В разделе краткой характеристики режима большинства водных источников СССР уже указывалось на крайне неблагоприятное распределение годового стока рек между временами года, когда 60—80% годового стока проходит в короткий весенний период, а остальные периоды года и особенно зимний период терпит резкий дефицит стока. Если для электростанций небольшой мощности в ряде случаев этого небольшого стока бывает достаточно, чтобы обеспечить их потребность в воде, то для электростанций средней и особенно большой мощности вопрос обеспечения водой во все периоды года приобретает особую сложность. Практика проектирования и строительства выработала ряд способов и мер, позволяющих строить электростанции средней и большой мощности даже при этих неблагоприятных условиях водного режима рек.
Ниже дается ряд схем технического водоснабжения.
Схема № 1. Чистый прямоток. В тех случаях, когда река имеет минимальные расходы, превосходящие в 2— 3 раза потребность электростанции в воде, решение вопроса о водоснабжении является наиболее простым: насосная или насосные забирают воду из реки, подают ее в конденсаторы турбин и на другие нужды и сбрасывают ее обратно в реку ниже водозабора. Здесь следует только следить при выборе площадки для электростанции за тем, чтобы возвышение площадки над меженным и минимальным уровнем воды в реке не превышало 8—10 м. При большей разности уровнен имеется возможность обеспечить достаточно эффективный прямоток путем сооружения на сбросной воде гидростанции, которая будет возвращать в сеть примерно 50—60 % от затраты электроэнергии на подъем воды из реки (т. е. фактически уменьшит высоту подъема вдвое).
По этой схеме прямотока работает на разных реках большое количество электростанций малой мощности, а также средней мощности (от 100 до 300 тыс. кВт) и несколько станций большой мощности (свыше 300 тыс. кВт) на реках Волге, Днепре, Каме, Оке, Неве, Оби, Енисее, Томи, Ангаре и некоторых других.
Схема № 2. В тех случаях, когда приходится забирать из реки весь ее минимальный сток, необходимо сооружение в русле реки невысокой (высотой 2,5—4 ле) русловой плотины, которая дает возможность забрать из реки весь ее сток (в период маловодья), прокачать его через конденсаторы турбин и сбросить выше или ниже плотины. Такое решение значительно расширяет возможность применения прямотока. В некоторых случаях при наличии на реке переката является возможность обойтись без плотины и ограничиться предохранением переката от размыва. По такой схеме сооружено большое количество электростанций средней и большой мощности (до 500—600 тыс. кВт) на реках Северный Донец, Сейм и некоторых других.
Схема № 3. Работа «на смеси». В тех случаях, когда зимний расход реки не может обеспечить потребности в воде, представляется возможным при наличии русловой плотины или без нее и сбросе теплой воды вверх по реке выше водозабора работать на смеси холодной свежей воды с теплой водой, прошедшей через конденсаторы турбин.
Для расчета температуры смеси ннж. П. А. Денисовым разработана формула, дающая возможность определить температуру смешанной воды и соответствующий вакуум в конденсаторах.
Эта формула разработана на основании работы инженеров Μ. Ф. Менкель, С. Н. Крицкого и К. М. Росинского, касающейся определения температуры воды в водохранилищах, реках и каналах при работе электростанций. Работа эта была выполнена авторами на основании большого количества конкретных наблюдений. В формуле, предложенной инж. П. А. Денисовым, учитываются все факторы, определяющие возможную температуру смешанной воды: температура воздуха, свежей и теплой воды, скорость течения реки, площадь зеркала участка реки между местом сброса теплой воды и водозабором, скорость ветра и некоторые другие.
Возможны три варианта работы на смеси:
Первый вариант водоснабжения на смешанной воде, с одной ступенью подкачки и одним сбросом теплой соды выше водозабора (рис. 4).
Согласно этому варианту береговая насосная забирает воду на. реки и прокачивает через конденсаторы турбин. Сброс теплой воды производится выше водозабора.
Второй вариант водоснабжения смешанной воды с одной ступенью подкачки и двумя сбросами теплой воды (рис. 5).
По этому варианту в отличие от первого сброс теплой воды производится вверх и вниз по реке.
Третий вариант водоснабжения на смешанной воде с двухступенчатой подкачкой (рис. 6). По этому варианту береговая насосная подает воду в канал, идущий возле машинного зала, а в конденсаторы вода подается насосами. расположенным в машинном зале при каждой турбине с малым напором. Достоинством этого варианта является возможность замены напорных водоводов каналом, что уменьшает потери напора, а также возможность индивидуальной работы насосов каждой турбины.
При работе электростанции на смеси свежей и нагретой «оды следует использовать все возможности увеличения зеркала охлаждения путем использования староречей, пониженных участков поймы реки, охлаждения воды на водосбросе или быстротоке, словом использовать все, что дает возможность понизить температуру воды.
