|
Водохранилища-охладители
применяются для охлаждения воды тепловых и атомных электростанций при
невысоких требованиях к эффекту охлаждения воды, незначительном удалении от
водоемов, наличии малоценных свободных площадей для их устройства.
В качестве водохранилищ-охладителей используются русловые
и пойменные участки рек, перекрываемые плотинами; пойменные участки
водотоков, из которых создается искусственное водохранилище; водохранилища
комплексного назначения; водохранилища гидростанций; озера и моря.
Охлаждение нагретой воды происходит с поверхности
водохранилища, участвующей в циркуляции потока на его пути от места сброса до
водозаборных сооружений; за счет процессов тепло- и массообмена, а также за
счет поступления поверхностных и грунтовых вод.
Циркуляционный поток не охватывает всю площадь
водохранилища. Его конфигурация и площадь зависят от формы и глубины водоема,
взаимного расположения водовыпускных и водозаборных сооружений, наличия
сооружений, изменяющих его величину. Охлаждающая способность
водохранилища-охладителя зависит от следующих показателей:
площади, в границах которой происходит движение потока от
водовыпуска к водозабору, именуемая транзитным потоком;
числа и площади водоворотов, т. е. таких зон
водохранилища, в которых имеет место кругообразное движение жидкости,
обусловленное конфигурацией водоема и формой транзитного потока;
тепловой нагрузки, т. е. количества теплоты, поступающей в
охладитель с теплой водой;
метеорологических условий: скорости и направления ветра,
температуры и влажности воздуха, величины солнечной радиации и естественной
температуры воды в водохранилище (под естественной температурой
подразумевается температура {воды, которая устанавливается в неподогретом
водоеме под действием метеорологических и климатических факторов в районе его
расположения) .
Основным показателем является площадь активной зоны. Она рассматривается
как площадь некоторого условного водоема с параллельно-струйным нестратифици-
рованным (нерасслаивающимся) потоком, необходимая для охлаждения при
соответствующих метеорологических условиях. Активная зона водохранилища — это
сумма активной зоны транзитного потока и активной зоны водоворотов. Помимо
активной зоны существует тупиковая зона — часть водохранилища, в которой под
влиянием сил инерции и разности плотностей имеет место объемная циркуляция —
встречные течения поверхностного и данного слоев. Отношение площади активной
зоны к площади зеркала водохранилища (<1) называется коэффициентом
использования водохринилища-охладителя. Величина коэффициента зависит от
формы водоема, расположения водовыпуска и водозабора, а также условий растекания
циркуляционного потока.
Для определения площади активной зоны необходимо знать
площадь, которую занимает зона транзитного потока и водоворотов, т. е. иметь
план течений, который может быть получен теоретически или на основе
лабораторных исследований модели водохранилища.
Для простых схем циркуляции в водохранилищах небольшой
глубины с расположением водозабора и водовыпуска на значительном расстоянии
друг от друга в практике проектирования применяют приближенное теоретическое
построение плана течений. Метод построения планов течений разработан Н. М.
Вернадским.
При проектировании крупных охладителей с глубинами,
достигающими десятков метров и имеющих сложную конфигурацию, определение
плана течений представляет исключительно сложную задачу. Это объясняется существованием
в водохранилищах помимо градиентных дополнительных течений: дрейфовых и
компенсационных. Эти течения находятся во взаимной связи, но учесть их
взаимное влияние теоретически с достаточной точностью не представляется
возможным.
Дрейфовые течения возникают в водохранилище под действием
ветра. Они приводят к сгону воды с подветренной стороны водоема и к нагону к
наветренной стороне; при этом возникает горизонтальный градиент давления,
направленный в сторону, противоположную ветру.
Компенсационные течения в водохранилище возникают
вследствие вовлечения масс воды в общее движение, создаваемое циркуляционным
потоком и дрейфовыми течениями в условиях температурной стратификации.
Температурная стратификация обусловлена существованием
слоев воды с различной температурой и зависит от условий сброса и забора
воды, глубины водоема, а также и других причин.
Учет всех видов течений осуществляется гидротермическим
моделированием, которое позволяет создать на модели как гидравлические схемы
движения воды, так и картины распределения температур воды в плане и по
глубине.
