Методика построения нормативных характеристик башенных градирен испарительного типа по результатам натурных измерений

Публикация из СМИ

На тепловых электростанциях с оборотными системами технического водоснабжения в качестве основных гидроохладителей применяются градирни испарительного типа. Как правило, это градирни с естественной тягой башенного типа.

Градирни, как сооружения в процессе эксплуатации подвергаются большому количеству воздействий ухудшающих их эксплуатационные показатели. Выполняемыми ремонтами и реконструкциями в них часто вносятся изменения существенным образом оказывающих влияние на их функциональные показатели. При этом практически отсутствуют критерии оценки влияния выполненных ремонтов, реконструкций или других изменившихся условий. Часто для оценки полученных результатов используют расчетные характеристики, не относящиеся к рассматриваемому типу градирни и ее конструктивному исполнению. В этой связи важная роль отводится нормативным характеристикам и их достоверности. В максимальной степени этим условиям отвечают характеристики, построенные по результатам натурных испытаний./1/

Построение нормативных характеристик производится на основании результатов балансовых испытаний градирен по методике /2/, в которой приведен весь перечень измеряемых параметров. Балансовыми испытаниями определяются параметры и их соотношения формирующих процессы тепло-массообмена и охлаждения, и их динамику в зависимости от изменения внешних воздействующих условий. Методика построения нормативных характеристик разработана на основании многолетних результатов испытаний башенных градирен различных типов. Балансовые испытания выполнены и рассчитаны в соответствии с теорией испарительного охлаждения /3,4/. Нормативные характеристики представляются в виде графической зависимости температуры охлажденной воды от изменения тепловой нагрузки градирни и температуры воздуха по мокрому термометру. Тепловая нагрузка градирни на графике отображается в виде линий удельной тепловой нагрузки , т.е. тепловой нагрузки отнесенной к м2 площади орошения градирни. Где - плотность воды, равная 1000 кг\м3 ; св- удельная теплоемкость воды, равная 1 ккал/(кг.0С)

Температура мокрого термометра представляет на графике линию теоретического предела охлаждения, что позволяет оценивать возможности градирни по приближению температуры охлажденной воды к теоретически возможной глубины ее достижения.

В основу расчета и построения нормативных характеристик градирен по натурным данным положен принцип использования подобных критериальных зависимостей.

Для того, чтобы определить относительные величины и получить приемлемые зависимости обработан большой объем опытных данных по балансовым испытаниям различных градирен с различным конструктивным исполнением. Обработка результатов выполнена в широком диапазоне метеорологических параметров, тепловых и гидравлических нагрузок испытанных градирен. В результате получены графические зависимости, имеющие общий характер для всех башенных градирен.

По разработанному методу обобщения относительных безразмерных величин получена математическая модель расчета нормативных характеристик, содержащая определенные константы. Константы получены для испытанных в натурных условиях градирен площадью орошения от 1200 до 4200 м2 с тепло-массообменными устройствами (оросители) различной конструкции.

Из /3,4/ известно, что общий процесс теплопереноса сопровождается изменением энтальпий /теплосодержаний/ воздуха на границе и в ядре потока по пути его движения в тепло-массообменного градирни /например, по его высоте при противотоке/. Причем, для постоянного барометрического давления энтальпия воздуха является функцией одного переменного аргумента, поскольку имеет однозначную зависимость от температуры адиабатического испарения воды /мокрого термометра/.

Анализом уравнений теплоотдачи и массоотдачи установлена определенная зависимость относительных безразмерных разностей энтальпий от подобных разностей температур. Независимо от гидродинамических условий процесса для любой градирни существует общая линейная функция между безразмерными инвариантами подобия

formyla1.jpg (1)

Аналогичная функция для других инвариантов подобия имеет вид

formyla2.jpg(2)

Где: 0,2; 0,83; 0,27 и 0,723- константы преобразования, независящие от конструкции и размера градирни, а также от гидродинамических переменных величин;

• температура по мокрому термометру входящего воздуха, 0С;
• температура по мокрому термометру выходящего воздуха, 0С;
• энтальпия воздуха входящего в градирню, ккал/кг;
• энтальпия воздуха входящего в градирню, ккал/кг
• граничная энтальпия воздуха при температуре воды, поступающей в градирню, ккал/кг;
• граничная энтальпия воздуха при температуре воды,выходящей из градирни, ккал/кг;

Наличие указанных линейных зависимостей подтверждается исследованиями, проведенными в натурных условиях на действующих градирнях, в широком диапазоне изменения расходов воды и воздуха. При выводе основного уравнения для графического построения характеристики главная задача состоит в том, чтобы выразить неизвестные разности энтальпий воздуха formyla3.jpg и разности температур воздуха по мокрому термометру formyla4.jpg через искомые и заданные величины.