Рис, 6.
Приведенные выше схемы взяты из статьи инж. Π. Л. Денисова.*
* «Электрические станции». 1953. № 7.
Насколько эффективна такая схема, видно из следующего примера, взятого из практики проектировок последнего времени. На одной крупной районной электростанции в Западной Сибири мощностью 1 200—1 500 тыс. кВт зимний расход реки в маловодные годы мог упасть до 6— 7 м2/сек. При наличии только русловой плотины и сбросе воды выше водозабора по реке, а также имеющихся староречий оказалось возможным, работая на смеси, получить допустимый технический вакуум в конденсаторах. В другом случае на Северном Урале благодаря учету смешения теплой и свежей воды оказалось возможным увеличить мощность строящейся ГРЭС на 100 тыс. кВт без всякого изменения существующих охладительных сооружений (кроме увеличения мощности насосных). Несомненно, этот новый способ использования смеси свежей и нагретой воды найдет большое применение в практике нашего энергостроительства. Так, например, выше указывалось, что мощность ГРЭС на Среднем Дону на прямотоке ограничивалась 600 тыс. кВт благодаря минимальному расходу реки. Пользуясь этим способом, мощность ГРЭС может быть даже удвоена, особенно в сочетании с использованием какого-либо притока, впадающего в Дон.
Схема № 4. В тех случаях, где минимальный сток реки не позволяет осуществить работу на смеси (в зимнее время) или где летний сток тоже в известные годы недостаточен, там приходится прибегать к сооружению искусственных водохранилищ, образуемых уже не русловой плотиной, а более высокой плотиной, перегораживающей пойму реки и образующей пруд или озеро значительных размеров для крупных электростанций порядка 10 км2 и более. Такое водохранилище или пруд-охладитель имеет двоякое назначение: 1) путем сброса теплой воды на расстояние 3—5 км и более от водозабора охладить воду путем соприкосновения с воздухом и перемешиванием с холодной водой; 2) обеспечить своей емкостью наличие воды и охлаждающего зеркала как в маловодные периоды года, так и в засушливые годы. Практика института «Теплоэлектропроект», а также Всесоюзного института гидротехники имени акад. Б. Е. Веденеева выработала методы расчета таких прудов-охладителей как с точки зрения их термического эффекта, так и с гидротехнической стороны расхода воды в маловодные периоды. Такой пруд-охладитель должен обеспечить электростанцию водой на полную мощность во все время ее работы. Для этого пруд-охладитель должен иметь определенное зеркало, а также достаточную емкость, которая дала бы возможность работать в те периоды, когда приток волы не покрывает ее расхода. Гидравлический расчет пруда заключается, во-первых, в определении потерь из водохранилища. Эти потери состоят из следующих составляющих: а) потери на охлаждение нагретой в конденсаторах воды (они составляют за год 0,7—0,8% от всей воды, прошедшей через конденсаторы турбин); б) потери воды на химводоочистку; в) потерь в цикле гидрозолоудаления;
г) на охлаждение масло-, воздухо- и газоохладителей, а также на охлаждение механизмов. Кроме того, само водохранилище имеет естественные потери: а) на естественное испарение с поверхности пруда (определяемое по температурным условиям района в миллиметрах), за вычетом притока осадками (дождь, снег в миллиметрах); б) на фильтрацию в баках и ложе водохранилища и через плотину (величина этой фильтрации обычно определяется в процентах от общей емкости водохранилища 15—20% и более). Эту фильтрацию, если она велика, можно вернуть в пруд, устроив насосную ниже плотины. Во-вторых, этот расчет должен дать картину работы пруда-охладителя в наиболее тяжелые маловодные годы. Этот расчет обычно ведется на период 3 (а иногда и 7) лет. Первый год, средний по водности, следующий маловодный, обеспеченностью 97%, т. е. гол повторяемостью 1 раз в 33 года, и третий год либо опять 97%, либо 95% (т. е. повторяемостью 1 раз в 33 года). При этом в конце этого периода пруд-охладитель должен сохранить достаточную площадь зеркала для надлежащего охлаждения воды и не должен иметь сработку уровня более 1,5—2,5 м, так как иначе очень увеличится высота подкачки. Второй расчет- термический. Его цель — определить температуру охлажденной воды и вакуум конденсаторов турбин в разных условиях сработки пруда (в том числе и максимальной). Расчет ведется при помощи определения так называемой активной площади пруда. Эта площадь составляет только часть всей площади пруда. Она является той частью пруда, где происходит движение теплой воды и которая участвует в охлаждении. Эта активная площадь зависит от конфигурации пруда — в удлиненном и не очень широком пруду оиа выше, чем в очень широком. Удельным показателем использования поверхности пруда служит показатель количества квадратных метров, приходящихся на 1 м3 охлажденной за сутки воды. Величина эта колеблется от 0,9 до 1,3—1,4 м2 на 1 м3 в сутки. Для иллюстрации можно указать, что для ГРЭС мощностью 1 200 тыс. кВт для хороших условий охлаждения активная зона пруда должна равняться 4,5—5 км2. При проектировании электростанции с прудом-охладителем обязательно должен быть сделан как термический, так и гидравлический расчет работы этого пруда.
