|
§ 149. Водохранилища-охладители
По назначению, расположению и условиям питания
водохранилища-охладители разделяются на следующие группы:
регулирующие водохранилища на водотоках, используемые не
только для охлаждения циркуляционной воды, но и для сезонного или
многолетнего регулирования стока;
водохранилища-охладители на водотоках без регулирования
стока, сооружаемые лишь для создания поверхности, достаточной для охлаждения
циркуляционной воды;
водохранилища-охладители на естественных озерах и прудах;
наливные водохранилища, сооружаемые вне водотока, с
подпиткой из ближайших рек.
Схемы циркуляции воды в водохранилищах-охладителях.
Свободная поверхность водохранилища-охладителя не вся одинаково эффективно
участвует в отдаче тепла, поступающего с нагретой циркуляционной водой.
Количество тепла, отводимого с единицы площади того или иного участка
поверхности водохранилища, зависит от температуры воды на этом участке.
Поэтому при термическом расчете водохранилища-охладителя необходимо
представить картину распределения температур по его поверхности;
следовательно, необходимо составить схему распределения потока теплой воды от
точки ее сброса до места ее приема.
Схема циркуляции в водохранилище-охладителе определяется
его формой, взаимным расположением водосбросных и водоприемных сооружений, а
также струераспределительными и струенаправляющими сооружениями.
При проектировании для современных мощных электростанций
крупных водохранилищ-охладителей с глубинами, достигающими десятков метров, и
с объемами воды в сотни миллионов кубических метров следует учитывать, что
хроме градиентных течений, вызываемых сбросом циркуляционного расхода и
поступлением речной воды, в водохранилищах имеют место также ветровые,
плотностные и компенсационные течения.
Ветровые течения приводят к сгону воды от подветренной стороны
водоема и к нагону ее у наветренной стороны. Возникающий при этом
горизонтальный градиент давления, направленный в сторону, противоположную
ветру, вызывает один из видов глубинных компенсационных течений.
Известно, что вода имеет максимальную плотность при
температуре 4° С, а при нагревании ее плотность уменьшается. Передача тепла в
водную толщу за счет молекулярной диффузии и теплопроводности весьма слаба.
Поэтому при прогреве верхних слоев воды возникает температурная
стратификация: температура воды на поверхности оказывается выше, чем в
глубинных слоях, и эта разница достигает иногда 10° С и более. При выпуске
теплой воды на поверхность водохранилища может возникнуть устойчивая разница
температур воды в верхних ч нижних слоях и произойти расслоение потоков,
имеющих различною плотность. В этом случае возникают верхнее теплое и
глубинное холодное течения, которые могут быть разнонаправленными. Такие
течения называются плотностными.
При сбросе нагретой воды в водохранилище у сбросных
сооружений часто наблюдается понижение температуры воды на,несколько
градусов. Это объясняется тем, что нагретая вода, если она выходит в
водохранилище со значительными скоростями, эжектирует массы холодной воды из
придонных слоев и вовлекает их в циркуляционный поток. Этот смешанный поток,
имея меньшую плотность, чем придонные слои, выходит на поверхность, а по
направлению к сбросным сооружениям возникает глубинный ток холодной воды,
являющийся вторым видом компенсационных течений.
Вследствие отсутствия методов, позволяющих установить
расчетным путем действительную сложную картину распределения течений и
температур воды по поверхности и глубине водохранилища-охладителя, при
решении практических инженерных задач приходится принимать весьма упрощенную
схему течений.
Приближенный метод построения плана течений в
водохранилище-охладителе был впервые предложен в 1933 г. инж. Н. М.
Вернадским. Пользуясь этим методом, разработанным на базе теории
турбулентного потока, можно с учетом сил трения по дну и сил касательных
напряжений между соседними струями построить план транзитного потока (от
места сброса воды до водоприемных сооружений), водоворотов, вызванных
транзитным потоком, и застойных зон.
Считается, что с поверхности водоворотов теплоотдача
происходит с меньшей интенсивностью, чем с поверхности транзитного потока.
Площадь действительной поверхности водохранилища заменяется, согласно
предложению Н. М. Вернадского, «площадью активной зоны», которая учитывает
теплоотдачу транзитного потока и смежных с ним водоворотов. Отношение площади
активной зоны к площади действительной поверхности водохранилища называется
коэффициентом использования площади водохранилища: /С=о)акт/о)в. Этот
коэффициент в зависимости от формы водохранилища, схемы расположения
водосбросных и водоприемных сооружений и условий растекания циркуляционного
потока может иметь значения от 0,5 до 0,95.
Более надежные данные для проектирования, в частности
значения коэффициента использования площади водохранилища-охладителя, могут
быть получены по результатам гидротермического моделирования на
крупномасштабной модели водохранилища, которое проводится по методике,
разработанной ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева в 1971 г.
Чтобы распределить транзитный поток циркуляционной воды по
возможно большей части поверхности водохранилища и создать площадь активной
зоны, достаточную для охлаждения расчетного расхода, нагретую на промышленном
предприятии воду сбрасывают на значительном расстоянии от водоприемных
сооружений, а также применяют струенаправляющие и струераспределительные
сооружения.