В правой части функций (1,2) разность краевых энтальпий определяется из уравнения теплового баланса градирни/3/

formyla5.jpg (3)

где:

• перепад температур воды, ºС;
• относительный расход воздуха, кг/кг воды;
• теплоемкость воды, ккал/кг ºС;
• коэффициент уравнения, равный в среднем 0,96.

Относительный расход воды является критерием динамики двухфазного потока /вода-воздух/. Для башенных градирен его величина определяется по уравнению Л.Д. Бермана /3/.

formyla6.jpg (4)

Где:

• плотность орошения, м3/м2час;
• удельные веса воздуха входящего в градирню, кг/м3;
• удельные веса воздуха: выходящего из градирни, кг/м3
• общий коэффициент сопротивления градирни;
• отношение площади живого сечения тепло-массообменного устройства к площади орошения градирни. Площадь живого сечения представляет площадь орошения не занятую элементами тепло-массообменного устройства и принята равной 1, так как скорость воздуха определяется относительно полной площади орошения градирни.
• действующая с точки зрения тяги высота вытяжной башни градирни, м. Она находится согласно формуле где:

• высота башни над тепло-массообменным устройством
• высота тепло-массообменного устройства, м

По опытным данным испытаний различных градирен установлено, что существует зависимость следующего вида

formyla7.jpg (5)

Где: - параметр начальной влажности воздуха равный, где - влажность воздуха в относительных единицах;

β=34 х 10-6 ºС-1. -постоянная величина получена графическим решением (5) и имеющая размерность коэффициента объемного расширения ºС-1;

- разность конечной и начальной температур воздуха по мокрому термометру ( )ºС.

В результате обработки результатов натурных испытаний и ряда последующих совместных математических преобразований формул (1)-(5) получено конечное выражение зависимости (6), которая позволяет строить нормативные характеристики графического вида для любой башенной градирни.

В конечном виде нормативная характеристика охлаждения воды в градирне выражается аналитической зависимостью теоретического предела охлаждения-температуры мокрого термометра атмосферного воздуха

formyla9.jpg (6)

где formyla10.jpg

Коэффициенты и находятся индивидуально по результатам балансовых испытаний каждой конкретной градирни путем графического построения функции, из которой находится коэффициент, как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс. Значения коэффициента зависят от конструкции тепло-массообменного устройства и размеров градирни. По коэффициенту определяются коэффициенты: formyla11.jpg

Пример построения нормативной характеристики с применением выражения (6).

По балансовым испытаниям гиперболической башенной градирни площадью 1600 м2 с тепло-массообменным устройством (ТМУ) из перфорированных модулей (ПМ) из пластмассы на основе полимеров «насадка ИК-100» высотой 1,2 м получилась прямая зависимости formyla12.jpg

По среднему барометрическому давлению атмосферного воздуха площадки расположения градирни определяется постоянная С по формуле

Например: для г. Липецка = 745 мм.рт.ст.=1,01 кг/см2.

Из балансовых испытаний рассматриваемой градирни средний коэффициент аэродинамического сопротивления =73,7 при средней скорости ветра 3,46 м/сек, =50,7 м. Определяем соотношение и коэффициент.

Полученные значения подставляются в формулу (6), которая приобретает вид зависимости конкретной градирни.

Для рассматриваемой градирни формула (6) принимает вид 

formyla14.jpg (7) 

Для построения основного графика задается постоянная величина перепада температур воды =10ºС и постоянная относительная влажность воздуха подсчитывается обратная величина параметра влажности воздуха Для обратная величина равна 1,58. Подставив величин =10 ºС и =1,58 в (3) выражение примет вид 

formyla16.jpg

Вынеся за скобку постоянную при , в данном случае 1,075, уравнение принимает окончательный расчетный вид 

По зависимости (5) производится построение линий тепловых нагрузок основного графика для произвольно выбранных значений тепловой нагрузки, например, для 30, 50, 70, 90, 110 и 130 или при соответствующем пересчете , или Мдж/м2ч.

Для каждого значения тепловой нагрузки уравнение (9) сначала решается относительно при различных значениях . Значения выбираются в диапазоне от 10 до 70ºС с интервалом 10ºС.

По найденным значениям определяется соответствующая температура охлажденной воды.

По полученным данным производится построение линий основного графика для значений удельной тепловой нагрузки градирни: 30, 50, 70, 90, 110 и 130. Для построения поправочного графика на влажность воздуха расчет повторяется по формуле (5) для произвольно заданных параметров относительной влажности воздуха, где -влажность воздуха задается произвольно в относительных единицах, например, 0,20; 0,40; 0,60; 0,80 и 1,0.

Вычисляются разности рассчитанных температур охлажденной воды по формуле (6) для различной и найденных температур по основному графику при По этим разностям выполняется построение поправочного графика на влажность воздуха.

