Тип используемого охладителя определяется местом расположения АЭС, наличием свободных площадей и источника технического водоснабжения.
Пруды-охладители — достаточно распространенный тип охладительных устройств. Пруд-охладитель обычно создается на базе имеющейся поблизости реки с небольшим дебитом путем устройства на ней плотины. Необходимая площадь пруда составляет 8— 10 м2 на 1 кВт установленной мощности. Пруды-охладители имеют преимущества перед брызгальными бассейнами и градирнями. Они требуют меньше электроэнергии на привод циркуляционных насосов, так как отсутствует гидравлическое сопротивление самого охладителя и высота подъема воды небольшая. Использование прудов-охладителей позволяет решать ряд других вопросов, связанных с выполнением Государственной продовольственной программы (рыболовство, птицеводство и др.).
С другой стороны, создание прудов-охладителей вынуждает решать вопрос о затоплении пригодных для сельского хозяйства земель. Пруды-охладители следует устраивать таким образом, чтобы большая часть массы воды участвовала в процессе теплообмена. Циркуляция воды в пруде зависит от его формы. Для направленной организации движения воды устраиваются специальные дамбы (поз. 1, рис. 8.4). Глубина пруда выбирается не менее 3— 4 м во избежание зарастания водорослями и заметного прогревания солнечными лучами. Под активной площадью пруда понимают такую поверхность условного пруда, в которой -имеются только транзитные (движущиеся) потоки:
Sa = kS, (8.2)
где S — полная поверхность пруда, м2; k — коэффициент, учитывающий использование пруда и равный 0,8—0,9 для вытянутой формы пруда; 0,6—0,75 — для неправильной формы и 0,4—0,5 — при круглых очертаниях.
В пруде-охладителе часть воды теряется за счет испарения в результате нагревания в конденсаторах, а также за счет естественного испарения и фильтрации через грунт. Если пополнение воды за счет реки и осадков не восполняют убыль, то необходимо искусственное ее восполнение.
В брызгальных бассейнах циркуляционная вода разбрызгивается в воздухе соплами над специально сооруженными бассейнами. Охлаждение воды происходит за счет конвективного теплообмена и испарения части воды в воздухе.
Рис. 8.5. Схема циркуляции воды при охлаждении ее в градирне;
1 — градирня; 2 — выход влажного нагретого воздуха; 3 — вход холодного воздуха, 4 — циркуляционный насос; 5 — конденсатор, 6 — оросительное устройство
Рис. 8 6. Оросительные устройства башенных градирен:
а — капельных, б — пленочных
Бассейн делается секционным для опорожнения и отключения отдельных секций для осмотров и ремонтов. Глубина бассейна 1,5—2 м. Эффективность охлаждения воды зависит от степени дробления воды на капли. Более тонкое распыление воды требует больших затрат электроэнергии на насосы.
Брызгальные бассейны занимают меньше площади по сравнению с прудами-охладителями, и на АЭС они могут применяться, например для воды, охлаждающей промежуточные контуры реактора.
Принципиальная схема оборотного водоснабжения с использованием градирни представлена на рис. 8.5. Циркуляционными насосами 4 вода из сборного бассейна после пропуска через конденсатор 5 направляется на оросительное устройство 6 башни градирни 1. Снизу за счет естественной тяги или работы вентилятора подается воздух 3. В оросительном устройстве за счет контакта воды с воздухом и испарения части воды происходит ее охлаждение. Паровоздушная смесь выбрасывается в атмосферу 2. По способу организации движения воздуха градирни подразделяются на башенные, вентиляторные и открытые. Открытые градирни используются редко и только для небольших мощностей. Наибольшее распространение получили башенные градирни, где тяга создается за счет башни. Для увеличения конвективного теплообмена применяют градирни с установкой вентиляторов, что требует дополнительного расхода электроэнергии на собственные нужды.
По способу дробления воды в оросительном устройстве градирни подразделяются на пленочные, капельные и смешанные. Наибольшую поверхность контакта воды и воздуха обеспечивают пленочные и капельно-пленочные градирни.
В башенных капельных градирнях оросительное устройство обычно выполняется в виде трехгранных реек (рис. 8.6, а), расположенных в шахматном порядке. Вода подается на рейки и, стекая с одной рейки на другую, проходит все оросительное устройство, попадает в бассейн, расположенный под градирней. В пленочных градирнях вода стекает в виде пленки по щитам (рис. 8.6, б), установленных с небольшим наклоном. В капельных и пленочных градирнях через окна в нижней части башни поступает воздух, и в оросительном устройстве идет охлаждение воды в основном за счет испарения воды.
В оборотных системах водоснабжения для борьбы с отложениями в конденсаторах и оросительных устройствах применяют хлорирование добавочной воды, а для борьбы с карбонатными отложениями при жесткости воды более 5 мг-экв/кг применяют подкисление циркуляционной воды.
В соответствии с уравнением (7.1) подогрев технической воды происходит в конденсаторе от f0xi до tm2, °С.
В охладителях оборотных систем водоснабжения вода охлаждается ОТ tfyxl ДО ^охЬ И
(8.9)
называется зоной охлаждения. Чем ниже t0xi, тем глубже вакуум в конденсаторе, тем выше тепловая экономичность.
Определим, от чего зависит уровень охлаждения воды t0xi в охладителе. Содержание водяных паров в воздухе характеризуется относительной влажностью ф, равной отношению парциальных давлений водяных паров к давлению насыщения. Парциальное давление водяных паров соответствует температуре смоченного термометра т, °С, давление насыщения соответствует температуре воздуха tвозд. Если т = 0, то ф = 100% и т = tвозд и испарительное охлаждение невозможно.
