ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Тертичний Олександр Олегович

УДК 532.526.05

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СУМІСНОЇ РОБОТИ ВОДОСХОВИЩ ТА БРИЗКАЛЬНИХ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ ТЕС ТА АЕС

Спеціальність 05.23.16 – Гідравліка і інженерна гідрологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: | Доктор технічних наук, професор,

Нетюхайло Анатолій Петрович,

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри водопостачання, каналізації і гідравліки.

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор,

Гаєв Євген Олександрович,

Інститут гідромеханіки Національної Академії наук України, провідний науковий співробітник.

Кандидат технічних наук, доцент,

Борщов Віталій Анатолійович,

Українська державна академія залізничного транспорту Міністерства транспорту України,

доцент кафедри будівельної механіки і гідравліки.

Провідна установа: Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, м. Харків.

Захист відбудеться 30 червня 2004 р. об 11.00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.056.03 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська, 40.

Автореферат розісланий _28_ травня 2004 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради __________________ Колотило М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Використання комбінованих систем охолодження, що складаються з різних охолоджувальних споруд, є найбільш раціональним шляхом підвищення охолоджувальної здатності водосховищ-охолоджувачів ТЕС та АЕС.

Однією з таких систем є система, що складається з водосховища і бризкальних пристроїв, розташованих на його акваторії. Вона зберігає переваги водосховища-охолоджувача (ВО) - невисокі експлуатаційні витрати, а також притаманну бризкальним системам охолодження (БСО) високу ефективність охолодження циркуляційної води.

Крім цього, перевагами такої комбінованої системи ВО-БСО є:

-

-

-

-

-

У зв'язку з цим дослідження, присвячені прогнозуванню роботи таких комбінованих систем охолодження, представляють теоретичний і практичний інтерес. Цим обумовлена актуальність обраної теми дисертації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках науково-дослідної роботи “Інтенсифікація методів водопідготовки підприємств теплоенергетики та процесів очищення води у водних об'єктах, які дозволяють скоротити терміни і витрати на будівництво”, шифр 0100 U 000220.

Мета і задачі дослідження полягають в розробці математичної моделі охолоджувальної здатності комбінованої системи технічного водопостачання ТЕС і АЕС, що складається з мілководного водосховища-охолоджувача і стаціонарних чи плаваючих автономних бризкальних систем охолодження, розташованих на його акваторії.

Об'єктом дослідження є процеси, що протікають у системі водосховище-охолоджувач - бризкальна система охолодження, розташована на акваторії водосховища.

Предмет дослідження - ефективність роботи водосховища-охолоджувача і бризкальної системи охолодження при їхній сумісній роботі.

Метод дослідження. Дослідження роботи комбінованої системи ВО-БСО виконувалися шляхом математичного моделювання гідротермічних процесів, що відбуваються в цій системі. Для цього використані удосконалені планові рівняння руху, нерозривності і теплопровідності, рішення яких знаходилося методами скінченої різниці за схемою Лакса-Вендроффа та схемою різниць проти потоку. Урахування взаємного впливу охолоджувальних систем у рівняннях руху, нерозривності і теплопровідності впровадилось за допомогою площинних двовимірних -функцій.

Практична цінність:

· на основі розробленої математичної моделі гідротермічних процесів комбінованої системи ВО-БСО створено пакет програм для розрахунку поля швидкості течії і температури води у мілководному водосховищі-охолоджувачі з розташованими на його акваторії стаціонарними та плаваючими автономними бризкальними модулями;

· розроблено рекомендації щодо використання комбінованої системи водосховище-охолоджувач - бризкальна система охолодження для технічного водопостачання ТЕС і АЕС;

· для керування режимом роботи технічного водопостачання ТЕС і АЕС при різних метеорологічних умовах запропонована методика розподілу витрат води між водосховищем та бризкальною системою охолодження для підтримки заданої середньої температури води у водосховищі, необхідної для його нормального функціонування з урахуванням комплексного використання;

· на основі модифікованого методу теплового балансу запропоновано інженерний метод оцінки охолоджувальної здатності комбінованої системи ВО-БСО, що може бути використаний на ранніх стадіях проектування;

· виконано розрахунки охолоджувальної здатності комбінованої системи охолодження для Зміївской ТЕС при різних варіантах розташування стаціонарних і плаваючих автономних бризкальних модулів на акваторії водосховища за плановою гідротермічною моделлю і модифікованим методом теплового балансу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в:

· удосконаленні математичної моделі гідротермічних процесів комбінованої системи охолодження, що враховує взаємний вплив водосховища та бризкальної системи охолодження;

· розробці методики прогнозування охолоджувальної здатності комбінованої системи ВО-БСО зі стаціонарними і плаваючими автономними бризкальними модулями, розташованими на акваторії водосховища;

· дослідженні впливу окремих охолоджувачів комбінованої системи ВО-БСО на її охолоджувальну здатність;

· розробленні методики розподілу витрат води між окремими охолоджувачами системи ВО-БСО в залежності від метеорологічних умов для підтримки заданої середньої температури води у водосховища-охолоджувачі;

· модифікації інженерного методу теплового балансу системи ВО-БСО, що враховує взаємний вплив окремих охолоджувачів.

