CC BY
59
УДК 66.021.3/4
О МОДЕРНИЗАЦИИ ГРАДИРЕН СК-1200
В.Л. ФЕДЯЕВ*, Б.А. СНИГЕРЕВ*, И.В. МОРЕНКО*, Р.Ф. ГАЙНУЛЛИН**, Р.Ф. ГАЙНУЛЛИНА**
* Институт механики и машиностроения КазНЦ РАН
** Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Рассматриваются вопросы модернизации отдельно стоящих вентиляторных градирен СК-1200. Выделяются два основных направления, в каждом из них предлагается по несколько вариантов модернизации, включая случаи, когда исходная градирня реконструируется в башенную. Для большинства вариантов модернизации выполнены расчеты теплотехнических характеристик градирен, проведено сравнение полученных результатов, названы достоинства и недостатки представленных вариантов.
Ключевые слова: модернизация градирен СК-1200; расчет технологических характеристик; сравнение результатов.
Введение
Вентиляторные градирни СК-1200 с площадью орошения 1200 м2 были разработаны Институтами Гипрокаучук и Госхимпроект для предприятий химии и нефтехимии около 40 лет назад. По настоящее время эти градирни - одни из самых больших отдельно стоящих вентиляторных градирен. Вариант конструкции градирен СК-1200 с полочным отстойником приводится в [1]. Другой вариант с деревянным оросителем, каплеуловителем, лотковой системой
Здесь: 1 - металлический корпус (конфузор-диффузор); 2 -шахта; 3 - бетонное кольцо; 4 -опоры; 5 - трубы для подвода охлаждаемой воды; 6 - бассейн, 7 -ороситель; 8 -
водораспределительные лотки; 9 -каплеуловитель; 10 - вентилятор (лопасти и ступица). Характерные размеры градирни следующие: высота 38,2 м, диаметр в основании 38,8 м; высота окон 4,7 м, бетонного кольца 5,5 м; диаметр горловины 18,1 либо 20,1 м. Высота шахты 22,0 м, ее диаметр 4,0 м. Каплеуловитель и ороситель собраны из деревянных реек, средняя толщина оросителя 5 м.
Вода в лотки подается из емкости, расположенной вокруг шахты. Протекая по ним через отверстия, вода в виде струек падает на тарелочки, дробится, попадает на ороситель. Снизу в ороситель поступает атмосферный воздух. Схематично противоток воды и воздуха в градирне с деревянным оросителем изображен на рис. 2, а (1 - лотки, 2 - ороситель). Штатная производительность по воздуху для таких градирен 2800 кг/с, по воде - 2500^2800 кг/с. В летнее время
© В.Л. Федяев, Б.А. Снигерев, И.В. Моренко, Р. Ф. Гайнуллин, Р. Ф. Гайнуллина Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
водораспределения показан на рис. 1.
Ь
Рис. 1. Градирня СК-1200
года средняя температура воды на входе в градирню около 35°С, на выходе должна быть порядка 25°С.
с) <1)
Рис. 2. Градирня СК-1200: а) с деревянным оросителем (противоток воды и воздуха); Ь) с пластиковым оросителем, каплеуловителем (первый вариант модернизации); с) с брызгальной (эжекционной) системой охлаждения воды (второй вариант); ф с двумя кольцевыми коллекторами,
решетчатым оросителем (третий вариант)
Многолетняя эксплуатация градирен СК-1200 показала следующее. Деревянные конструкции градирен изнашиваются, местами рушатся. Куски древесины попадают в сети системы водоснабжения, теплообменное оборудование, подчас забивая его. Наибольший износ деталей металлического корпуса (конфузора-диффузора) наблюдается в области горловины и местах примыкания к железобетонному кольцу; из железобетонных конструкций более всего изнашиваются стойки-опоры, поскольку находятся в исключительно неблагоприятных условиях.
Рассматриваемые градирни оснащены вентиляторным оборудованием фирмы «Бальке» (Германия), состоящем из электродвигателя мощностью 800 кВт, гидромуфты, редуктора, вертикального вала вентилятора, крыльчатки с 4-мя лопастями. В силу грамоздкости этого оборудования имеют место проблемы при эксплуатации вентустановок, профилактическом обслуживании их, выполнении ремонтных работ.