Значит, теоретически циркуляционную воду можно охладить До toxл =т, и чем меньше ф, тем более глубоко можно охладить воду. Однако практически за счет несовершенства работы охладительных устройств toxл >Т и
(8.10)
где б — относительный предел охлаждения.
Степень совершенства охладительного устройства определяется соотношениями
или
Чем тоньше распыл охлаждающей воды в охладительном устройстве, тем интенсивнее отводятся водяные пары, т. е. чем меньше Ф, тем эффективнее работа охладительного устройства.
Из рис. 8.7 видно, что при одной и той же температуре наружного воздуха можно получить различные температуры охлаждающей воды на входе в конденсатор. Рис. 8.8 иллюстрирует соотношение (8.10). При оценке охладительных устройств следует учитывать их габариты и стоимость. Для характеристики габаритов установки пользуются понятием площади орошения S0pom, м2, понимая под ней сечение места встречи охлаждающей воды с воздухом.
Рис. 8.7. Зависимость теоретического предела охлаждения от температуры воздуха
Рис. 8 8. Зависимость температуры воды до и после охладителя в зависимости от температуры воздуха в сравнении с теоретическим пределом охлаждения:
dt — зона охлаждения; б — относительный предел охлаждения
Чем больше поверхность контакта охлаждающей воды с воздухом, тем эффективнее при одной и той же охладительное устройство.
Для оценки эффективности работы охладительных устройств используют предельную тепловую нагрузку, равную Q0xfSop0m, кДж/(м2-ч), где Qox — количество теплоты, отводимое в охладителе, кДж/ч, и удельную гидравлическую нагрузку WfS0Pош, м3/(м2-ч), где W — суммарный расход технической воды на оросительное устройство, мэ/ч.
Таблица 8.1. Характеристики охладителей оборотных систем технического водоснабжения
Водоснабжение | Число ходов воды | Кратность | Примечание |
Прямоточное | 1 | 75—100 |
|
| 2 | 60—65 |
|
Брызгальный бассейн | 1 | 75 | Уменьшение Д t и рост т улучшают охлаждающий эффект |
Градирня | 2 | 50—60 | Уменьшение t±.t и рост т ухудшают эффект градирни |
В табл. 8.1 приведены удельные характеристики для различных типов охладительных устройств. Максимальные значения относятся к башенным пленочным градирням с искусственной вентиляцией, минимальные — к прудам-охладителям.
В табл. 8.2 приведены рекомендуемые кратности охлаждения для различных охладительных устройств и число ходов в конденсаторах.
В районах строительства АЭС с большим дефицитом охлаждающей воды возможно применение так называемых «сухих» градирен (рис. 8.9). В этом случае в тепловой схеме турбоустановки используют конденсатор смешивающего типа 6. Конденсат пара насосом 4 подается в набор батарей 3, охлаждаемых наружным воздухом и далее поступает по трубопроводу 2 на впрыск в конденсатор. Поступающий в конденсатор выхлопной пар 1 конденсируется на струях воды, часть его (DK) конденсатным насосом по линии 5 направляется в систему регенерации.
Рис. 8.9. Схема установки «сухой» градирни со смешивающим конденсатором: 1 — пар из турбины; 2 — возврат охлажденного конденсата; 3 — «сухая» градирня; 4 — циркуляционный насос конденсата; 5 — отвод конденсата в регенеративную систему; 6 — конденсатор смешивающего типа
Преимуществом такой схемы является отсутствие поверхности теплообмена в конденсаторе. Однако наличие больших радиаторных поверхностей дает значительное поступление продуктов коррозии в конденсат.
Рис. 8.10. Самотечная схема подачи охлаждающей воды на конденсаторы с напорным бассейном:
1 — подводящий канал. 2 — циркуляционный насос технической воды; 3 — сифонный водовыпуск, 4 — напорный бассейн, 5 — водозабор; 6 — вращающаяся очистная сетка, 7 — аварийно-ремонтный затвор; 8 — самотечный напорный водовод; 9 — конденсатор; 10 — сливной водовод, 11 — сбросный канал
Как уже указывалось в § 7.1, конденсаторы турбин могут также принимать свежий редуцированный пар в аварийных ситуациях. Однако при аварии, связанной с обесточиванием станции, циркуляционные насосы не работают и конденсаторы не охлаждаются. Выход мог бы быть найден подсоединением приводов циркуляционных насосов к системе надежного энергоснабжения. Но при существующих мощностях циркуляционных насосов (так, для ВВЭР-1000 их мощность составляет 3000 кВт) это невозможно сделать. Решение этого вопроса может быть найдено, если охлаждение конденсаторов турбин будет не зависеть от работы циркуляционных насосов. Если на пути подачи охлаждающей воды в конденсатор установить напорный бассейн (рис. 8.10), то при остановке циркуляционных насосов вода самотеком поступает некоторое время в конденсатор. Схема работает следующим образом. Из подводящего канала 1 циркуляционными насосами охлаждающая вода подается по водоводу 3 в напорный бассейн 4. Из бассейна через водозаборное устройство 5, очистную вращающуюся сетку 6 и затвор 7 по самотечному водоводу 8 поступает в конденсаторы турбин 9, а оттуда по сливному водоводу направляется в сбросный канал. В отсутствие таких напорных бассейнов для сброса радиоактивного пара при полном обесточивании станции для реактора РБМК-1000 устанавливают 4 бака-барботера (см. § 10.11). В схеме с напорным бассейном таких барботеров только два.