Особистий внесок здобувача. Автором удосконалена математична модель гідротермічних процесів комбінованої системи ВО-БСО з різними типами бризкальних систем охолодження, розташованих на акваторії водосховища. Модифіковано інженерний метод теплового балансу для оцінки охолоджувальної здатності комбінованої системи ВО-БСО.

Виконано аналіз результатів натурних спостережень інших авторів.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертаційної доповідалися на різних конференціях:

53-58 науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури (ХДТУБА, Харків, 1998-2003 р.р.),

IV міській науково-практичній конференції "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених Харківщини" (30 січня 2001 р.).

Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні проблеми гуманізації та гармонізації управління”, (ХНУ ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2000р.).

Публікації

За результатами роботи опубліковано 6 друкованих праць, у тому числі 3 без співавторів.

Структура й обсяг дисертації

Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації 132 сторінки, 29 ілюстрацій і 19 таблиць по тексту, 135 використаних літературних джерел, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В вступі обґрунтовано актуальність роботи, яка обумовлена необхідністю удосконалення систем охолодження ТЕС і АЕС і розробкою методів оцінки ефективності роботи комбінованих систем охолодження.

У першому розділі проведено аналітичний аналіз робіт, пов'язаних з дослідженням систем охолодження циркуляційної води ТЕС і АЕС.

Питання математичного моделювання роботи водосховищ-охолоджувачів у різних постановках розглядалися багатьма дослідниками (А.Г.Аверкиев, О.Ф.Василь’єв, В.М.Доманов, В.І.Квон, О.Г.Костин, М.Н.Кумарина, В.А.Кякк, В.М.Лятхер, І.І.Макаров, А.Н.Милетеев, А.П.Нетюхайло, І.К.Нікітін, М.П.Омельченко, І.А.Шеренков і багато інших).

Теоретичні та експериментальні дослідження роботи бризкальних систем охолодження багатьох авторів (Є.Г.Братута, В.А.Борщов, Є.О.Гаєв, Р.Є.Гельфанд, В.В.Гончарів, А.А.Меркулов, Н.Н.Терентьев, О.А.Ярхо, П.Потер, Тризек, С.Чатурведи, Чен і ін.) дозволили розробити різні методи оцінки охолоджувальної здатності як окремих бризкальних пристроїв, так і бризкальних модулів та бризкальних басейнів.

Особливості роботи комбінованих систем охолодження, що складаються з водосховища і ізольованих бризкальних модулів, розглянуто в роботах А.П.Браславського, О.В. Кикиша, А.С.Соколова, В.Б. Фарфоровського і ін.

Комбіновані системи охолодження, які складаються з водосховища та бризкальної системи, розташованої на його акваторії, цими й іншими дослідниками детально не розглядалася. Термодинамічні процеси, що відбуваються в такій системі, вплив окремих охолоджувачів на ефективність роботи системи вивчено недостатньо, що і знайшло своє відображення у дисертаційній роботі.

В другому розділі удосконалено математичну модель гідротермічних процесів, що відбуваються у комбінованій системи охолодження з мілководними водосховищами, для яких застосовна планова постановка задачі.

У роботі розглянуто дві різні конструктивні системи БСО. У стаціонарній бризкальній системі охолодження (СБСО) на бризкальні охолоджувачі вода подається після конденсаторів турбін. Трубопроводи і бризкальні пристрої укладаються на пальову чи плавучу основу.

У плаваючій автономній системі охолодження (ПАБСО) вода на бризкальну систему забирається з акваторій водосховища в зоні її розміщення. Після її охолодження на БСО вода повертається у водосховище у ту же зону. Такі автономні бризкальні пристрої цілком установлюються на плаваючій основі. На ній встановлено насос, за допомогою якого вода з поверхневого шару водосховища забирається і направляється на бризкальні пристрої.

ПАБСО не впливає на поле швидкостей у водосховищі, і для її розрахунку використовується класична система двовимірних рівнянь Сен-Венана.

СБСО впливає на швидкість течії у водосховищі і цей вплив враховано у модифікованій системі рівнянь Сен-Венана. Вертикальна швидкість течії на вільній поверхні води визначається залежністю

(1)

При використанні планової постановки задачі гідравліки осереднення по глибині рівнянь нерозривності та руху з урахуванням умови (1) призводить до модифікованої системи рівнянь Сен-Венана:

, (2).

Від класичної двовимірної системи рівнянь Сен-Венана система (2) відрізняється наявністю джерельного члена в рівнянні нерозривності, а також члена в рівняннях руху, що виражає додатковий імпульс за рахунок надходження маси рідини на поверхню водойми з бризкальних пристроїв.

Граничні умови до системи (2) стандартні: на вхідній рідкій границі задаються нормальна та дотична складові швидкості, на вихідній рідкій границі – нормальна складова швидкості, на твердій границі – умова непротікання.

Для розрахунку модифікованої та класичної системи рівнянь Сен-Венана використано кінцево-різницеву схему Лакса-Вендроффа, яка відноситься до явних схем з штучною в’язкістю. Ця схема успішно використовувалася різними авторами для розрахунку швидкості течії у мілководних водосховищах-охолоджувачах.

Для розрахунку поля температури води у водосховищі використовується система, яка складається з планового рівняння теплопровідності та рівняння для числа випаровування:

При використанні оборотної системи охолодження ТЕС та АЕС для рівняння (3) на вхідній границі задається перепад температури води на конденсаторах турбін:

, (5)

на інших границях значення нормальної похідної приймається рівною нулю.