В соответствии со сказанным, остро стоят вопросы модернизации данных градирен с целью продления ресурса, повышения эффективности работы, улучшения условий обслуживания, снижения эксплуатационных затрат. Можно выделить два основных направления модернизации:
- полная замена технологического оборудования (системы водораспределения, оросителя, каплеуловителя) на современное, большей частью
пластиковое; при этом корпус, вентиляторная установка ремонтируются, частично заменяются;
- демонтаж (полный или частичный) корпуса, вентиляторной установки, изменение типа градирни, использование современного технологического оборудования.
Варианты модернизации
Модернизация градирен в рамках первого направления, когда корпус, вентиляторная установка остаются прежними, лишь ремонтируются, может проводиться по следующим вариантам. Первый состоит в том, что безнапорная лотковая система заменяется на напорную из стальных или полиэтиленовых (пластиковых) труб с разбрызгивающими соплами; вместо деревянных оросителей и каплеуловителей устанавливаются пластиковые (рис. 2, Ь). При реализации этого варианта, поскольку площадь сечения градирни большая, потоки воздуха в нем неравномерны, повышаются требования к устройству водораспредельной системы и оросителя. Если водораспредельная система остается радиально-окружной, то для обеспечения равномерного орошения радиальные магистральные трубы должны быть переменного диаметра, количество сопел, приходящихся на единицу площади, при удалении от центра градирни к периферии следует увеличить. Возможен другой вариант устройства водораспределительной системы, когда вода вначале подается в один или два кольцевых коллектора, из них по стоякам поднимается, затем растекается по взаимно перпендикулярным трубам раздающего коллектора. Что касается оросителя, он может собираться из блоков с разным аэродинамическим сопротивлением, причем блоки с большим сопротивлением размещаются на периферии, вблизи воздуховходных окон; либо из блоков с одинаковым сопротивлением, но таким образом, чтобы толщина оросителя на периферии была бы больше, чем в центральной части градирни.
При модернизации градирен согласно второму варианту (рис. 2, с) ороситель не устанавливается, вдоль кромки бассейна размещается кольцевой коллектор с трубами «гребенки», из которых через специальные цельнофакельные форсунки охлаждаемая вода подается во внутрь градирен.
Каждый из этих вариантов, обладая определенными преимуществами, не лишен недостатков. В частности, пластиковые оросители требуют больших затрат материалов, зачастую дорогостоящих, создают значительное аэродинамическое сопротивление, реальна опасность образования на их поверхностях трудноудалимых отложений. В брызгальных (эжекционных) градирнях (рис. 2, с) неэффективно используется рабочее пространство, его центральная часть; недостаточен тепломассообмен, что приводит к снижению перепада температур воды по сравнению с оросительными градирнями, особенно при малых гидравлических нагрузках; имеют место большие потери воды из-за капельного уноса.
Альтернативным этим двум вариантам модернизации является третий (рис. 2, ф), согласно которому взамен одного располагаются два кольцевых коллектора разного диаметра на разных уровнях с «гребенками», тем самым обеспечивается равномерное заполнение рабочего пространства градирни каплями воды. Для того, чтобы поступающий в центральную часть градирни атмосферный воздух не нагревался и не увлажнялся, вода, разбрызгиваемая расположенными вблизи воздуховходных окон форсунками, собирается в кольцевой поддон и в виде струй сливается в бассейн. Для интенсификации процессов тепломассообмена над поддоном могут размещаться сильно разряженные (решетчатые) оросительные устройства.
Как отмечается в работе [2], из результатов замеров, проведенных на рассматриваемых градирнях, следует, что эффективность градирен, определяемая как отношение температурного перепада воды к разнице температуры воды на входе и температуры атмосферного воздуха по мокрому термометру, в случае модернизации по третьему варианту на 8% выше эффективности градирен, модернизированных по первому варианту с использованием трубчатых полиэтиленовых оросителей. В свою очередь, эффективность этих градирен на 18% больше эффективности брызгальных (эжекционных) градирен (второй вариант).
В случае, когда демонтируются корпус (либо часть его), вентиляторная установка (второе направление модернизации) выделяются также три варианта.
Согласно первому варианту, градирня модернизируется в башенную. С учетом того, что при площади орошения менее 2100 м2 и высоте градирни меньше 50 м наиболее приемлемой является конусообразная либо близкая к ней форма башни, желательно использовать в качестве дополнительной центральной опоры шахту, предлагаются градирни, корпуса которых схематично показаны на рис. 3 а, Ь. Общим для них является то, что надстроенная часть корпуса с помощью специальной конструкции опирается на шахту. Устройство систем водораспределения, другого технологического оборудования может быть разным.