Здесь необходимо также указать на желательность расположения площадки электростанции в середине по длине пруда, что дает возможность сбросить нагретую воду в верхний и нижний концы пруда и тем уменьшить сечение отводящих каналов. Необходимо также указать, что к прудам-охладителям предъявляются санитарные требования, а именно: пруд не должен иметь мелких, заболоченных мест, что может служить рассадником комаров.
Наконец, при подыскании места для образования пруда необходимо следить, чтобы в районе будущего водохранилища не было крупных населенных пунктов, что может вызвать большую стоимость отчуждения и удорожить постройку электростанции. Следует заметить, что расположение площадки на пруду необходимо выбирать так, чтобы возвышение площадки над нормальным подпорным горизонтом пруда (НПГ) не было более 4—5 м. В этом случае мы будем иметь напор циркуляционных насосов порядка 9—11 м. Еще лучше, если возможно понизить разницу уровней до 2—3 л. Следует также добиваться, чтобы длина и объем земляной плотины были не очень большими (це превышающими 200—400-тыс. м3), грунты под бетонную водосливную часть плотины были надежными, а фильтрация через тело плотины — минимальная.
В заключение следует привести несколько примеров выполненных прудов-охладителей (табл. 12).
Схема 4а. С двумя прудами: охладительным и регулирующим. В тех случаях, когда одно водохранилище в ряде маловодных лет испытывает слишком большие колебания уровня (порядка 3—5 м), целесообразным является комбинация из двух прудов: один пруд является охладителем циркуляционной воды при постоянном (или мало колеблющемся) уровне воды в пруду, а второй пруд — регулирующий пополняет убыль воды в первом пруду и может иметь значительные колебания уровня. Первый пруд для ГРЭС мощностью в 1 200—I 300 тыс. кВт должен иметь площадь зеркала при НПГ порядка 8—10 км2 и более. При небольшой сработке в 1 —1,5 м такой пруд может давать хорошее охлаждение конденсаторов турбин на указанную выше мощность. Поддержание же уровня пруда попускали из верхового пруда дает возможность поддерживать стабильный напор насосов.
Таблица 12
Прудовое водоснабжение районных электростанций
Второе водохранилище может быть сооружено либо на той же реке, выше по течению, либо на каком-либо притоке этой реки, где это окажется возможным. Верхнее водохранилище при ГРЭС указанной выше мощности должно давать полезную подачу воды во все периоды порядка 25—30 млн. м3 в год с тем, чтобы покрыть все потери воды из первого пруда, т. е. на потерн на охлаждение теплой воды (около 0,7% от воды, прошедшей через конденсаторы), на химводоочистку, гидрозолоудаление, естественное испарение с поверхности пруда и фильтрацию (последняя может служить вместо попусков воды для снабжения водой районов, лежащих ниже водохранилища по реке). Можно напомнить, что такая система была сооружена при постройке Зуевской ГРЭС на р. Крынка. Здесь одновременно с сооружением Зуевской плотины была сооружена плотина на Ольховском овраге, где образовалось прекрасное водохранилище с мягкой водой и полезной отдачей около 15—18 млн. м3 в год. Поскольку эта вода в дальнейшем была использована как питьевая для районного водопровода, выше по реке было построено новое водохранилище — Ханженковское. Известно также, что для пополнения пруда Штеровской ГРЭС на притоке р. Миус Мнусчике было построено водохранилище полезной отдачей 3—4 млн. м3 в год. Система двух водохранилищ вполне целесообразна, но она возможна при условии подыскания удобного места для сооружения второго весьма емкого водохранилища, а также при достаточно большом годовом стоке реки, так как при двух водохранилищах сильно увеличиваются потерн на естественное испарение.
Второе регулирующее водохранилище иногда может быть построено на соседней реке, с подачей воды в первое водохранилище либо самотеком, либо насосной станцией. Такие схемы имели место на некоторых проектах для новых ГРЭС на Урале (пока не осуществленных).
Есть еще две схемы использования для охлаждения пруда или прудов-охладителей уже чисто индивидуальные, продиктованные местными условиями.