У рівнянні теплопровідності (4) останній член описує додаткове охолодження води на СБСО або на ПАБСО. Для СБСО температура води, що подається на бризкальні пристрої (t1БСО) дорівнює температурі води на вході у водосховище, яка невідома; для СБСО t1БСО дорівнює температурі води в зоні її розташування, яка теж не відома. Температура води, охолодженої на БСО (t2БСО) , визначається за допомогою рівняння для числа випарування (4). Тому рівняння теплопровідності і для числа випаровування об’єднані в одну систему і розв’язуються сумісно.

Для розв’язання рівняння теплопровідності (4) використано кінцево-різницевий метод з різницями проти току.

Для теплового розрахунку водосховищ-охолоджувачів може бути використаний відомий метод теплового балансу:

. (6)

де .

Коефіцієнт використання водосховища визначає площу активної зони водосховища .

При використанні СБСО, розташованих на акваторії ВО, рівняння теплового балансу (6) перетвориться до виду:

(7)

Слід зазначити, що площа активної зони ВО залежить від витрати циркуляційної води. Тому при зміні витрати, що надходить на водовипуск водосховища, змінюється і площа його активної зони.

Температура води t2БСО визначається за допомогою рівняння для числа випарування (4). Рівняння (7) та (4) розв’язуються сумісно методом послідовних наближень.

Рівняння теплового балансу (6) для комбінованої системи охолодження ВО-ПАБСО буде мати вигляд:

. (8)

Температура води, що надходить на бризкальні пристрої (t1БСО), заздалегідь не відома і залежить від місця розташування ПАБСО. Цю температуру можна оцінити залежністю

(9)

де - коефіцієнт, що враховує зростання температури води в зоні розташування ПАБСО в порівнянні з водозабором. Значення визначається на підставі експертних оцінок. Поблизу водовипуску близький до 1, у районі водозабору - наближається до 0. Збільшення чи зменшення значення t1БСО викликає аналогічне збільшення чи зменшення значення температури t2БСО. У рівнянні (8) використовується різниця температур t1БСО–t2БСО, тому погрішність при визначенні t1БСО по залежності (9) не позначиться істотно на кінцевому результаті.

При малих швидкостях течії частина охолодженої на ПАБСО води знову попадає на цей охолоджувач. Для урахування витрати цієї води вводиться додатковий коефіцієнт , що визначає частину витрати води, яка піддається повторному охолодженню. У зоні великих швидкостей коефіцієнт прагне до 0, у застійних зонах - до 1. Цей коефіцієнт визначається за залежністю

. (10)

де - частина витрати циркуляційної води водосховища-охолоджувача, що проходить через зону розташування ПАБСО.

Температура води t2БСО в (8) та (9) визначається за допомогою рівняння для числа випарування (4). Рівняння (8) з урахуванням (9) та (4) розв’язуються методом послідовних наближень.

Коефіцієнт використання водосховища () визначається на основі гідравлічного моделювання або за допомогою додаткових досліджень. Запропоновані в літературі значення для різної конфігурації водосховищ не враховують особливості реальних водосховищ. Тому модифікований метод теплового балансу, так саме, як і класичний, може використовуватися на ранніх стадіях проектування.

У третьому розділі удосконалену модель гідротермічних процесів у комбінованій системі охолодження ВО-БСО використано при дослідженні роботи модельних водосховищ-охолоджувачів з розташованими на їх акваторіях БСО. Дослідження проведено для наступних водосховищ:

· трапецеїдальної форми довжиною близько 5 км і шириною на вході 0.8 км і на виході - 4.7 км (рис. 1а);

· круглої форми діаметром 5 км (рис. 1б).

Глибина обох водосховищ - 3 м. Розрахунки виконано для жаркої пори року з температурою повітря 20.8С, вологістю 62 %, швидкістю вітру 3.9 м/с, природною температурою води 21.3°С. Перепад температури води на конденсаторах турбін складає 10°С.

На рис. 1 показано варіанти розташування бризкальних систем на акваторії кожного водосховища.

Розрахунки швидкості течії у обох водосховищах з розташованими БСО виконано за допомогою системи рівнянь (2), а температури води – системи рівнянь (3, 4). На рис. 1 показано розраховане поле температури води у водосховищі трапецеїдальної форми при 2-му варіанті розташування ПАБСО (рис. 1а) та у водосховищі круглої форми при 2-му варіанті розташування СБСО (рис. 1б).

При порівнянні різних варіантів комбінованої системи ВО-БСО, а також їх зіставлення з ВО без бризкальних пристроїв, запропоновано результати розрахунків охолоджувальної здатності представити у вигляді безрозмірного параметра - коефіцієнта ефективності системи кеф*, який визначається зі співвідношення

, (11)

де - площа умовного водосховища, що забезпечує такий же ступінь охолодження циркуляційної води, як і розглянута комбінована система, і має таку ж форму і глибини, як вихідного водосховища з площею .

Коефіцієнт кеф* показує у скільки разів необхідно збільшити площу водосховища-охолоджувача без зміни форми і глибини, щоб його охолоджувальна здатність дорівнювала охолоджувальній здатності комбінованої системи охолодження.