Исследованиями последних лет установлено, что в больших и
глубоких водохранилищах-охладителях, которые сооружаются, например, для
современных мощных теплоэлектростанций, возможно создание объемной циркуляции
воды. Для этого необходимо организовать прием воды только из глубинных слоев
водохранилища, а нагретую воду сбрасывать на поверхность водохранилища с
малыми скоростями. Тогда можно располагать сбросные сооружения вблизи
водоприемных и даже совмещать их в одном сооружении. При этом нагретая вода,
имеющая меньшую плотность, чем холодная, растекается по поверхности
водохранилища и, охлаждаясь, переходит в глубинные слои, которые движутся к
водоприемным сооружениям. Такая схема циркуляции
позволяет отказаться от длинных отводящих каналов и
струенаправляющих сооружений при высоком коэффициенте использования площади
водохранилища.
Некоторые примеры организации водохранилищ-охладителей к
схем расположения сооружений, предназначенных для обеспечения наиболее
полного использования их поверхности для охлаждения воды, приведены на VI
1.5. Здесь представлены:
водохранилище вытянутой формы на водотоке (VII.5, а);
циркуляция обеспечивается отводящим каналом и струенаправляющей дамбой перед
водоприемными сооружениями;
водохранилище сложной формы на водотоке (VII.5, б);
циркуляция обеспечивается перегораживающей дамбой и искусственной прорезью;
широкое водохранилище на водотоке (VII.5, б); циркуляция
обеспечивается струенаправляющей дамбой;
использование системы естественных озер для охлаждения
воды (VII.5, г);
наливное водохранилище, для сооружения которого удачно
использован рельеф местности (VII.5, д);
наливное водохранилище с круговой циркуляцией воды и
водоприемным сооружением в центре (VII.5, е);
глубокое водохранилище на малом водотоке с выпуском
нагретой воды на поверхность и глубинным водоприемным сооружением,
расположенным вблизи выпуска (VI 1.5,ж); циркуляция воды — объемная с
разнонаправленными поверхностным и глубинным потоками.
Тепловой расчет водохранилища-охладителя. Тепловой расчет
водохранилища-охладителя производится для определения температуры охлажденной
воды у места ее приема при заданной площади активной зоны или для определения
необходимой площади активной зоны водохранилища при заданных тепловой и
гидравлической нагрузках.
Для облегчения практических расчетов можно пользоваться
номограммой на VII.6, для чего следует подсчитать удельную площадь активной
зоны юуд, приходящуюся на единицу расхода охлаждаемой воды, в м2/м3 в сутки.
По номограмме определяется перегрев охлажденной в водохранилище
циркуляционной воды, поступающей к месту ее приема, по сравнению с
естественной температурой воды {U—te) в зависимости от величины нагрева воды
на электростанции (перепада температур Д^=^1—^г)-
Для ориентировочных расчетов можно принимать необходимую
площадь водохранилища-охладителя от 30 до 50 м2 для охлаждения 1 м3/ч воды на
8—10°.
Основные сооружения водохранилищ-охладителей.
Проектирование плотин, дамб, водосбросов и каналов для
водохранилищ-охладителей производят по соответствующим нормам проектирования
гидротехнических сооружений.
Место расположения водосбросных и водоприемных сооружений,
а также сооружений, увеличивающих активную зону водохранилища
(струераспределительных и струенаправляющих сооружений), выбирают исходя из
условий получения необходимой площади активной зоны на основе
технико-экономических расчетов.
Струенаправляющие и струераспределительные сооружения
выполняют в виде водосливов, лотков, труб, консольных водосбросов.
Струераспределительные сооружения наиболее целесообразно выполнять в виде
затопленных водосливов распластанного профиля либо в виде фильтрующих дамб из
каменной наброски. Такие сооружения обеспечивают выпуск теплой воды на
поверхность водохранилища с малыми скоростями, что предотвращает появление
глубинного течения к водосбросу.
Наиболее рациональным типом сооружения для забора воды из
водохранилища-охладителя глубиной не менее 4—5 м является глубинный
водозабор, обеспечивающий получение воды из придонных слоев. Этим достигается
наиболее низкая температура охлаждающей воды, предотвращение или резкое
уменьшение захвата биологических загрязнений (микроорганизмов, низшей водной
растительности, личинок моллюсков) и наиболее рациональная продувка
водохранилища. При глубинном водозаборе резко уменьшается захват рыбы и, что
особенно важно, мальков, которые обитают обычно на небольших глубинах.
Глубинный водозабор обеспечивает также бесперебойную подачу воды к
потребителям при шуговых явлениях без принятия мер по обогреву водозабора.
Во избежание подсасывания воды из верхних слоев входные
окна глубинного водозабора должны быть расположены на достаточной глубине, а
входные скорости воды должны быть минимальными. В зависимости от глубины
расположения верхней кромки входного окна водозабора входные скорости принимаются
от 0,1 до 0,3 м/с.
Глубинные водозаборы выполнялись ранее в виде забральных
стенок, погруженных на определенную глубину и образующих входные отверстия
между дном водохранилища и нижней кромкой стенки. В последние годы широкое
применение получили водоприемные сооружения, выполненные в виде подводной
галереи со щелью переменного сечения во фронтальной стенке и козырьком над
щелью, конструкция которых разработана в институте Теплоэлектропроект
(VII.7). Такое водоприемное сооружение не подвергается воздействию волновых и
ледовых нагрузок и обеспечивает равномерное поступление воды по всему
водоприемному фронту.
|