Схема 46. В том случае, если по каким-либо причинам (плохая геология или топография) невозможно сооружение пруда-охладителя на реке, то иногда (при налички большого плоского или заболоченного пространства) является возможным сооружение акватория путем обнесения дамбой высотой 4—4,5 м участка земли с подкачкой в этот искусственный пруд воды из соседней реки, на которой сооружается насосная подкачки, действующая либо весь год, либо только 7—8 мес. в году. Площадь акватория берется с расчетом охладить воду электростанции мощностью 200— 300 тыс. кВт. Такая схема была осуществлена на одной из районных ГРЭС мощностью в 300 тыс. кВт с двумя прудами, образованными по этому способу.
Схема 4в с двумя прудами на реке и ее притоке.
В этом случае был использован существующий пруд, расположенный перпендикулярно реке по ложу ее притока. Размер пруда (площадь около 3 км2) позволял дать охлаждение ГРЭС мощностью порядка 500 тыс. кВт. Для возможности увеличения мощности до 1 000 тыс. кВт был использован приток реки, впадающей в пруд.
Для образования второго пруда сооружается на притоке в месте его впадения в пруд высокая земляная плотина, позволяющая образовать пруд площадью около 3 км2. Отметка этого пруда выше отметки первого на 13—15 м. В этот пруд вода подается особой третьей насосной, расположенной в конце первого пруда. Схема работы охлаждения воды такова: двумя насосными, каждая производительностью по 25 мЧсек, вода подается к конденсаторам турбин и затем в открытый отводящий канал, которым отводится к краю первого пруда. Половина всего количества воды сливается к первый пруд, там охлаждается и возвращается к насосным. Вторая же половина воды третьей насосной перекачивается во второй пруд и сливается в его конец для охлаждения, после чего через гидростанцию, работающую на разности отметок прудов, возвращается к насосным при ГРЭС. Такая схема работы прудов осуществляется только в теплое время года. В холодное же время охлаждает воду только нижний пруд. Поэтому лишняя трата энергии на подъем воды во второй пруд будет невелика, особенно имея в виду, что часть этой энергии возвращается гидростанцией, работающей на обратной воде (при этом возвращается примерно 50—60% энергии, затраченной на подъем воды во второй пруд).
Схемы № 5 и 6. Существующее озеро или пруд. В этом случае не требуется сооружения плотины. Озеро должно иметь такую площадь зеркала, чтобы оно могло дать охлаждение электростанции требуемой мощности. Глубина озера должна быть достаточной, чтобы она не сильно прогревалась. В некоторых случаях приходится повышать уровень озера, чтобы получить достаточную глубину (минимальная 2,5—3 м). Поскольку расходы воды в озере после сооружения ГРЭС существенно увеличиваются, в большинстве случаев приходится подыскивать дополнительный водный источник, из которого можно было бы пополнять убыль воды в озере. Таким источником может явиться река, протекающая вблизи (на расстоянии 2—6 км) от озера. Если сток реки в межень невелик, то может потребоваться сооружение на этой реке водохранилища, из которого вода либо самотеком, либо насосной будет перекачиваться в озеро (схема № 6). Все расчеты работы озера как пруда-охладителя должны быть выполнены при проектировании на нем электростанции, так же как и для пруда- охладителя на реке.
Схема № 7 (безнасосная). Эта схема предусматривает подвод воды из реки каналом к площадке ГРЭС на высоте, превышающей отметку площадки ГРЭС на 8—10 м, и подвод воды к конденсаторам без участия циркуляционных насосов. Такая схема возможна к осуществлению только при наличии определенных топографических условий (превышение отметок реки над отметками площадки ГРЭС). Путем небольшой русловой плотины вода забирается из реки и деривационным каналом длиной 2—4 км подводится к площадке ГРЭС.
Там, где река несет много взвешенных частиц (твердый сток), там перед деривационным каналом устраивается тот или иной отстойник. Выгоды такой схемы очевидны — здесь отсутствуют расходы на собственные нужды ГРЭС на подачу воды из реки к конденсаторам. По такой схеме уже работают две электростанции (в Грузии и Средней Азии) и строится электростанция большой мощности в Средней Азии.
Схема № 8. Эта схема предусматривает применение искусственных охладителей — брызгальных бассейнов или градирен: (башенных охладителей).
