Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Объекты энергетического комплекса arrow РД 153-34.2-21.144-2003  
13.12.2018
    
РД 153-34.2-21.144-2003

РОССИЙСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ЭНЕРГЕТИКИ
И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ «ЕЭС РОССИИ»
Департамент научно-технической политики и развития

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РАСЧЕТАМ
ВОДОЕМОВ
-ОХЛАДИТЕЛЕЙ

РД 153-34.2-21.144-2003

ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева»
Санкт-Петербург
2004

Разработано ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» с участием ОАО «Институт Теплоэлектропроект»

Исполнители А.С. СОКОЛОВ, И.И. МАКАРОВ (ВНИИГ)

В.И. КРАВЕЦ, З.Р. ФИЛИППОВА (ТЭП)

Согласовано с Департаментом электрических станций РАО «ЕЭС России»

Заместитель начальника                                                              В.А. КУЗНЕЦОВ

Утвержден Департаментом научно-технической политики и развития РАО «ЕЭС России» 24.01.2003 г.

Заместитель начальника                                                              А.В. БОБЫЛЕВ

Срок первой проверки настоящего РД - 2009 г.

Периодичность проверки - один раз в 5 лет

Ключевые слова: водоем-охладитель, тепловая нагрузка, температурный режим, циркуляционная вода, водовыпуск ТЭС, водозабор ТЭС, температурная стратификация, струераспределительное сооружение, струенаправляющее сооружение, показатель эффективности схемы использования

Методические указания
по технологическим расчетам
водоемов-охладителей

РД 153-34.2-21.144-2003

Взамен П-33-75/ВНИИГ

Дата введения 2005-03-01

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Область применения

Настоящие Методические указания предназначены для проведения технологических расчетов водоемов-охладителей при обосновании инвестиций и на начальных стадиях проектирования водоемов-охладителей, а также при изменении режима работы тепловых электростанций.

Методические указания распространяются на полностью нагруженные водоемы-охладители (удельная тепловая нагрузка выше 150 Вт/м2), специально предназначенные для охлаждения циркуляционной воды в оборотных системах технического водоснабжения ТЭС.

Окончательное обоснование схемы использования водоема-охладителя, конструкций и параметров водовыпусков и водозаборов ТЭС, струераспределительных и струенаправляющих сооружений должно выполняться на основе математического или физического моделирования гидротермических процессов в водоеме-охладителе. При обосновании мероприятий, направленных на повышение охлаждающей способности существующих водоемов-охладителей, целесообразно проведение натурных исследований.

1.2. Принятая терминология

Водоем-охладитель - водный объект искусственного или естественного происхождения, предназначенный для охлаждения циркуляционной воды в системе технического водоснабжения ТЭС.

Циркуляционная вода - вода, охлаждаемая в водоеме-охладителе и используемая для конденсации пара в конденсаторах турбин ТЭС.

Циркуляционный расход - расход циркуляционной воды.

Удельная тепловая нагрузка водоема-охладителя - количество тепла, которое поступает в водоем-охладитель вследствие выпуска и забора циркуляционной воды ТЭС в единицу времени, отнесенное к единице свободной поверхности водоема-охладителя.

Температурный перепад водоема-охладителя - разность между температурами воды на водовыпуске и водозаборе ТЭС, принимаемая равной температурному перепаду на конденсаторах турбин.

Схема использования водоема-охладителя - компоновка гидротехнических сооружений (водовыпусков и водозаборов ТЭС, струенаправляющих дамб и др.), обеспечивающих работу водоема-охладителя.

Водовыпускное сооружение (водовыпуск ТЭС) - гидротехническое сооружение, предназначенное для выпуска нагретой на ТЭС циркуляционной воды и располагаемое в месте сопряжения отводящего канала ТЭС с водоемом-охладителем.

Водозаборное сооружение (водозабор ТЭС) - гидротехническое сооружение, предназначенное для отбора охлажденной циркуляционной воды из водоема-охладителя.

Глубинный селективный водозабор - гидротехническое сооружение, предназначенное для отбора холодной воды из нижних слоев водоема-охладителя при наличии вертикальной температурной стратификации.

Подводящий канал - гидротехническое сооружение, служащее для подвода охлажденной циркуляционной воды от водоема-охладителя к насосным станциям ТЭС.

Отводящий канал - гидротехническое сооружение, служащее для отвода подогретой циркуляционной воды от ТЭС к водоему-охладителю.

Струераспределительное сооружение - гидротехническое сооружение, предназначенное для обеспечения равномерного растекания выпускаемой циркуляционной воды по площади водоема-охладителя.