Площу вихідного ВО можна розрахувати за залежністю: = . При термодинамічних розрахунках умовного водосховища-охолоджувача різницева сітка покриває акваторію водосховища так само, як і для вихідного водосховища з тією самою кількістю вузлових точок, але з іншими кроками розрахункової сітки. Далі визначаються такі кроки розрахункової сітки , при яких охолоджувальна здатність умовного водосховища дорівнюватиме охолоджувальній здатності комбінованої системи охолодження. У цьому випадку = , а формулу (11) можна представити у виді

(12)

Результати розрахунку кеф* комбінованої системи охолодження ВО-БСО в залежності від витрати води на БСО з водосховищем трапецеїдальної та круглої форми приведено на рис. 2.

Аналіз результатів, приведених на рис. 2, показує, що для обох водосховищ кеф* суттєво залежить від витрати води QБСО. Для стаціонарних БСО, розташованих на водосховищі трапецеїдальної форми (рис. 2а),

Рис. 1. Розподіл температури води у водосховищах-охолоджувачах

а) трапецеїдальної форми ВО; б) круглої форми ВО;

2-й варіант розташування ПАБСО; 2 варіант розташування СБСО.

¦ i - i-тий варіант розташування бризкальної системи охолодження.

Рис. 2. Залежність коефіцієнта ефективності комбінованої системи охолодження від витрати БСО при різних варіантах її розташування

а – система ВО-СБСО на водосховищі трапецеїдальної форми;

б – система ВО-ПАБСО на водосховищі трапецеїдальної форми;

в – система ВО-СБСО на водосховищі круглої форми;

г – система ВО-ПАБСО на водосховищі круглої форми.

розташування бризкальних система за розглянутими варіантами позначається не істотно. Для ПАБСО зі збільшенням витрати QБСО росте і розходження кеф* для різних варіантів їхнього розташування (рис. 2б). У водосховищі трапецеїдальної форми залежність кеф* від витрати системи ВО-БСО близька до лінійної. При малих витратах охолоджуваної води (до 0.1), поданої на БСО, ефективність роботи системи для всіх розглянутих варіантів близька.

Для водосховища круглої форми з СБСО та ПАБСО кеф* залежить від варіантів їх розташування. Для цього водосховища, на відміну від водосховища трапецеїдальної форми, залежність кеф* від витрати води QБСО не є лінійною (рис. 2в,г), особливо для 3-го варіанту розташування СБСО.

Дослідження впливу місця розташування БСО на охолоджувальну здатність комбінованих систем показало, що ПАБСО доцільніше розміщати в зоні підвищених температур води і швидкостей течії для збільшення надходження нагрітих вод і відведення охолоджених. СБСО доцільно розташовувати поблизу берега в зоні малих швидкостей або у вирних зонах для збільшення активної зони водосховища.

Оцінка охолоджувальної здатності розглянутої комбінованої системи виконана також модифікованим методом теплового балансу, описаним у 2-му розділі. Зіставлення результатів розрахунку комбінованої системи охолодження методом теплового балансу і за удосконаленою плановою гідротермічною моделлю представлено в таблиці 1.

Таблиця 1.

Порівняння температури води на виході з комбінованої системи

охолодження ВО-БСО, розраховані по різних методиках

Ва-рі-ант | Трапецеїдальна форма | Кругла форма

СБСО | ПАБСО | СБСО | ПАБСО

Планова постанова задачі | Балан-совий метод | Планова постанова задачі  | Балансовий метод | Планова постано-

ва задачі | Балан-совий метод | Планова постанова задачі | Балансовий метод

Температура на водозаборі, °С | Температура на водозаборі,°С | кТ | кр | Температура на водозаборі, °С | Температура на водозаборі, °С | кТ | кр

QБСО=0 м3/с 

30.92 | 33.0 | 30.92 | 33.0 | 27.79 | 29.5 | 27.79 | 29.5

QБСО=25 м3/с

1 | 30.1 | 31.0 | 30.25 | 31.3 | 0.8 | 0.13 | 27.6 | 28.3 | 27.65 | 28.5 | 0.9 | 0.3

2 | 29.86 | 31.0 | 30.38 | 31.7 | 0.5 | 0.27 | 27.5 | 28.3 | 27.7 | 28.7 | 0.6 | 0.3

3 | 29.72 | 31.0 | 30.7 | 32 | 0.2 | 0.37 | 27.9 | 28.3 | 27.72 | 29.0 | 0.1 | 0.3

QБСО=50 м3/с

1 | 28.95 | 29.4 | 29.5 | 29.9 | 0.8 | 0.13 | 26.9 | 27.1 | 27.34 | 27.6 | 0.9 | 0.28

2 | 28.63 | 29.4 | 29.99 | 30.5 | 0.5 | 0.27 | 27 | 27.1 | 27.51 | 28.0 | 0.6 | 0.33

3 | 28.73 | 29.4 | 30.55 | 31 | 0.2 | 0.37 | 27.3 | 27.1 | 27.53 | 28.4 | 0.1 | 0.3

QБСО=75 м3/с

1 | 27.88 | 28.0 | 28.89 | 28.7 | 0.8 | 0.13 | 26.1 | 26.1 | 27.02 | 26.8 | 0.9 | 0.28

2 | 27.61 | 28.0 | 29.71 | 29.6 | 0.5 | 0.27 | 26.4 | 26.1 | 27.32 | 27.3 | 0.6 | 0.33

3 | 27.78 | 28.0 | 30.45 | 30.3 | 0.2 | 0.37 | 26.8 | 26.1 | 27.33 | 27.9 | 0.1 | 0.3

Аналіз результатів, приведених у таблиці 1, свідчить про задовільний збіг одержаних результатів.