В тех случаях, где невозможно обеспечить охлаждение конденсаторов водой из реки прямотоком или устроить на реке пруд-охладитель, как более совершенные типы искусственного охладителя приходится устраивать другие типы охладителей — градирни или брызгальные бассейны. Они сооружаются для большинства заводских или городских теплоэлектроцентралей, а также для электростанций небольшой мощности там, где нет надежного водного источника. Для ТЭЦ применение градирни или брызгал оправдывается тем. что они в большинстве работают с отбором пара на производство и поэтому в конденсаторы попадает лишь часть пара, требуемого для обеспечения данной мощности на конденсационном режиме. Так, например, ТЭЦ при нефтеперегонных и химических заводах расходует в конденсатор только 40—50% того пара, который требовался бы для работы ТЭЦ на чисто конденсационном режиме. Поэтому вполне целесообразно применение градирен для таких ТЭЦ. Различие между градирнями и брызгалами заключается в том, что градирни дают несколько лучшее охлаждение воды, несколько меньший расход добавочной воды (примерно на 1 — 1,5%), они занимают в 2,5 раза меньшую площадь против брызгал. Однако стоимость сооружения брызгал примерно на 25—30% меньше против градирен. Напор циркуляционных насосов для тех и других примерно одинаков— 18—19 м. У брызгал есть еще неприятное свойство — разбрызгивание воды вокруг на значительное расстояние, что в зимний период создает обледенение дорог и даже зданий. Поэтому приходятся сильно увеличивать разрывы между бассейном и другими строениями на площадке ТЭЦ. Имеется большое количество типов градирен с пленочными или капельными охладительными устройствами (оросителями). Имеются градирни, начиная от площади охлаждении 300 м2 до крупных пленочных градирен в 800—1 000—1 200 и 1 600, а в последнее время даже 2 800 и 4 000 м2.
Величина кратности охлаждения для капельных градирен — 2,5— 3 лм3 на 1 м2/ч, на для пленочных — 5,5—6,5 м3 на 1 м2/ч. Для небольших электростанций применяются иногда также, так называемые, вентиляторные градирни; тяга осуществляется вентилятором. Эти градирни площадью охлаждения по 420 м2 могут устанавливаться в группе по нескольку штук (6—8). Производительность одной ячейки — до 3 000 Они особенно успешно применяются в районах с жарким и влажным климатом, где обычные градирни плохо работают из-за отсутствия тяги. Имеются градирни с металлическим каркасом и обшивкой из асбоцементных плит, есть также с деревянной обшивкой. Есть, наконец, градирни, имеющие гиперболическую железобетонную вытяжную трубу. Эти градирни площадью орошения в 1 520 м2 и производительностью до 10 000 м3/ч. Наконец, в связи с потребностью охлаждения больших масс воды крупных ТЭЦ, а также при недостатке воды в реке разработан проект градирни цилиндрической с железобетонной оболочкой, высотой более 70 м с площадью орошения в 2 800 м2. Такая градирня дает возможность охлаждать до 16—18 000 м/ч, т. е. обеспечить на конденсационном режиме турбину мощностью в 100 тыс. кВт. Для крупных электростанций запроектирована градирня с площадью орошения 4 000 м2. Высота ее 100 м, диаметр основания 77 м. Пропуск воды 27 000 м3/ч. Она обеспечивает работу турбины мощностью 200 тыс. кВт.
Стоимость градирни, отнесенная к 1 м3 охлажденной воды такова: для пленочной градирни площадью орошения 1 600 м.2— 185 руб. на 1 м3 охлажденной воды в час, то же для гиперболической железобетонной градирни—176 руб. на 1 м3 охлажденной воды в час, то же для пленочной градирни 800 м2 — 220 руб. на 1 м3 охлажденной воды в час, то же для пленочной градирни 500 м2— 275 руб. на 1 м3 охлажденной воды в час. То же для вентиляторной градирни площадью 420 м2 — 220 руб. на 1 м3 охлажденной воды в час. Брызгальные бассейны сооружаются по преимуществу для электростанций небольших мощностей или там, где они дополняют прямоточное охлаждение в периоды маловодья, т. е. в зимнее время. Стенки бассейна обычно земляные, с защитой внутренних частей бетонными плитами, тип сопла— эвольвентный, дающий лучшее разбрызгивание струи, а также уменьшающий требуемый напор. Удельный показатель брызгал: 1 м2 площади бассейна 1 м3 охлажденной воды в час, что требует больших площадей. Иногда брызгальный бассейн устраивается на пруде. Потери воды в градирнях и брызгальных бассейнах (на охлаждение, на унос и на так называемую «продувку» для поддержания в циркуляционной воде допустимой жесткости) невелики: для градирен— 4—4,5% и для брызгал — 5—6% от всего количества циркулирующей в них воды.
О типах и стоимости градирен и брызгальных бассейнов будет сказано особо.