Струенаправляющее сооружение - гидротехническое сооружение, предназначенное для обеспечения желаемого направления движения воды.

Транзитный поток (транзитная струя) - поток, направленный от водовыпуска к водозабору ТЭС.

Зона циркуляции - акватория водоема-охладителя, занятая транзитным потоком и смежными водоворотами.

Застойная зона - часть водоема-охладителя вне области, занятой транзитным потоком и смежными с ним водоворотами, характеризующаяся малыми скоростями течения и малым обменом тепла с транзитным потоком.

Стратифицированный поток - поток воды с вертикальной температурной стратификацией.

Поверхностный поток - верхняя, наиболее теплая часть стратифицированного потока.

Донный поток - нижняя, наиболее холодная часть стратифицированного потока.

Двухслойная температурная стратификация - распределение температуры по глубине водоема-охладителя, характеризующееся наличием двух явно выраженных слоев, имеющих различную температуру.

Поверхность раздела - условная поверхность, разграничивающая слои с различной температурой при двухслойной температурной стратификации.

Критическое положение поверхности раздела - предельное положение поверхности раздела, при котором в отверстие глубинного селективного водозабора еще не поступает вода из верхнего слоя.

Кривая падения температуры в поверхностном слое - зависимость Тi = fi/Ω), где Ωi - площадь части свободной поверхности водоема-охладителя с температурой воды, превышающей значение Тi; Ω - полная площадь свободной поверхности водоема-охладителя.

Естественная температура - температура воды в водоеме-охладителе при отсутствии теплового сброса ТЭС.

Равновесная температура - условная температура воды в водоеме-охладителе при отсутствии теплового сброса ТЭС, которая рассчитывается исходя из постоянства метеорологических факторов.

Параметр стратификации - показатель, предназначенный для оценки вертикальной температурной стратификации в водоеме-охладителе.

Параметр распределения температуры - показатель эффективности схемы использования водоема-охладителя, отражающий снижение температуры охлажденной циркуляционной воды относительно среднего температурного уровня в водоеме.

Коэффициент использования - показатель эффективности схемы использования водоема-охладителя, полученный на основе сравнения процесса охлаждения в реальном водоеме-охладителе и условном прямоугольном водоеме с плоскопараллельным течением.

Активная площадь водоема-охладителя - площадь условного прямоугольного водоема с плоскопараллельным течением, обеспечивающего при прочих равных условиях ту же температуру охлажденной циркуляционной воды на водозаборе ТЭС, что и рассматриваемый реальный водоем-охладитель.

1.3. Условные обозначения

В настоящих Методических указаниях приняты следующие условные обозначения:

Ω - площадь свободной поверхности водоема-охладителя, м2;

Ωакт - активная площадь водоема-охладителя, м2;

H - средняя глубина водоема-охладителя, м;

V - объем воды в водоеме-охладителе, м3;

В - средняя ширина водоема-охладителя (с учетом струенаправляющих сооружений), м;

 - длина водоема-охладителя, м;

ρ - плотность воды, кг/м3;

с - удельная теплоемкость воды, Дж/(кг · °С);

g - ускорение свободного падения, м/с2;

Q - циркуляционный расход, м3/с;

ωуд = Ω/Q - удельная площадь свободной поверхности водоема-охладителя, с/м или сут./м;

ωуд.акт = Ωакт/Q - удельная активная площадь водоема-охладителя, с/м или сут./м;

Sуд = cρQDT/Ω - удельная тепловая нагрузка водоема-охладителя, Вт/м2;

Qпр - присоединенный расход воды, м3/с;

Ts - средняя по свободной поверхности (среднеповерхностная) температура водоема-охладителя, °С;

Tv - средняя по объему воды (среднеобъемная) температура водоема-охладителя, °С;

Tвып - температура воды на водовыпуске ТЭС, °С;

Tзаб - температура воды на водозаборе ТЭС, °С;

DТ - температурный перепад водоема-охладителя, °С;

Tе - естественная температура воды, °С;

Тр - равновесная температура, °С;

Та - температура воздуха, °С;

k = Ts/Tv - коэффициент неравномерности распределения температуры воды по глубине;

е - абсолютная влажность воздуха, Па;

ет - максимальная упругость водяного пара при температуре поверхности воды, Па;

W2 - скорость ветра на высоте 2 м над свободной поверхностью водоема-охладителя, м/с;

Wф - скорость ветра на высоте флюгера, м/с;

hф - высота флюгера;

п - общая облачность, баллы или доли единицы;

R - радиационный баланс, Вт/м2;

aе - коэффициент теплоотдачи испарением, Вт/(м2 · Па);

aс - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 · °С);

aΣ - суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 · °С);

Р - параметр стратификации;

 - коэффициент разбавления на водовыпуске (Qпр - присоединенный расход воды нижнего слоя);

ПT - параметр распределения температуры;

Kисп - коэффициент использования водоема-охладителя;

j - северная широта, град;

λ - восточная долгота, град.