В четвертому розділі математична модель охолоджувальної здатності комбінованої системи ВО-БСО, яка описана в 2-му розділі, використана для гідротермічного розрахунку системи технічного водопостачання Змиївської ТЕС. Аналогічна система запропонована в проекті її реконструкції, бризкальний басейн при цьому розташований у водозабірному каналі водосховища-охолоджувача (оз. Лиман).

Перепад температури води t на конденсаторах турбін Змиївської ТЕС змінюється від 5.6 до 8.4°С. Середній перепад температур складає 7.4°С. Максимальна температура води у водосховищі досягає 38С. При такій температурі не забезпечується нормальне існування біоценозу оз. Лиман, що приводить до погіршення умов його експлуатації. Для інтенсифікації процесу охолодження циркуляційної води у дисертаційній роботі розглянуто різні варіанти використання бризкальної системи охолодження, розташованої на акваторії оз. Лиман (рис. 3). Ці варіанти не пов'язані з проектом реконструкції ТЕС.

Сумарна циркуляційна витрата системи охолодження складає 88 м3/с. У розрахунках розглядалися БСО як стаціонарного, так і плаваючого автономного типу. Витрата води, яка подається на БСО , змінювалася від 0 до 20 м3/с.

Розрахунок полів швидкості течії в оз. Лиман виконано за удосконаленою моделлю (1-2) для всіх розглянутих варіантів розташування БСО.

Температура води у водосховищі розрахована при заданому перепаді температур води на конденсаторах турбін (t = 7.4С) за допомогою системи рівнянь (3-4). Прогнозування охолоджувальної здатності системи ВО-БСО в оз. Лиман проведено для середньомісячних даних для травня та липня за матеріалами багаторічних метеорологічних спостережень. На рис. 3 наведено поле температури води у оз. Лиман у липні місяці при 4-му варіанті розташування СБСО з витратою води на СБСО 20 м3/с.

Становить інтерес зміна коефіцієнта ефективності комбінованої системи охолодження у залежності від витрати QБСО. На рис. 4 представлені графіки зміни коефіцієнта кэф* від безрозмірної витрати води на БСО (відносно сумарної циркуляційної витрати 88 м3/с). Як видно з цього рисунку, при невеликій витраті води плаваючих стаціонарних БСО (QБСО<0.05) ефективність комбінованої системи охолодження практично не залежить від розташування БСО. Виключенням є 4-й варіант розташування СБСО, який ефективніше інших варіантів. Це зумовлене тим, що в цьому випадку відбувається активізація течії в застійній зоні і збільшується активна область водосховища.

У цілому, стаціонарні БСО більш ефективні в порівнянні з ПАБСО. При витраті БСО, рівному 0.227, коефіцієнт ефективності системи ВО-СБСО складає 1.44-1.2, а ВО-ПАБСО - 1.16-1.03 (рис. 4). Однак при ухваленні рішення щодо використання тих чи інших охолоджувачів повинні бути враховані і їхня капітальна й експлуатаційна вартість, що істотно вище для СБСО.

З 4-х розглянутих варіантів розташуванням стаціонарної бризкальної системи найкращим є 4-й варіант, а 1, 2 і 3 - близькі за своїми значеннями.

Рис. 3. Варіанти розташування БСО на акваторії озера Лиман та розподіл температури води при 4-му варіанті розташування СБСО

¦ i - i-тий варіант розташування бризкальної системи охолодження.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта ефективності комбінованої системи охолодження Зміївської ТЕС від витрати БСО

а – система ВО-СБСО;

б – система ВО-ПАБСО.

Для плавучої автономної БСО найкращим варіантом є варіант 3, що знаходиться в зоні максимальних швидкостей течій.

Оцінка охолоджувальної здатності комбінованої системи охолодження ВО-БСО Зміївської ТЕС виконана також модифікованим методом теплового балансу (6-10). Порівняння температури води на виході з комбінованої системи ВО-СБСО, розрахованої модифікованим методом теплового балансу і шляхом рішення планової задачі, приведено в таблиці 2. У цій же таблиці приведено фактичне значення середньої температури води на водозаборі Змиевской ТЕС у травні і липні місяці.

При розміщенні СБСО на акваторії водосховища відбувається перерозподіл теплового навантаження між водосховищем і бризкальною системою. Внаслідок цього змінюється значення коефіцієнта kис, що залежить від теплового навантаження на ВО.

При розрахунку комбінованої системи ВО-ПАБСО методом теплового балансу (7-8) визначені значення коефіцієнту , що враховує зростання температури води в зоні розташування ПАБСО в порівнянні з водозабором, і , який визначає витрату води, що піддається повторному охолодженню на ПАБСО. У табл. 2 приведено значення цих коефіцієнтів.