Как видно из этих схем, в ряде случаев при наличии даже не очень крупных водных источников является возможным сооружать электростанции средней и даже большой мощности. Так, например, на Урале явилась возможность на небольшой сравнительно реке соорудить электростанцию в 1 млн. кВт или там же, тоже на небольшой реке, еще более мощную ГРЭС в 300 тыс. кВт. В районе Татарии на небольшой степной реке крупную ГРЭС в 600 тыс. кот с возможностью расширения ее до 1 200 тыс. кВт. В Донбассе обеспечить сооружение нескольких районных ГРЭС на мощность в 500—600 тыс. кВт. Даже на небольшой реке в районе Донбасса оказалось возможным сооружение крупной ГРЭС. В Сибири благодаря этим схемам сооружается несколько крупных ГРЭС либо на искусственных водохранилищах, либо на существующих озерах с подкачкой из ближайших рек. Даже в бедном водными источниками районе Казахстана оказалось возможным сооружение крупных ГРЭС и ТЭЦ мощностью в 75, 200 и 500 тыс. кВт. Это явилось возможным благодаря уточнению вопроса о работе прудов-охладителей, уточнению расчета этих прудов, а также более точному учету всех факторов (метеорологических, гидрологических, геологических), получаемых в процессе изыскательских работ.
Здесь необходимо также осветить значение одного вопроса, который имеет весьма большое значение для электростанций средней и большой мощности. Вопрос идет о высоте подкачки воды и рабочем напоре насосов конденсационного водоснабжения. В прежнее время этому вопросу не придавали должного значения. Так, например, на Кемеровской ГРЭС напор конденсационных насосов достигает 31 м. Для электростанций, расположенных на Северном Донце, 17—18 м. Однако такие напоры сильно увеличивают на электростанциях расход на собственные нужды. Так, например, расход энергии на каждый метр напора насосов водоснабжения для ГРЭС мощностью в 1 200 тыс. кВт составляет 650—700 кВт. За год это дает расход электроэнергии на собственные нужды в 4,5 млн. кВт - ч, на общую сумму в 270—300 тыс. руб., а по отпускной цене электроэнергии даже более 500 тыс. руб. Поэтому вполне естественным является стремление изыскателей и проектировщиков всемерно снижать напор циркуляционных насосов.
Каковы эти меры?
Первой мерой является подыскание площадки для ГРЭС, расположенной на небольшом возвышении в 2,5—4 м от максимального горизонта воды в источнике. К сожалению, этого возможно достигнуть только в тех случаях, когда на реке образуется искусственное водохранилище, максимальную отметку которого мы имеем возможность регулировать, или естественное озеро. В открытых реках мы должны считаться с высотой весеннего паводка.
Вторым средством снижения напора является возможность заглубления конденсационного помещения ниже отметки площадки ГРЭС. На двух уральских ГРЭС мы уже и раньше имели такое снижение уровня пола конденсационного помещения: на одной ГРЭС — на 8 м, а на другой — на 5 м. В последних проектировках имеется снижение пола конденсационного помещения на 6 м, что дало возможность ГРЭС, расположенной на одной из рек (не имеющей водохранилища), добиться снижения напора насосов до 7 м и сэкономить расход электроэнергии на собственные нужды в год несколько миллионов рублей.
Третьим средством снижения напора является подвод воды закрытым каналом непосредственно в здание электростанции и установка циркуляционных насосов на этом канале— это уменьшает напор насосов, так как экономит на потерях напора в напорных трубопроводах, обычно применяемых в случаях береговых насосных. По этой схеме уже сооружаются две районные ГРЭС, причем напор насосов снижен до 7 м. Здесь следует также отметить предложение института «Теплоэлектропроект» о водоснабжении мощной электростанции, скомпонованной по блочной схеме — вода подводится каналом к фронту машинного зала, где располагаются насосные. Каждая насосная подает воду на две турбины, без общих напорных трубопроводов. В такой компоновке насосных также существенно сокращается напор насосов, особенно если пол конденсационного помещения несколько углубить.
Наконец, четвертым средством снижения напора является уменьшение потерь напора в конденсаторе. Сейчас мы имеем в разных типах конденсаторов турбин потерю напора при нормальной работе от 2,7 до 5 м. Необходимо снизить эту потерю хотя на 1—1,5 м и этим существенно сократить расход энергии на собственные нужды. В тех случаях, когда электростанция сооружается на водохранилище, необходимо добиваться, чтобы сработка этого водохранилища не превышала 1—1,5 м. Задача изыскателей и проектировщиков добиваться максимального снижения напора насосов.
Выше была дана краткая характеристика водных источников в ряде республик Советского Союза.