1.4. Показатели эффективности схемы использования водоема-охладителя

Для оценки температуры охлажденной циркуляционной воды на основе решения уравнения теплового баланса рекомендуется применять один из двух показателей эффективности схемы использования водоема-охладителя - параметр распределения температуры ПT или коэффициент использования Kисп.

При существенных изменениях условий теплообмена водоема-охладителя с атмосферой следует использовать параметр ПT, который отражает снижение температуры охлажденной циркуляционной воды относительно среднего температурного уровня в водоеме-охладителе и определяется формулой

                                                                   (1.1)

Коэффициент использования Kисп вводится исходя из сопоставления рассматриваемого реального водоема-охладителя и эквивалентного ему по охлаждающей способности (т.е. обеспечивающего при прочих равных условиях ту же температуру охлажденной циркуляционной воды на водозаборе ТЭС) условного прямоугольного водоема с плоскопараллельным течением.

Коэффициент использования определяется отношением площадей условного и реального водоемов

                                                                      (1.2)

Показатели эффективности схемы использования водоема-охладителя могут быть определены путем математического или физического моделирования гидротермических процессов, по данным натурных исследований, а при отсутствии результатов моделирования и натурных исследований - по аналогам.

2. ТЕРМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВОДОЕМОВ-ОХЛАДИТЕЛЕЙ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

2.1. Формирование температурной стратификации. Параметр стратификации

При выпуске подогретой циркуляционной воды ТЭС в водоемы-охладители возникают сложные пространственные течения с образованием компактных струй и водоворотных областей (рис. 1). Как правило, в нижних слоях водоема-охладителя возникает движение охлажденной воды в сторону водовыпускного сооружения, вблизи которого происходит ее перемешивание с выпускаемой водой. Интенсивность этого перемешивания существенно зависит от гидравлических условий на водовыпуске ТЭС. При выпуске подогретой воды узким фронтом с большой скоростью (рис. 1, а) происходит интенсивное перемешивание на небольшом начальном участке. При расширении фронта выпуска и снижении скорости (рис. 1, б) интенсивность перемешивания уменьшается.

Одной из характеристик водоема-охладителя, позволяющих оценить эффективность охлаждения, является кривая падения температуры воды в поверхностном слое. На рис. 1, в представлен вид этой кривой при различном выпуске подогретой циркуляционной воды. Более эффективное охлаждение обеспечивает выпуск в верхний слой водоема-охладителя широким фронтом с небольшой скоростью, а наиболее выгодной термической структурой водоема-охладителя является двухслойная вертикальная температурная стратификация.

Рис. 1. Гидротермические процессы в водоеме-охладителе:

а - узкий водовыпуск; б - широкий водовыпуск; в - изменение температуры поверхности воды; 1 - водовыпуск ТЭС; 2 - водозабор ТЭС; 3 - кривая падения температуры воды при узком водовыпуске; 4 - кривая падения температуры воды при широком водовыпуске

Степень вертикальной температурной стратификации в водоеме-охладителе оценивается параметром стратификации

                                                  (2.1)

где h1 - толщина верхнего слоя при штиле; L, В, Н - длина, ширина и средняя глубина водоема-охладителя соответственно; f - коэффициент трения на поверхности раздела слоев, принимаемый равным 0,01; Q - циркуляционный расход; η - коэффициент разбавления на водовыпуске; b - коэффициент температурного расширения воды, принимаемый равным 3,02 · 10-4 (°С)-1; DТ - температурный перепад водоема-охладителя, принимаемый равным температурному перепаду на конденсаторах турбин; g - ускорение свободного падения.

Коэффициент разбавления η в формуле (2.1) определяется следующим образом:

                                                  (2.2)

где Fr' - плотностное число Фруда, рассчитываемое по формуле

                                                        (2.3)

v - скорость воды на водовыпуске; h0 - глубина водовыпускного канала в месте его сопряжения с водоемом-охладителем; b0 - половина ширины выпускаемой струи*.

* При выпуске циркуляционной воды вдоль боковой границы водоема-охладителя в качестве b0 принимается полная ширина струи.