Так, если в градирне (рис. 3, а) устанавливается трубчатый ороситель толщиной 1,4 м, то, как показывают расчеты, выполненные с использованием математических моделей [2], в теплое время года (температура атмосферного воздуха по сухому термометру О =20,0°С, относительная влажность ф =0,6) при
расходе воды О =2500,0 кг/с, температуре воды на входе 11 =40,0°С температурный перепад равен А/ = / 1 - /2=4,6°С (¿2 - температура охлажденной воды на выходе из градирни).
а) Ь)
Рис. 3. Корпус башенной градирни: а) из цилиндрической и трех конических частей 1, 2, 3 с внутренней опорной конструкцией 4; Ь) из цилиндрической и двух конических частей 1, 2 с рамной
опорной конструкцией 3
Этот температурный перепад воды приблизительно в 2 раза меньше перепада, получаемого в исходной градирне при работе ее в аналогичных условиях, но в вентиляторном режиме. При более же холодной погоде, зимой, в осенне-весенний период охлаждение воды в предлагаемой башенной градирне будет вполне удовлетворительным. Важно также, что согласно расчетам, исходная градирня СК-1200, работая в башенном режиме, охлаждает воду приблизительно на 20% хуже, чем модернизированная таким образом в башенную.
Во втором случае (рис. 3, Ь), когда в градирне устанавливается система, схематично показанная на рис. 2, й (без решеток), расчеты проводились как для © Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
теплого времени года (в =20,0°С, ф =0,5), так и для холодного ($ =0,0°С, ф =0,6) при прежнем расходе воды, температуре ее на входе равной 35,0°С и 28,0°С. Показано, что при ¿1 =35,0°С в теплое, холодное время года температурный перепад воды Д =6,8°С и 9,4°С соответственно; при ¿1 =28,0°С перепад Д =2,6°С, 7,4°С. Изменение формы корпуса градирни обеспечивает прирост Д при охлаждении «горячей» воды (* 1 =35,0°С) на 15%, «холодной» воды (¿1 =28,0°С) на 23%, т.е. в среднем на 19%. Если, в соответствии с производственной необходимостью, требуется получить на выходе воду с температурой ¿2 =25,0°С, то, как следует из приведенных результатов, в теплое время года охладить «горячую» воду до этой температуры нельзя. Однако в остальных случаях, в принципе, возможно. Тем не менее, и в теплое время года можно приблизиться к данной температуре, в частности, за счет уменьшения расхода воды (ориентировочно, на 30-40%), увеличения высоты башни, размещения решетчатых оросителей над кольцевым поддоном (рис. 2, .
Второй вариант модернизации предполагает, что корпус, шахта исходной градирни полностью демонтируется, а над оставшимся бассейном располагается несколько вентиляторных градирен, например четыре, с площадью орошения каждая 140,0^190,0 м2. При этом общая площадь орошения будет 560,0^760,0 м2. Следует заметить, что данный вариант обладает серьезными недостатками, состоящими в том, что, во-первых, влечет за собой исключительно большой объем работ по демонтажу корпуса и шахты; во-вторых, почти вдвое уменьшается площадь орошения, а значит и производительность составной градирни; в-третьих, высота градирен с площадью орошения 140,0^190,0 м2 около 15,0 м, вследствие чего пар, капли воды будут попадать на расположенные поблизости здания, сооружения, технологические установки.
В третьем варианте, в отличие от второго, демонтируется лишь верхняя часть корпуса, конфузор-диффузор. Взамен него
устанавливается корпус, состоящий из нижней конической части 1, цилиндрической части 2 и насадок вентиляторов 3 (рис. 4). При этом используется хорошо известный в технике прием, когда одна силовая установка большой мощности заменяется на несколько - меньшей мощности. Представляется
целесообразным применение четырех вентустановок типа ВГ 104 с крыльчатками диаметром 10,0 м, поскольку они в состоянии обеспечить требуемый расход воздуха 2800 кг/с. Рабочее пространство градирни, в свою очередь, разбивается вертикальными перегородками на четыре секции, градирня становится секционной, при условии что охлаждаемая вода в каждую секцию подается автономно. Следует заметить, что данная конструкция градирни во многом схожа с устройством градирни «Озон» с площадью орошения 400 м2 и тремя вентиляторными установками ВГ 70 [1].