Чем же определяется водность того или иного района? В основном она определяется метеорологическими факторами — количеством годовых осадков в данном районе. Показателем водности является так называемый модуль стока — количество литров воды, получаемое с каждого квадратного километра площади бассейна в одну секунду. Величина этого модуля зависит в основном от количества осадков в данном районе, свойств почвы и характера рельефа, а также от некоторых других факторов. Зная этот модуль, легко определить величину секундного и годового стока источника для среднего года. Этот сток будет равен величине модуля стока для данного места, умноженному на количество квадратных километров площади бассейна водного источника, умноженной на 31 536. Величина площади бассейна определяется по картам. Для большинства рек СССР она уже определена и имеется в книгах. В тех случаях, где ее нет, приходится проводить натурные съемки. Таким образом, мы получаем годовой сток среднего по водности года. Величина модуля стока по СССР весьма различна. Она постепенно уменьшается с северо-запада Советского Союза от величины 10—12 л/сек-км2 к юго-востоку, где в районе юго-востока Украины уменьшается до 1,5 и 1 л/сек-км2. В районах Средней Азии она уменьшается до долей литра (0,7—0,5). В районе Уральского хребта она повышается до 5—6 д. Наконец, в районах Западной Сибири она колеблется в пределах 2—3 л. Величина эта приведена на картах в книге инж. Е. И. Иогансона и В. Е. Иогансона «Основы гидрологии и гидрометрии», ГЭИ, 1947, Кроме стока среднего года, большое значение имеет знание стока засушливого и катастрофически засушливого года. Наконец для расчетов работы водохранилищ имеет значение величина максимального годового стока, а также величина максимального секундного расхода паводка. Величина стока засушливого и катастрофически засушливого года характеризуется стоком так называемого года 97% обеспеченности, т. е. стоком года повторяемостью (условно) через 33 года, а также стоком года 99% обеспеченности, т. е. повторяющегося раз в 100 лет. Величина минимального и катастрофически минимального стока в сравнении со стоком среднего по водности года не одинакова в разных районах СССР: для Севера РСФСР отклонение от среднего стока составляет всего 25—30%, для рек юга колебания доходят до 1:3 и даже 1 : 4 от среднего стока. Для районов Средней Азии эти колебания еще более значительны. Так, например, на одном водохранилище в Казахстане наблюдаемый годовой сток имел колебания от 4 млн. м2 до 250 млн. м3. Поэтому для этих районов водохранилища приходится рассчитывать на их многолетнюю работу с учетом резко меняющихся по водности лет.
Для проведения дальнейших расчетов работы водохранилищ или свободных водных источников необходимо еще знание распределения годового стока по месяцам. Это распределение будет различное для годов маловодных, многоводных и средних по стоку. Это распределение берется по аналогии с теми реками, расположенными поблизости, для которых оно было определено многолетними наблюдениями. Знание этих величин позволяет вычислить работу пруда- охладителя в разные периоды его работы. О расчете прудов, охладителей было уже сказано в разделе схем технического водоснабжения.
В конфигурации пруда-охладителя желательно иметь более вытянутую его форму, что обеспечит лучшее использование его площади для охлаждения. Весьма целесообразно, чтобы электростанция находилась примерно в середине пруда, чтобы можно было вывести каналы теплой воды в обе стороны, так как это уменьшить вдвое размер каналов и упростит их устройство и удешевит их стоимость. В большинстве случаев плотина, перегораживающая пойму реки, делается земляной (из суглинка), а сбросное устройство бетонное и железобетонное с металлическими затворами (плоскими или секторными щитами). Основная задача заключается в том, чтобы отыскать на реке створ небольшой ширины, а также имеющий надежные грунты, позволяющие просто соорудить бетонную часть плотины и не дающую большой фильтрации под тело плотины. Иногда, чтобы уменьшить фильтрацию, приходится вдоль плотины забивать металлический или железобетонный шпунт или делать цементацию грунта под плотину (цементационную завесу). Объем земляных работ по сооружению плотины колеблется в широких пределах в зависимости от длины и высоты плотины и измеряется в пределах от 250—300 тыс. до 800— 1 млн. м3 и более. Количество бетона и железобетона исчисляется в пределах от 15—20 до 35—40 тыс. м3. Количество металлоконструкций — от 5 до 12 тыс. т. Стоимость всех сооружений технического водоснабжения также весьма различна — от 60—80 руб. до 300—350 руб. на 1 кВт мощности ГРЭС. Эта стоимость зависит как от мощности ГРЭС, так и размеров затрат на сооружение главным образом плотины и отводящих каналов, так как сооружение насосных и напорных металлических трубопроводов имеет более стабильный характер, зависящий главным образом от мощности ГРЭС.
В тех случаях, где не имеется поверхностных водных источников или где они очень бедны, приходится прибегать к использованию подземных вод. Эти воды бывают четырех видов: а) почвенные, б) грунтовые, в) пластовые, г) глубинные. Почвенные и глубинные воды непригодны для использования, так как первые загрязнены и маломощны, а вторые находятся на большой глубине. На грунтовых водах отражается влияние современного климата. Они залегают в первом от поверхности водонепроницаемом слое, подвержены воздействию внешних климатических влияний и в значительной степени связаны в своем режиме с поверхностными водами. В северной Европейской части Советского Союза грунтовые воды отличаются большим обилием и часто залегают близко к поверхности. На юго-востоке Европейской части Советского Союза, на низменностях Северного Кавказа, Закавказья и Средней Азин грунтовые воды находятся на значительной глубине и их питание идет главным образом за счет конденсации водяных паров воздуха.