Таблиця 2

Температури води на виході з комбінованої системи

охолодження ВО-БСО, розраховані по різних методиках

Ва-рі-ант | Методика розрахунку | Методика розрахунку | Методика розрахунку | Методика розрахунку

Планова постанова задачі | Балан-совий метод | Планова постанова задачі  | Балансовий метод | Планова постано-

ва задачі | Балан-совий метод | Планова постанова задачі | Балансовий метод

Температура на водозаборі, °С | Температура на водозаборі,°С | кТ | кр | Температура на водозаборі, °С | Температура на водозаборі, °С | кТ | кр

Травень, ВО, середньо багаторічна температура води на водозаборі 21.9 °С | Червень, ВО, середньо багаторічна температура води на водозаборі 27.7 °С

СБСО | ПАБСО | СБСО | ПАБСО

QБСО=0 м3/с 

22.34 | 23.76 | 22.34 | 23.76 | 27.53 | 28.37 | 27.53 | 28.37

QБСО=8 м3/с

1 | 21.88 | 22.9 | 22.28 | 23.44 | 0.3 | 0.7 | 27.07 | 27.49 | 27.47 | 28.06 | 0.3 | 0.7

2 | 21.95 | 22.9 | 22.28 | 23.12 | 0.8 | 0.34 | 27.14 | 27.49 | 27.46 | 27.73 | 0.8 | 0.34

3 | 21.94 | 22.9 | 22.28 | 23.3 | 0.1 | 0.27 | 27.12 | 27.49 | 27.4 | 27.90 | 0.1 | 0.27

4 | 21.35 | 22.67 | 22.31 | 23.71 | 0 | 0.96 | 26.48 | 27.28 | 27.49 | 28.32 | 0 | 0.96

QБСО=20 м3/с

1 | 21.32 | 21.54 | 22.07 | 23.04 | 0.3 | 0.7 | 26.46 | 26.15 | 27.25 | 27.63 | 0.3 | 0.7

2 | 21.5 | 21.74 | 21.9 | 22.31 | 0.8 | 0.34 | 26.65 | 26.32 | 27.08 | 26.85 | 0.8 | 0.34

3 | 21.27 | 21.9 | 21.64 | 22.65 | 0.1 | 0.27 | 26.38 | 26.5 | 26.79 | 27.27 | 0.1 | 0.27

4 | 20.6 | 21.27 | 22.2 | 23.65 | 0 | 0.96 | 25.6 | 25.9 | 27.38 | 28.24 | 0 | 0.96

Порівняння результатів розрахунків, виконаних методом теплового балансу і за допомогою планової задачі (табл. 2), показує, що їхня розбіжність не перевищує 1.4С. У відсутність БСО температура води на водозаборі ВО, розрахована за плановою гідротермічною моделлю, відрізняється від натурних значень на 0.44 і 0.17С для травня і липня відповідно. Відхилення температури води, розраховані методом теплового балансу більші і складають 1.86С та 0.67С. Такі відхилення цілком прийнятні. Тому метод теплового балансу може бути використаний для оцінки комбінованих систем охолодження ВО-БСО. Для отримання уточнених результатів необхідний розрахунок полів швидкості течії і температури води на основі планової задачі.

В п’ятому розділі наведено економічне обґрунтування використання бризкальних систем охолодження. Використання комбінованих систем охолодження сприяє економії палива, зменшенню викидів в атмосферу продуктів згоряння і поліпшенню екологічної ситуації в районі ТЕС. За результатами дослідження УкрНІІЕП, при підвищенні середньої температури води у водосховищі Зміївської ТЕС понад 30С порушується життєдіяльність його біотичного компоненту, що приводить до погіршення експлуатаційних характеристик.

При підвищенні температури повітря у липні та серпні середня температура води у оз. Лиман (без БСО) перевищує 30С. У цьому випадку для недопущення збільшення середньої температури води у ВО понад рівної 30С перепад температур води на конденсаторах турбін повинний зменшитися, що приведе до додаткових утрат потужності турбін і фінансових утрат.

Середній перепад температури води на конденсаторах турбін Зміївскої ТЕС складає 7.4С. Для дотримання оптимальних рибогосподарських умов необхідно зменшити температурний перепад на 0.6С. Враховуючи, що при температурі води 30-35С середня глибина вакууму падає на 0.24% на 1С, глибина вакууму зменшіться на 0.6Ч0.24 = 0.144 %. Зміна глибини вакууму на 1% приводить до зменшення номінальної потужності на 0.72-0.8 % для різних типів турбін. Середня втрата потужності буде дорівнювати 0.72Ч0.144=0.1%.

При потужності електростанції 1700 МВт втрата потужності складе

1700Ч0.1% = 1.7 МВт

Перевищення середньої температури води в оз. Лиман понад 30оС спостерігається 1-2 місяця за рік. При коефіцієнті завантаження електростанції, рівному 0.9, і вартості 1КвтЧгодини електроенергії 0.2052 грн., середні втрати за рік складуть:

0.9Ч45Ч24Ч0.2052Ч1.7=339 тис. грн.,

де 45 – кількість днів з середньою температурою води понад 30С.

Вартість стаціонарних систем охолодження суттєво залежить від місця її розташування, оскільки значна частина вартості складає система трубопроводів від конденсаторів турбін та насосної станції до місця розташування БСО. Тому оцінити середню вартість СБСО досить важко.

Вартість ПАБСО практично не залежить від місця її розташування. За літературними даними, витрати на спорудження ПАБСО складають 9 тис. карбованців на 1м3/с води у цінах 1980-х років. З 4-х розглянутих варіантів розташування ПАБСО найбільш ефективним є 3-й варіант. Для підтримки у ВО середньої температури води 30оС витрата води, що подається на ПАБСО, складає 20 м3/с. Загальна вартість будівництва таких споруджень складе тис. карбованців. З урахуванням індексації цін у 5.16 рази вартість будівництва складе 929 тис. грн.