Классификация водохранилищ-охладителей и схемы их
использования. По назначению водохранилища подразделяются на два типа:
водохранилища-охладители, используемые только для целей
охлаждения воды;
водохранилища-охладители, используемые комплексно, в целях
орошения, рыборазведения, транспортирования, отдыха и др.
Также существуют различия по размерам площадей: небольшие
— площадь не более 5 км2, средние — от 5 до 10 км2 и большие с площадью более
10 км2.
По глубинам водохранилища-охладители подразделяются на
мелководные с глубиной до 5 м, средние от 5 до 10 м и глубоководные свыше 10 м. В мелких водохранилищах отсутствует температурная стратификация,.за
исключением зон, непосредственно примыкающих к водовыпускным сооружениям;
около этих сооружений возникают плотностные течения вследствие эжектирующего
воздействия выходящих нагретых струй. Для глубоких водохранилищ характерна
устойчивая температурная стратификация потока в теплое время года;
целесообразно использование глубинного забора воды. При средних глубинах
температурное расслоение воды не столь устойчиво и может исчезать в периоды
продолжительных и сильных ветров.
Водохранилища могут быть проточными и непроточными. В
первом случае они имеют постоянный приток и сток воды, во втором — пополнение
водой осуществляется либо в паводок, либо путем подкачки из других водоемов.
Если отвод теплоты, полученной от предприятия, происходит со всей поверхности
водоема, то такое водохранилище считается нагруженным, в противном случае —
ненагруженным.
Возможны различные схемы использования
водохранилищ-охладителей.
Прямоточная схема — схема, в которой вода используется
однократно. Ее можно осуществлять на реках с минимальными расчетными
расходами, превышающими циркуляицонный расход не менее чем в 3—4 раза, или на
крупных ненагруженных водоемах.
В случае если производство базируется на реках или
проточных водоемах с минимальными расчетными расходами, превосходящими
циркуляционный расход менее чем в 3—4 раза, может быть использована смешанная
схема; тогда наблюдается рециркуляция теплой воды к водозаборным сооружениям,
которые забирают смесь воды естественного стока и рециркуляционного расхода.
Если в качестве водохранилища-охладителя использован
непроточный водоем, емкость которого достаточна и поддерживается на
необходимом уровне, применяется оборотная схема.
Комбинированная схема предусматривает применение в
качестве охладителя как водохринилища, так и других охладителей — градирен и
брызгальных устройств.
Организация водохранилищ-охладителей. При организации
водохранилищ-охладителей должна быть выбрана такая схема циркуляции, которая
обеспечивала бы получение воды наиболее низкой температуры при минимальных
затратах на строительство и эксплуатацию.
Схема циркуляции воды зависит от взаимного расположения
водоприемных и водовыпускных сооружений, а также сооружений, повышающих
коэффициент эффективности охладителя.
К сооружениям, повышающим площадь активной зоны
водохранилищ-охладителей, относятся струераспре- делительные и струенаправляющие
сооружения. Первые строят, как правило, у места выпуска теплой воды в
охладитель и предназначаются для расширения фронта растекания циркуляционного
потока; вторые — для удлинения пути циркуляционного потока.
Струераспределительные сооружения выполняются в виде
перегородок со щелью и водосливных сооружений, оборудованных шандорами для
регулирования распределения воды, а также напорных труб, открытых консольных
лотков и т. п. Получили распространение водовыпускные сооружения в виде
фильтрующих дамб из каменной наброски.
Наиболее рациональными являются струераспредели- тельные
сооружения с рассредоточенным спокойным выпуском нагретой воды на поверхность
зеркала водоема.
В ряде случаев в водохранилищах-охладителях, подлежащих
комплексному использованию, возникает необходимость ограничения зоны с
повышенными температурами из экологических соображений. Для этого
организуется сброс теплой воды в водоем в глубинные слои.
Непосредственное сопряжение отводящего канала с ложем
водохранилища применяется на мелких водохранилищах вытянутой формы, где
начальная ширина выходящего потока не имеет существенного значения.
К струенаправляющим сооружениям относятся дамбы из
каменной наброски, земляные дамбы с креплением камнем против размыва волнами.