Для обеспечения прочности и надежности градирни под цилиндрическую часть корпуса, вентиляторные установки помещаются дополнительные опоры,
градирня с четырьмя вентустановками
используется также шахта. Поскольку ожидается, что распределение воздушных потоков по сечению градирни будет неравномерным, высота оросителя должна бать также неравномерной.
Оценка эффективности данного варианта модернизации проводится расчетным путем. Рассматривается одна из четырех секций. Считается, что высота секции И =31,0 м, высота окон Иок =4,5 м, площадь орошения (площадь сектора) Гор =300,0 м2, крыльчатка располагается на высоте Ик =25,0 м, перепад давления на ней Ар =167,0 Па, частота вращения П =110 об/мин, мощность электродвигателя 170+200 кВт. В каждой из секций размещаются трубчатый ороситель типа ОКД-т со средней толщиной Нор =1,5 м и следующими показателями: коэффициенты,
характеризующие охлаждающую способность оросителя, А = 0,91 1/м; отражающие влияние скорости воздуха на массоотдачу, т =0,4; коэффициент сопротивления сухого оросителя £с.о. =6,35 1/м; коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние плотности орошения на аэродинамическое сопротивление оросителя, Кор = 0.34 (м • ч)/м2; а также каплеуловитель из профилированных полиэтиленовых пластин, коэффициент сопротивления которого £ к =13,0. Расход воды на секцию принимается равным 625,0 кг/с, температура воды на входе ¿1 =35,0°С. Климатические условия соответствуют летнему времени года: температура атмосферного воздуха по сухому термометру О =25,0°С, относительная влажность ф =0,55, барометрическое давление рО =0,1 МПа.
Следуя далее типовой методике выполнения технологических расчетов вентиляторных градирен [3], найдем: средняя скорость воздуха в сечении градирни ю= 2,7 м/с, температура воды на выходе ¿2=24,0°С, температурный перепад охлаждаемой воды А/ =11,0°С.
При охлаждении воды в градирне с одним вентилятором, работающей в аналогичных условиях, расчетный температурный перепад будет А/ =9,5°С, т.е. на 14% меньше, чем в модернизированной градирне.
Представляет также интерес аэродинамика секций, поведение в них воздушных потоков. Расчет течений воздуха в секции модернизированной градирни проводится с использованием к - в модели турбулентности, соответствующей ей системы уравнений:
ди; ди, - + и: -дг 1 дх]
1 др д +
р дх, дх1
ди, дх,
Р
дк
= 0;
= Vт
Г ди, ди л
I + .
дх1 \ 1
дх;
дк д
дг дх, дх,
+ и:
У
V +
( + Vт )
ди; дх;
О к
дк
дх:
+
+ Ок — в,
(1) (2)
(3)
(4)
да да д --+ щ — = —
дt дх1 дх1
С ут ^ v + — К аа)
дх1
+ с1е к °к - с2е*к • (5)
Здесь щ, uj, ик - компоненты осредненного вектора скорости; х;, xj -координаты (I, j = 1,2,3); t - время; р - давление; р - плотность; V -вязкость; g- ускорение свободного падения; Vт = с^к2/е - турбулентная вязкость
ди) ди'
воздуха; к = щщ/ 2 - удельная энергия турбулентных пульсаций; а = 2^ 1
дхк дхк
скорость диссипации; и', и' - пульсации скоростей;
^ 2 К ди; дuj
эмпирические константы с^ =0,09; С1Е =1,44; с 2 е =1,92; а к =1,0; ае =1,3.
Расчетная область, представляющая собой внутреннее пространство секции, дополняется вспомогательной областью, охватывающей воздуховходное окно секции. На границах этой области задается давление, равное атмосферному, записывается условие сохранения массы воздуха. На выходе из секции давление также считается атмосферным, в сечении крыльчатки перепад давления Ар =167,0 Па. На стенках секции реализуются условия прилипания, параметры
проницаемых пористых слоев (ороситель, каплеуловитель) подбираются в соответствии с их устройством, имеющимися данными. При этом в уравнения (1) включаются члены, описывающие аэродинамическое сопротивление этих слоев.
Система уравнений (1)-(5) интегрируется методом установления. В соответствии с методом контрольных объемов основные уравнения, записанные для отдельных ячеек, объединяются, формируются алгебраические уравнения относительно искомых величин. В силу того, что применяется неявный метод, уравнения нелинейны, решение их находится с помощью метода итераций.
