку 1500 МВт, СПбАЭП, 2005 г.

Решение С1-496 секции №1 Научно-технического совета №1 Минатома России от 21 июня 1993 г. «Сухие градирни для систем охлаждения атомных станций нового поколения».

В 1989 г. НПО ЦКТИ преступило к работе по тематике «Теплообменник воздушно-водяной для сухой градирни» по Техническому заданию №060520-89 Минатомэнерго СССР.

Обобщение результатов работы представлено в документе «Разработка проектов сухих градирен для энергоблоков АЭС и ТЭС предприятиями СССР (России)».

2. Системы охлаждения

Системы охлаждения делятся на системы:

· прямого охлаждения - конденсаторы с воздушным охлаждением

· косвенного непрямого охлаждения отработавшего пара.

Для систем нормальной эксплуатации энергоблоков АЭС большой единичной мощности могут быть рассмотрены следующие варианты применения градирен, отвечающих современному уровню развития техники и конкретным условиям объекта строительства:

· испарительные градирни на естественной тяге с бетонными или каркасно-обшивными башнями;

· вентиляторные секционные;

· сухие градирни на естественной тяге с теплообменниками различной компоновки с бетонными или каркасно-обшивными башнями;

· гибридные башенные с теплообменниками и оросителями.

3. Испарительные башенные градирни

Для данного типа градирен естественная тяга перемещает воздух, который охлаждает поступающую в градирню воду путем поглощения тепла и влаги. Так как градирня на естественной тяге работает без вентиляторов, то нет необходимости в значительном количестве электроэнергии, требующейся в противном случае для систем больших градирен.

Поэтому градирни с естественной тягой очень привлекательны с точки зрения экономичного решения для больших электростанций, требующих значительного количества охлаждающей воды.

Далее рассматривается градирня, разработанная и изготовленная фирмой SPX Cooling Technologies для энергоблока №1 Нововоронежской АЭС-2. Принятая схема: один Блок - одна градирня. Корпус башни градирни принят монолитным железобетонным, гиперболической формы.

Параметры башни определены, исходя из тепло-гидродинамических показателей, учитывая опыт целого ряда существующих градирен на естественной тяге с аналогичными или более высокими параметрами.

3.1 Строительная часть

Строительная часть градирни состоит из следующих элементов:

· кольцевой фундамент, колоннада, опорное кольцо, вытяжная башня градирни;

· приемные каналы горячей воды, подъемные шахты с интегрированным переливным байпасом;

· водораспределительные каналы;

· внутренняя опорная конструкция каналов и трубопроводов водораспределения, спринклерной системы и оросительного устройства;

· внутренние ветровые перегородки, разделительные стены секторов оросительного устройства, консоли под зимние трубы;

· бассейн с отводящим каналом холодной воды.

Внутренние компоненты градирни опираются на бетонную конструкцию, состоящую из опорных балок:

· верхний ряд сборных железобетонных балок с отверстиями для опирания водораспределительных труб и компенсаторов. Водораспределительные трубы монтируются в отверстия.

· нижний ряд сборных железобетонных балок с отверстиями малого размера, которые используются для опирания подопорных балок блоков оросителя.

Для повышения сроков службы с 30 до 60 лет применены все эффективные строительные материалы и технологии, соответствующие европейскому уровню. Так для производства бетонных работ по возведению башни применена скользящая опалубка фирмы «Дека», производство которой пока в РФ не освоено.

3.2 Технологическое оборудование градирни

3.2.1 Охладитель

Охладитель является наиболее важной частью градирни, ее «сердцем». Являясь контактной поверхностью, он обеспечивает оптимальный теплообмен между водой и воздухом.

В принятой конструкции охлаждаемая вода просачивается сверху через охладитель, в то время как воздух всасывается или нагнетается через охладитель снизу.

Охлаждение достигается как через испарение малого количества воды, скрытой теплоты, извлекаемой из потока охлаждаемой воды, а также через передачу тепла от воды к охлаждающему воздуху путем конвекции.