Эти сооружения позволяют увеличить коэффициент использования площади зеркала
водохранилищ за счет удлинения пути циркуляционного потока.
Схема расположения водовыпускных и водозаборных сооружений
определяется многими факторами: формой водохранилища, соотношением его ширины
и длины; наличием тупиковых зон; организацией движения циркуляционной воды по
акватории водоема (круговое, поперечное, продольное); типом водохранилища,
озера и моря.
Выбор схемы циркуляции воды, а также типа сооружений,
улучшающих работу охладителя, производится с помощью моделирования и
построения плана течений, тепловых и технико-экономических расчетов.
Для водохранилищ вытянутой формы с незначительным стоком
реки ( VIII.3) водозаборные сооружения в летний период года располагаются в
нижней, наиболее глубокой части водоема. Выпуск теплой воды производится в
верхнюю чарть водохранилища. Для обогрева водозаборных сооружений в зимний
период с целью предотвращения забивки их шугой и снегом в них
предусматривается зимний водовыпуск, расположенный ближе от водозабора, чем
летний, что позволяет уменьшить путь циркуляционного потока и повысить
температуру в месте водозабора.
При больших расходах воды в реке ( VIII.4) в летний период
необходимо использовать в полной мере низкие температуры речной воды:
целесообразен забор воды из верхней части водохранилища и сброс теплой воды
как в верхний, так и нижний бьеф плотины, что дает возможность при больших
расходах воды в реке обеспечивать работу системы по прямоточной схеме. Подобная
схема возможна лишь при наличии глубин, обеспечивающих надежные условия
забора воды в верхней части водохранилища.
При круглой форме водохранилища ( VIII.5) для удлинения
пути циркуляционного потока и повышения коэффициента эффективности водоема за
местом выпуска теплой воды сооружается струенаправляющая дамба. В этом случае
водосбросные и водозаборные сооружения находятся вблизи или примыкают друг к
другу.
Формы искусственных водохранилищ (), образованных в дамбах
вне водотока, выбираются на основании лабораторных исследований исходя из
условия максимального использования всей поверхности охладителя.
В глубоких водохранилищах-охладителях при боль- шой
разности температур поверхностных глубинных слоев воды существует возможность
использования холодных глубинных слоев благодаря устройству глубинных
водозаборов. В этом случае обеспечивается тепловая эффективность работы
охладителя, уменьшается захват биологических загрязнений, рыбной молоди,
повышается надежность работы системы водоснабжения при шуговых явлениях,
исключаются меры по обогреву водозаборов. Перемешивание воды обеспечивает
поддержание солевого состава воды в водоеме.
Решение об устройстве глубинных водозаборов принимается на
основе данных наблюдений за распределением температуры воды по глубине в
различные сезоны года при различных скоростях и направлениях ветра.
Основной особенностью водохранилищ-охладителей,
базирующихся на водохранилищах ГЭС, крупных озерах и морях, является то, что
площадь их акватории заведомо достаточна для охлаждения циркуляционного
расхода воды. При использовании водоемов, обеспечивающих забор воды с
минимальной температурой, охладительную способность всего водоема не
определяют.
Расчет водохранилищ-охладителей. При проектировании систем
технического водоснабжения с водохранилищами-охладителями должен проводиться
тепловой расчет последних; в результате расчета устанавливается соответствие
охлаждающей способности водоема той тепловой нагрузке, которая обусловливает
работу промышленного объекта.
При проектировании решают следующие задачи:
определение необходимой площади водохранилища- охладителя,
соответствующей заданной мощности предприятия;
определение предельной мощности промышленного предприятия
в соответствии с тепловой и гидравлической нагрузками, которые могут быть
обеспечены имеющимся водохранилищем;
определение температуры охлаждающей воды у водозабора при
заданных размерах, форме водохранилища и заданной тепловой и гидравлической
нагрузках.
Эти задачи на стадии технико-экономического обоснования и
предварительной оценки охлаждающей спо-
собности водохранилищ для жаркого периода и
установившегося режима решают приближенно. Более точная оценка температурного
режима в системе, учитывающая теплоаккумулирующую способность водохранилища,
возможна при учете материалов лабораторных и натурных исследований,
проводимых по методикам, разработанными ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева,
Атомтеплоэлектро- проектом и другими институтами.