На рис. 5 а, Ь показываются линии тока, равного давления в вертикальном сечении секции, проходящем через оси шахты и вентилятора; на рис. 6 а, Ь -изолинии горизонтальных, вертикальных составляющих вектора скорости воздуха в этом же сечении; на рис. 6, с - изолинии вертикальных составляющих вектора скорости в горизонтальном сечении секции между оросителем и каплеуловителем. Из приведенных данных следует, что под оросителем формируется интенсивный поток воздуха в направлении шахты (рис. 5, а; 6, а). Это обстоятельство необходимо учитывать, принимать соответствующие меры против обмерзания оросителя в зимнее время года. В области оросителя вблизи воздуховходного окна, наоборот, поток замедляется (рис. 5, а; 6, Ь; 6, с). Для того, чтобы выровнять потоки воздуха, проходящие через ороситель, необходимо увеличить толщину его вблизи шахты и уменьшить около воздуховходного окна, учитывая, что среднее значение вертикальной составляющей скорости воздуха в центральной части секции 2,3 м/с, на периферии - 1,4 м/с. Известно [4], что в градирне СК-400, подобной по устройству исходной градирне СК-1200 с одним вентилятором, вблизи воздуховходных окон вертикальная составляющая скорости воздуха больше, чем в центральной части. Поэтому рекомендуется, в отличие от рассматриваемого случая, увеличение толщины оросителя на периферии сечения градирни.
a) b)
Рис. 5. Линии тока (а), изобары (Ь) в сечении секции градирни
а) Ь) с)
Рис. 6. Изолинии горизонтальных (а), вертикальных (b) составляющих вектора скорости в
вертикальном сечении; изолинии вертикальных составляющих вектора скорости в
горизонтальном сечении (с)
Выводы
Из приведенных результатов следует, что в рамках первого направления предпочтительными являются варианты модернизации согласно типовой схеме (рис. 2, с) и с использованием решетчатого оросителя (рис. 2, d), когда вода охлаждается как при полете ее в виде капель в свободном пространстве, так и в оросителе. При демонтаже металлического корпуса (второе направление модернизации) определенный интерес представляет вариант реконструкции исходной вентиляторной градирни в башенную с системой охлаждения воды, показанной на рис. 2, d. Если требования к параметрам воды повышенные, следует отдать предпочтение варианту, при котором градирня модернизируется в секционную с четырьмя либо тремя вентиляторными установками типа ВГ 104 (рис. 4).
Summary
The article contains issues concerning modernization of stand alone fan cooling towers CK-1200. There are two major ways, which include several variations for modernization including cases when initial cooling tower is constructed into chimney-cooling tower. For major modernization versions the calculations of thermal performance
for cooling towers have been made, the results have been compared with benefits and drawbacks identification on variations introduced.
Key words: modernization of cooling towers ck-1200; the calculations of thermal characteristics; comparison of the results.
Литература
1. Пономаренко В.С., Арефьев Ю.И. Градирни промышленных и энергетических предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1998. 376 с.
2. Федяев В.Л., Мазо А.Б., Снигерев Б.А., Моренко И.В. Моделирование и модернизация теплообменного оборудования // Актуальные проблемы механики сплошной среды. Казань: ИММ КазНЦ РАН, 2001. С. 170 - 191.
3. Пособие по проектированию градирен ВНИИ ВОДГЕО Госстроя СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. 190 с.
4. Лаптев А.Г., Ведьгаева И.А. Устройство и расчет промышленных градирен. Казань: КГЭУ, 2004. 180 с.
Поступила в редакцию 15 мая 2009 г.
Федяев Владимир Леонидович - д-р техн. наук, зав. лабораторией МТП Института механики и машиностроения КазНЦ РАН. Тел.: 8-917-3925466, 8 (843) 231-90-56. E-mail: morenko@mail.knc.ru.
Снигерев Борис Александрович - канд. техн. наук, старший научный сотрудник Института механики и машиностроения КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 231-90-56. E-mail: snigerev@mail.knc.ru.
Моренко Ирина Вениаминовна - канд. техн. наук, научный сотрудник Института механики и машиностроения КазНЦ РАН. Тел.: 8 (843) 231-90-56. E-mail: morenko@mail.knc.ru.
Гайнуллин Ренат Фаридович - аспирант Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. Тел.: 8-917-3973713.
Гайнуллина Римма Фаридовна - аспирантка Казанского государственного технического университета им. А.Н Туполева. Тел.: 8-927-4640377.