Установка охолоджувальних пристроїв на базі ПАБСО окупиться за

929/339=2.7 року.

Таким чином, використання даного типу охолоджувачів є економічно виправданим.

Висновки

1. Удосконалено математичну модель гідротермічних процесів комбінованої системи охолодження ТЕС і АЕС: мілководне водосховище – бризкальна система стаціонарного чи плаваючого автономного типів, яка розташована на його акваторії і враховує їх взаємний вплив.

2. Для оцінки охолоджувальної здатності комбінованої системи охолодження ВО-СБСО чи ВО-ПАБСО модифіковане рівняння теплового балансу, яке може бути використане на ранніх стадіях проектування технічного водопостачання ТЕС і АЕС.

3. Виконано розрахунки охолоджувальної здатності комбінованих систем охолодження ВО-СБСО і ВО-ПАБСО з модельними водоймищами трапецеїдальної і круглої форми по удосконаленій плановій моделі гідротермічних процесів і модифікованим методом теплового балансу. Отримано задовільний збіг результатів.

4. Досліджено роботу комбінованої системи ВО-БСО, заснованої на водосховищі-охолоджувачі Зміївської ТЕС (оз. Лиман), за допомогою удосконаленої планової гідротермічної моделі. Виконано аналіз впливу витрати і місця розташування БСО на охолоджувальну здатність цієї комбінованої системи.

5. Побудовано залежності витрати води, поданої на БСО, від температури повітря при підтримці заданої середньої температури води, необхідної для нормальної експлуатації оз. Лиман з урахуванням його комплексного використання.

6. Зіставлене результати розрахунку охолоджувальної здатності оз. Лиман із бризкальною системою охолодження, які отримані за допомогою удосконаленої планової гідротермічної моделі і модифікованим методом теплового балансу. Отримано задовільний збіг результатів.

7. Підтверджено економічну ефективність експлуатації системи ВО-БСО при комплексному використанні водосховища-охолоджувача.

Список опублікованих праць за темою диссертації

1. Тертичный А.О. Использование комбинированной системы охлаждения оборотной воды ТЭС и АЭС на примере Змиевской ГРЭС //Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - Вип. 16. - 2002. -С.151-155.

2. Тертичный А.О. Расчет комбинированной системы охлаждения оборотной воды ТЭС и АЭС // Коммунальное хозяйство городов. - Научн. техн. сб. - ХГАГХ. - К.: "Техніка", 2002. – Вып. 38. - С.153-157.

3. Тертичный А.О. Расчет комбинированной системы охлаждения ТЭС и АЭС методом теплового баланса // Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - Вип. 22. - 2003. - С. 204-210.

4. Нетюхайло А.П., Тертичный А.О. О применении плавающих систем охлаждения в работе ТЭС и АЭС // Коммунальное хозяйство городов. - Научн. техн. сб. - ХГАГХ. - К.: "Техніка", 2002. – Вып. 45. - С.184-189

5. Нетюхайло А.П., Тертичный А.О. Распределение расходов между водохранилищем-охладителем и брызгальной системой охлаждения при их совместной работе // Науковий вісник будівництва. – Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ. - Вип. 18. - 2002. - С.297-302.

6. Нетюхайло А.П., Тертичный А.О. Гидротермический расчет комбинированной системы охлаждения ТЭС и АЭС //Серія: Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м. Харкова. – Харків: Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна. – 2001. – № 506. - С. 168-170.

Основні позначення:

С - питома теплоємність води, Дж/кгС;

D - ефективний коефіцієнт турбулентної температуропроводності, м2/с;

e - абсолютна вологість повітря на висоті 2 м, мм. рт. ст. ;

eм - тиск пари при температурі , мм. рт. ст.;

g - прискорення вільного падіння, кгм/с2;

Н - відмітка вільної поверхні, м;

h - глибина водосховища, м;

JOX , JOY - ухили дна по напрямку координатних осей;

Ки - число випару;

- коефіцієнт використання водосховища;

kР - коефіцієнт, що враховує частину витрати води, яка піддається повторному охолодженню.

kТ - коефіцієнт, що враховує зростання температури води в зоні

розташування ПАБСО;

- коефіцієнт ефективності комбінованої системи ВО-БСО;

n - число вузлів розрахункової сітки водосховища-охолоджувача;

Ра - атмосферний тиск, мм. рт. ст.;

- тиск насиченої пари при середній температурі води в водосховищі та

температурі повітря, мм. рт. ст.;

- циркуляційна витрата води, подаваної на БСО, м3/с;

- циркуляційна витрата води, подаваної на водосховище-охолоджувач, м3/с;

- частина витрати циркуляційної води ВО, що проходить через зону

розташування ПАБСО, м3/с;

- сумарна циркуляційна витрата системи ВО-БСО, м3/с;

rtс і - теплота пароутворення при середній температурі води в водосховищі та

температурі повітря, Дж/кг;

, - температура відповідно вході в комбіновану систему охолодження і на

виході з неї, С;

t1БСО - температура гарячої води, поданої до БСО, С;

t1ВО - температура гарячої води, поданої у водосховище-охолоджувач, С;

t2БСО - температура охолодженої води на БСО, С;

t2ВО - температура води на виході з водосховища-охолоджувача, С;

t - осереднена по глибині температура води у водосховищі, С;