Мощность источников грунтовых вод уменьшается в направлении с северо-запада Советского Союза на юго-восток. Значение грунтовых вод для целей водоснабжения электростанций довольно ограничено. Известно, что Ашхабадская ГРЭС получает добавок воды для своей работы из обильных грунтовых вод, имеющихся в мощных галечниковых отложениях на территории ГРЭС. Наибольшее значение для целей водоснабжения могут иметь грунтовые воды в средней полосе Советского Союза и в Сибири. Обилие грунтовых вод в речных долинах дает возможность получения их для добавка при оборотной системе водоснабжения электростанций небольшой мощности в этих районах.
Артезианские (или пластовые) воды связаны с геологическим строением района. Область питания этих вод часто не совпадает с областью их распространения, так как условия их залегания определяются тектоникой и стратиграфией коренных пород. Некоторые водоносные горизонты приурочены к определенным бассейнам, залегая более глубоко в средней части и поднимаясь по окраинам их в области питания.
В пределах СССР имеется много артезианских бассейнов. Глубина залегания артезианских вод зависит от расположения водоносных горизонтов. Качество артезианских вод зависит от тех пород, через которые протекает вода. В большинстве случаев жесткость этих вод бывает значительная.
Артезианская вода в большом количестве случаев используется в качестве добавочной воды для оборотного водоснабжения с градирнями или брызгальными бассейнами — в тех случаях, где не имеется поверхностных источников или где забор этой воды представляет затруднения. Так, например, первая очередь Хабаровской ТЭЦ начала работать на добавочной воде из артезианских скважин ввиду большой сложности получения воды из р. Амура. Только позднее, при расширении ТЭЦ, она переходит на получение добавка яз р. Амура.
Из приведенных в настоящем разделе материалов об источниках водоснабжения, размеров потребности в воде для технического водоснабжения электростанции, приведенных в схемах технического водоснабжения, и данных о типах искусственных охладителей можно видеть, что вопросы водоснабжения электростанций занимают одно из первых мест как в деле подыскания площадок для строительства электростанций, так и особенно в их дальнейшей эксплуатации.
Отсюда естественным является тот вывод, что уже на стадии изысканий, а также на последующей стадии разработки проектного задания проектирующие организации должны выполнить целый комплекс изыскательских работ топографических, гидрологических, геологических и гидрологических, которые позволили бы дать твердый ответ о том, что на выбранной площадке при применении намеченной схемы водоснабжения можно построить электростанцию заданной мощности при условии сооружения определенного комплекса гидросооружений, с затратой определенных материальных и денежных ресурсов. О размерах необходимых для этого изыскательских работ будет сказано в другом разделе книги.
Стоимость брызгальных бассейнов невелика, она равна 140 руб/м3 бассейна при покрытии его бетонными плитами, 120 руб. при асфальтовом покрытии. Эти же стоимости будут на 1 м3 охлажденной воды в час.
Выбор между градирней и брызгальным бассейном зависит от ряда условий: наличия места на площадке электростанции (так как для брызгал требуется большая площадь, чем для градирни, и большее удаление от зданий, благодаря большому уносу водяных капель), условий продуваемости, что необходимо для охлаждения воды в брызгалах, наконец, наблюдающихся в районе ветров (там, где ветры очень сильные, брызгала будут расходовать слишком много воды из-за уноса ее ветром). Кроме того, имеют значение и грунты на площадке — при лессовидных грунтах лучше устраивать градирни, так как на большой площади брызгал более сложно обезопасить грунт под брызгалами от замачивания и просадок. Для электростанций малой мощности применяют иногда так называемые открытые градирни (без вытяжной башни), иногда брызгальные бассейны устраиваются на площади пруда-охладителя, т. е. без устройства огораживающих бассейн стенок. Это делается в тех случаях, когда площадь пруда оказывается недостаточной при расширении электростанции. Такой брызгальный бассейн стоит недорого и дает возможность обеспечить водой в летнее время, когда площади пруда оказывается недостаточно для новой мощности ГРЭС. Зимой же такие бассейны не работают. В практике строительства электростанций мы имеем два примера устройства таких брызгал: одного в системе Донбассэнерго на 100 тыс. кВт и другого в системе Мосэнерго на 200 тыс. кВт. Такая установка позволяет существенно увеличить мощность электростанций без больших затрат на сооружение дополнительного пруда-охладителя. Следует еще упомянуть об одной брызгальной установке.
На электростанции в системе Харьковэнерго, где такая установка сооружена в помощь прямоточной системе при расширении электростанции с работой лишь в те периоды, когда в реке не хватает воды для прямоточного охлаждения.