В данном проекте применен охладитель решетчатого типа, установленный в режиме противотока, который менее чувствителен к взвешенным твердым частицам и обладает высокой стойкостью к загрязнению.

Данный охладитель достигает наибольшего охлаждающего эффекта, поэтому технико-экономический показатель градирен является весьма благоприятным.

3.2.2 Система водоснабжения

Распылители системы водоснабжения (спринклеры) крепятся к низу труб и каналов. Они распределяют воду на охладитель настолько равномерно, насколько возможно, это важно для оптимального функционирования охладителя.

Так как система распределения распыляет воду по направлению вниз, требуется малое давление на входе сопла. Для оптимизации водораспределения по всей площади орошения и по всей длине оросительной трубы, спринклеры снабжены патрубками разных диаметров. Минимальный диаметр патрубков составляет не менее 29 мм, чтобы обеспечить прохождение через патрубки шариков системы шарикоочистки конденсатора турбины.

Система водораспределения в целом работает под силой гравитации. Благодаря тому, что распыление воды направлено вниз, грязные частицы в охлаждающей воде постоянно вымываются из труб и система является самоочищающейся с постоянным смыванием мусора, что значительно сокращает затраты на техобслуживание.

Вся система осушается автоматически и, поэтому, замерзание не может произойти в зимний период.

Распылители не восприимчивы к радиоактивному загрязнению.

3.2.3 Водоуловительное устройство

Водоуловительное устройство предназначено для снижения капельного уноса из градирен. Каплеуловители лопастного типа размещены над системой водораспределения и рассчитаны на потери воды менее 0,005% от общего расхода охлаждающей воды.

Водоуловительное устройство, сепараторы капель, изготавливаются из полимерных материалов.

Они обеспечивают соответствие высоким скоростям элиминации, требуемымым по действующим нормам защиты окружающей среды.

Оптимальное распределение воды также имеет решающее влияние на экономическую эффективность градирни. Оно состоит из тщательно разработанной системы стояков и основных распределительных каналов, к которым подсоединены отдельные распределительные водопроводные трубы.

Благодаря предложенной системе водоснабжения, возможно заполнение водой только некоторых секций градирни при рециркуляции только части охлаждающей воды.

Такая система водораспределения позволяет эксплуатировать градирню в зимних условиях даже при частичной тепловой и гидро нагрузке т.к. обеспечивает безопасную работу даже в случае прекращения поступления воды через одну или две подводящие трубы.

Рисунок 1 - Принципиальная схема системы водораспределения

Winterring pipe - Зимние трубы;

Central sectors - Центральные сектора;

Inner (Outer) peripheria - Внутренняя (внешняя) периферия;

Riser - Устройство распределения воды;

Water distribution chanels - Канал распределения воды;

Each, total - Каждый, всего.

3.2.4 Эксплуатация в зимний период

При работе градирни в зимних условиях, центральные зоны орошения отсекаются, вода направляется в периферийные зоны и зимние трубы.

Созданная на периферии водяная завеса уменьшает разогрев воздуха внутри градирни и, как следствие, снижает естественную тягу внутри нее. Происходит лишь предварительный нагрев атмосферного воздуха, поступающего в градирню, а также снижение эффекта охлаждения.

Градирни, построенные по модели противотока, имеют значительное преимущество зимой, так как сначала охлаждающий воздух контактирует с просачивающейся водой и предварительно нагревается до того, как дойдет до охладителя.

Отдельные секции системы водоснабжения также могут быть изолированы. Внутренние секции системы водоснабжения осушаются, а внешние секции гидравлически перегружаются. Некоторое количество охлаждающей воды также может передаваться неохлажденной прямо в бассейн через сливные каналы. Тепловой КПД градирни снижается.