- температура повітря, С;

- складові швидкості течії у водосховищі, м/с;

- координати розташування БСО, м;

z0 - відмітка дна, м;

- коефіцієнт тепловіддачі випаром, Дж/м2смм.рт.ст.;

- коефіцієнт конвективної тепловіддачі, Дж/м2сС;

- перепад температури води на конденсаторах турбін, С;

- крок розрахункової сітки по осях х и у, м;

- площинна двовимірна дельта-функція, 1/м2;

- густина води, кг/м3;

- густина атмосферного повітря, кг/м3;

- поверхнева щільність теплового потоку, мС/с;

- відносна вологість повітря, %;

- час, с;

і - складові сили тертя на поверхні в х та у напрямках, кг/мс2;

і - складові сил гідравлічного тертя на дні в х та у напрямках, кг/мс2;

- площа водосховища, м2.

Скорочення:

БСО - бризкальна система охолодження;

ВО - водосховище-охолоджувач;

ПАБСО - плаваюча автономна бризкальна система охолодження;

СБСО - стаціонарна бризкальна система охолодження.

АНОТАЦІЯ

Тертичний О.О. Підвищення ефективності сумісної роботи водосховищ та бризкальних систем охолодження ТЕС та АЕС. – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.16 - гідравліка і інженерна гідрологія. – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2004.

У роботі удосконалено математичну модель охолоджувальної здатності комбінованої системи технічного водопостачання ТЕС і АЕС, що складається з мілководного водосховища-охолоджувача і стаціонарних чи плаваючих автономних бризкальних систем охолодження, розташованих на його акваторії. Запропонована автором математична модель враховує взаємний вплив окремих охолоджувачів і базується на системі двовимірних рівнянь Сен-Венана, плановому рівнянні теплопровідності та рівнянні для числа випаровування, яке характеризує бризкальну систему охолодження.

Для оцінки охолоджувальної здатності комбінованої системи охолодження ВО-СБСО та ВО-ПАБСО модифіковане рівняння теплового балансу, що враховує взаємний вплив водосховища і бризкальної системи, розташованої на його акваторії.

Виконано розрахунки охолоджувальної здатності комбінованих систем охолодження ВО-БСО, основаних на модельних водосховищах та на водосховищі-охолоджувачі Зміївської ТЕС за допомогою удосконаленої планової гідротермічної моделі та модифікованим методом теплового балансу. Порівняння результатів, одержаних обома методами, свідчить про їх задовільний збіг.

Ключові слова: мілководне водосховище-охолоджувач, стаціонарна бризкальна система охолодження (СБСО), плаваюча автономна бризкальна система охолодження (ПАБСО).

АНОТАЦИЯ

Тертичный А.О. Увеличение эффективности совместной работы водохранилищ и брызгальных систем охлаждения ТЭС и АЭС. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология. – Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2004.

В работе усовершенствована математическая модель охлаждающей способности комбинированной системы технического водоснабжения ТЭС и АЭС, которая состоит из мелководного водохранилища-охладителя и стационарных или плавающих автономных брызгальных систем охлаждения, расположенных на его акватории. Предложенная автором математическая модель учитывает взаимное влияние отдельных охладителей и базируется на системе двухмерных уравнений Сен-Венана, плановом уравнении теплопроводности и уравнении для числа испарения, характеризующем брызгальную систему охлаждения.

Расчет усовершенствованной системы уравнений Сен-Венана выполнен конечно-разностным методом по схеме Лакса-Вендроффа.

Для оценки охлаждающей способности комбинированной системы охлаждения ВО-СБСО и ВО-ПАБСО усовершенствовано уравнение теплового баланса, учитывающее взаимное влияние водохранилища и брызгальной системы, расположенной на его акватории. Это модифицированное уравнение теплового баланса может быть использовано на ранних стадиях проектирования.

Выполнены расчеты охлаждающей способности комбинированных систем охлаждения ВО-БСО для модельных водохранилищ и водохранилища-охладителя Змиевской ТЭС с помощью усовершенствованной плановой гидротермической модели и модифицированным методом теплового баланса. Сравнение результатов, полученных этими методами, свидетельствует об удовлетворительном совпадении полученных результатов.

Исследовано влияние отдельных охладителей на охлаждающую способность комбинированной системы ВО-БСО.

Выполнена оценка экономической эффективности комбинированной системы ВО-БСО при комплексном использовании водохранилища-охладителя.

Ключевые слова: мелководное водохранилище-охладитель, стационарная брызгальная система охлаждения (СБСО), плавающая автономная брызгальная система охлаждения (ПАБСО).

SUMMARY

A.O. Tertychny. Improving the operational efficiency of combined cooling reservoir/sprinkling cooler systems at the thermal and nuclear power plants. – Manuscript.

The thesis is submitted to obtain the candidate of science degree, technical (Ph.D), on speciality 05.23.16. - Hydraulics and Hydrological Engineering. Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2004.

The thesis presents the mathematical model for the evaluation of cooling efficiency of a combined water supply system for TPP and NPP, featuring a shallow-water cooling reservoir and a suite of stationary and/or autonomous floating sprinkling coolers based within on reservoir and taking account of the interferences between individual coolers.

The proposed mathematical model