Построенные графики: основной и поправочные на и сверяются с опытными данными испытаниями градирни, для которой они рассчитывались.

По разности между температурами охлажденной воды, полученными в результате балансовых испытаний и полученными по построенному основному графику с поправками на и уточняется поправочный график на влияние ветра. Вид построенной нормативной характеристики показан на рисунке 1.

На основном графике (А) характеристики показана основная зависимость температуры охлажденной воды от температуры наружного воздуха по мокрому термометру и удельной тепловой нагрузки градирни. Данный вид характеристики удобен не только для нормирования градирни, но и оценки ее конструктивной эффективности по приближению к теоретическому пределу охлаждения. Это основная зависимость, обозначена буквой и построена для постоянных значений:

• температурного перепада =10 ºС;
• относительной влажности воздуха;
• скорости ветра 1,6 м/с.

К основному графику даны графики поправок:

• на температурный перепад;
• на влажность воздуха;
• на скорость ветра.

Определение температур охлажденной воды по характеристике производится в следующей последовательности:

а) По основному графику в зависимости от площади градирни и конструкции тепло-массообменного устройства определяется температура охлажденной воды для заданной температуры воздуха по мокрому термометру и заданных значений удельной тепловой нагрузки градирни.

• По графику определяется поправка для заданного температурного перепада , т.к. основной график построен для ºС.
• На графике определяется поправка на влажность воздуха.
• По графику определяется поправка на скорость ветра.
• Найденные значения поправок суммируются со своим знаком с температурой охлажденной воды, найденной по основному графику. Значение расчетной температуры охлажденной воды составляет, ºС

Оценка эффективности конструктивного исполнения градирни производится относительно теоретического предела охлаждения . Чем эффективнее конструкции, тем меньше разница между и . Оценка качества работы градирни с применением рассматриваемых характеристик производится путем сравнения фактических значений и . В случае отклонения от расчетного значения больше, чем на 0,50С, необходимо выполнить осмотр градирни, с целью определения причин вызвавших ухудшение качества ее работы.

Предлагаемый метод построения нормативных характеристик башенных градирен испарительного типа существенно отличается от общепринятого /3/. Первый получен по результатам натурных испытаний башенных градирен широкого диапазона площади орошения, и с современным конструктивным исполнением, второй получен расчетным путем. При этом, общепринятый метод более громоздкий, по сравнению с предлагаемым, заключается в решении системы четырех уравнений и требует построения большого количества вспомогательных графиков. В нем также не учитывается влияние скорости атмосферного воздуха на охлаждающую эффективность градирни, охлаждение воды в факеле разбрызгивания и в пространстве под основанием тепло массообменного устройства. Предлагаемый метод построения нормативных характеристик удобен при нормировании находящихся в эксплуатации градирен, общепринятый метод удобен при проектировании градирен, но для этого необходимо знание параметров современных ТМУ, что не всегда выполнимо. Перечень принципиальных отличий достаточно широк, что ни в коей мере не умоляет достоинства метода приведенного в /3/.

Представленный вид нормативной характеристики также отличается от расчетных характеристик содержащихся в различных литературных источниках, например в /3/. Отличительной особенностью является большая приближенность характеристики к конкретной градирне, ее конструктивному исполнению и состоянию. Температура охлажденной воды по графику определяется относительно изменения удельной тепловой нагрузки, а не как это принято относительно разности температур охлаждающей воды. В сравнении с расчетными характеристиками типовых проектов, основанных на решении системы дифференциальных уравнений, новый метод построения и вид характеристики более объективно отражают влияние на охлаждающую способность градирен всех факторов, имеющих место на площадке их расположения, включая влияние скорости и направления атмосферного ветра, изменения относительной влажности атмосферного воздуха, перепада температур и охлаждения воды.

Новый вид характеристики позволяет быстро и качественно определять:

• тепловую мощность градирни в зависимости от изменения режима работы оборудования и метеорологических параметров;
• соответствие тепловой мощности градирни тепловым нагрузкам конденсаторов паровых турбин или других теплообменных аппаратов;
• количество теплового загрязнения атмосферы в зависимости от изменения режима работы оборудования и метеорологических параметров;
• степень конструктивного совершенства градирни путем сопоставления температуры охлажденной воды с теоретическим пределом охлаждения -температурой мокрого термометра.

Список литературы:

1. Методика проведения натурных гидротермических и аэродинамических испытаний градирен испарительного типа , СО 34.22.303-2005, М., ЦПТИиТО ОРГРЭС.

2. Методика построения нормативных характеристик градирен испарительного типа, СО 34.22.302-2005, М, ЦПТИиТО ОРГРЭС.

3. Берман Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды. М.:Госэнергоиздат,1957.

4. В.А.Гладков, Ю.И. Арефьев, В.С. Пономаренко «Вентиляторные градирни», М.,Стройиздат,1976.