«Зимние трубы» расположены на нижнем краю оболочки градирни. Они имеют большое количество отверстий на обратной стороне и заполняются частью потока охлаждающей воды. Зимние трубы создают водяной экран на воздухоприемниках, который ограничивает поток охлаждающего воздуха на входе, а также предварительно нагревает охлаждающий воздух.

Путем совмещения соответствующим образом вышеуказанных режимов работы, гарантируется надежное функционирование до минус 30 °C.

В таблице 3.1 приведены основные технико-экономические данные по системе охлаждающей воды с испарительной градирней по проекту фирмы SPX для Блока №1 НВАЭС-2.

Градирни для энергоблоков №1,2 НВАЭС-2 по технологическим и строительным решениям соответствуют современному европейскому уровню, что выгодно отличает их от принятых в отечественной практике. В таблице 3.2 приводятся сравнительные характеристики технических параметров двух вариантов систем основной охлаждающей воды.

Таблица 3.2

Рисунок 2 - Градирня для энергоблока №1 Нововоронежской ВАЭС-2

4. Вентиляторные секционные градирни

Рисунок 3 - Секционные вентиляторные градирни для ТЭС

Секционные вентиляторные градирни широко применяются в том числе на ТЭС мощностью 2ч600 МВт. Однако по оценкам ведущих иностранных фирм для АЭС мощностью 1000ч1200 МВт потребуется 150ч200 вентиляторов мощностью 180 КВт каждый. Энергопотребление вентиляторов составит до 2% от общей выработки АЭС.

Применение секционных вентиляторных градирен для энергоблоков мощностью свыше 50 МВт становится неоправданным и далее не рассматривается.

5. Сухие градирни с естественной тягой

Сухие градирни в соответствии с рисунком 4 по принципу действия являются чрезвычайно простым оборудованием: фактически это ребристые теплообменники, размещенные в кожухе или канале, через которые обеспечивается движение окружающего воздуха. В трубы теплообменников поступает горячая среда, которая при движении охлаждается, отдавая теплоту воздуху, омывающему трубы снаружи, который в свою очередь нагревается. Для создания тяги такие градирни могут быть оборудованы вентиляторами или вытяжной башней. Передача тепла от нагретой среды атмосферному воздуху осуществляется без непосредственного контакта через сильно развитую поверхность ребер, имеющихся на трубках, за счет теплопроводности и конвекции. Для интенсификации процессов теплопередачи гладкие или ребристые трубы могут орошаться снаружи водой. В этом случае в отводе теплоты участвует дополнительно массоперенос.

а) б)

Рисунок 5 - Классификация сухих градирен

Само название «сухая градирня» подразумевает использование только конвективных механизмов теплообмена, но для расширения областей применения этих аппаратов в некоторых моделях предусматривается функция орошения в наиболее жаркий период года. Конструктивные решения для сухих градирен были очень хорошо отработаны в последние десятилетия и, в настоящее время, при их изготовлении используется блочная схема, причем каждый блок состоит или из отдельных оребрённых труб, соединенных пайкой в пучок, или из пучка труб с общими пластинчатыми ребрами.

Хотя градирни на естественной тяге имеют более высокие капитальные затраты из-за того, что надо строить бетонную или металлическую башню, все они имеют такую привлекательную характеристику как практически полное отсутствие прямых затрат на эксплуатацию. Кроме того, они практически бесшумные из-за отсутствия вентиляторов и шума стекающей воды, а то, что влажность внутри будет очень низкой, обеспечивает бетонным, да и металлическим башням долгий срок службы.

5.1 Основные элементы конструкции

Башенные сухие градирни с естественной тягой могут возводиться в двух вариантах:

· железобетонные;

· каркасно-обшивные со стальным каркасом и алюминиевой обшивкой.

Выбор варианта башни проводится по результатам технико-экономического сравнения.

В данной работе для сравнения выбран вариант как и для испарительной градирни, состоящий из кольцевого фундамента, колоннады, опорного кольца, вытяжной железобетонной башни гиперболической формы.

Принципиальная схема и типы конструкций сухих градирен представлены на рисунках 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.