Эксплуатация водохранилищ-охладителей. В процессе работы
водохранилищ-охладителей могут происходить изменения теплового режима,
вызванные как условиями эксплуатации, так и изменением мощности промышленного
предприятия.
В водохранилищах может охлаждаться как чистая отработанная
вода, так и загрязненная нагретая сточная, т. е. водохранилище служит
одновременно охладителем и осветлителем оборотной воды от механических
примесей; при этом осадки из воды образуются преимущественно у места впуска
ее в охладитель и распределяются по площади неравномерно. В результате
площадь активной зоны и глубина потока воды резко уменьшаются, и водоемы не
могут обеспечить необходимого охлаждения воды.
В процессе эксплуатации необходимо периодически проводить
натурные съемки фактического транзитного потока воды и водоворотных областей,
которые позволяют наметить мероприятия по восстановлению и повышению
охлаждающей способности охладителя.
Улучшения охлаждения воды можно добиться очисткой водоема
от заиления и зарастания, а также расширением транзитного потока за счет
упразднения водоворотных и тупиковых областей, применяя различные способы
регулирования потока.
Высшую водную растительность возможно уничтожить тремя
способами: механическим, биологическим и химическим.
Механический способ представляет собой скашивание
растительности в подводной части с помощью плавающих подводных косилок или
металлических тросов, буксируемых катерами; атем она удаляется на берег.
Биологический способ предусматривает использование
растительноядных рыб — белый амур, белый и пестрый толстолобик и др.; кх
выпускают в водохранилище в количестве 50—100 рыб на 1 га зеркала водной поверхности. Кроме уничтожения растительности в водохранилище получают ценную
рыбопродукцию.
Химический метод уничтожения водных растений заключается в
применении гербицидов и их смесей, которые вводят в оборотную воду на выпуске
ее в водохранилище или распределяют только в местах образования зарослей.
Наиболее дешевым способом является механический, а
наиболее дорогим — химический.
Очистку прудов от заиления осуществляют при помощи
землесосного снаряда или сочетания грязечерпалки с землесосным снарядом.
К расширению транзитного потока прибегают в случаях, когда
перечисленные ранее меры оказались недостаточными для повышения охлаждающей
способности водохранилища. Для этих целей устраивают струерас- пределительные
и струенаправляющие сооружения. Расширения транзитного потока можно добиться
также изменением контура береговой линии. Для устранения во- доворотных зон,
возникающих в заливах и уменьшающих охлаждающую способность водоема, следует
отделить часть залива плавучей решетчатой запрудой. Ось запруды должна
проходить через центр водоворотной зоны, устанавливаемой по плану течений.
Для улучшения охлаждения оборотной воды в некоторых
случаях над водохранилищем-охладителем устраиваются брызгала.
К мерам борьбы против зарастания и заиления следует также
отнести:
подготовку ложа водохранилища очисткой его от
растительности, предметов и строений, гниение которых создает среду для
развития растительности и планктона;
укрепление берегов мощением и высадкой быстрорастущих
кустарников с целью избежать размыва берегов;
устройство отстойников, препятствующих попаданию в водоем
водной растительности, наносов из впадающих в него рек, шлака из системы
золоудаления и т. п.;
запрещение сброса в водохранилище промышленных и
хозяйственно-бытовых сточных вод, способствующих быстрому развитию планктона
и растительности;
устройство донных водовыпусков в плотинах для сброса
нижних слоев воды с большим содержанием органических примесей.
В период работы водохранилища-охладителя в нем должен
содержаться запас воды, достаточный для нормальной работы системы
водоснабжения.
При сработке уровня воды не должно происходить
недопустимого уменьшения поверхности охлаждения. В том случае, если приток
воды недостаточен для восполнения израсходованной воды для целей
водоснабжения, то выше охладителя возможно устройство дополнительного
водохранилища специально для этих целей. Если наблюдаются значительные потери
на фильтрацию через створ плотины и утечки через затворы в ее теле, то можно
организовать перекачку этих потерь обратно в водохранилище. Возможна также
подкачка воды из другого источника, расположенного поблизости.
|