При ветровом воздействии происходит дополнительное заглубление поверхности раздела по сравнению со штилем, которое рассчитывается по формуле

                                                    (2.4)

где H - глубина водоема, м; W2 - скорость ветра на высоте 2 м над водоемом, м/с; Dρ = ρ2 - ρ1 - разность между плотностью нижнего слоя, принимаемой равной плотности охлажденной циркуляционной воды, и средней плотностью верхнего слоя, соответствующей среднеповерхностной температуре водоема-охладителя, кг/м3*.

* Зависимость плотности воды от температуры приведена в табл. I.2 приложения I.

Окончательно положение поверхности раздела определяется по формуле

                                                               (2.5)

2.2. Классификация водоемов-охладителей

Водоемы-охладители рекомендуется классифицировать:

по характеру геометрической конфигурации;

по условиям образования вертикальной температурной стратификации;

по особенностям схемы использования;

по условиям забора циркуляционной воды.

Исходя из геометрических параметров, водоемы-охладители подразделяются на вытянутые узкие (В/L < 0,2), вытянутые широкие (0,2 < В/L < 0,5), правильной или неправильной округлой формы (0,5 < В/L < 1,0).

По условиям образования вертикальной температурной стратификации водоемы-охладители подразделяются на глубоководные (вертикально стратифицированные) и мелководные (с полным или частичным перемешиванием по глубине). Соответствующие данной классификации значения параметра стратификации Р приведены в табл. 1.

По условиям забора циркуляционной воды водоемы-охладители подразделяются на водоемы с поверхностным и с глубинным водозаборами.

Классификация водоемов-охладителей по характеру геометрической конфигурации и особенностям схемы использования дана в табл. 2, где также приведены типичные значения показателей эффективности схемы использования, которые могут быть применены для приближенной оценки температуры охлажденной циркуляционной воды. При проектировании конкретных объектов показатели ПT и Kисп определяются на основании результатов математического или физического моделирования гидротермических процессов в водоеме-охладителе для различных ветровых условий.

На рис. 2 - 5 приведены примеры схем использования водоемов-охладителей различного типа.

Таблица 1

Классификация водоемов-охладителей по характеру вертикальной температурной стратификации

Тип водоема-охладителя

Характеристика водоема-охладителя

Значение параметра Р

Глубоководный, вертикально стратифицированный

Вертикально стратифицированный водоем с явно выраженным поверхностным слоем, толщина которого мало изменяется по акватории

Р £ 0,3

Мелководный, частично перемешанный по вертикали

Поверхностный слой выражен нечетко, наблюдаются вертикальные температурные изменения по всей глубине

0,3 < Р < 1,0

Мелководный, полностью перемешанный по вертикали

Вертикальная стратификация отсутствует, имеется только горизонтальный температурный градиент

Р ³ 1,0

Рис. 2. Схемы использования вытянутых узких водоемов-охладителей (В/L < 0,2):

а - тип I.1; б - тип I.2; в - тип I.3;

1 - водовыпускное сооружение; 2 - водозаборное сооружение; 3 - плотина; 4 - отводящий канал; 5 - струенаправляющее сооружение

Таблица 2

Значения показателей эффективности схемы использования для водоемов-охладителей различного типа

Тип

Форма водоема-охладителя и особенности схемы его использования

При штиле и благоприятных направлениях ветра*

При неблагоприятных направлениях ветра*

ПT

Kисп

ПТ

Kисп

I

Вытянутый узкий (В/L < 0,2)

 

 

 

 

I.1

С продольным направлением потока. Водовыпуск и водозабор размещены в противоположных концах водоема

0,27

0,82

0,20

0,75

I.2

С продольным направлением потока в одной части водоема и застойной зоной в другой. Водовыпуск и водозабор расположены так, что зона циркуляции занимает только часть площади водоема

0,20

0,75

0,02

0,57

I.3

С продольным направлением потока. Водовыпуски размещены в противоположных концах водоема, а водозабор - в средней его части

0,27

0,82

0,20

0,75

II

Вытянутые широкие (0,2 < В/L < 0,5)

 

 

 

 

II.1

С продольным направлением потока по всей длине. Водовыпуск и водозабор размещены в противоположных концах водоема

0,25

0,80

0,12

0,67

II.2

С продольным или круговым направлением потока. Водозабор или водовыпуск расположены в средней части водоема

0,12

0,67

0,05

0,60

II.3

С продольным направлением потока. Водовыпуски расположены в противоположных концах водоема, а водозабор - в средней его части

0,17

0,72

0,05

0,60

III

Правильной или неправильной округлой формы (0,5 < В/L < 1,0)

 

 

 

 

III.1

С поперечным направлением потока. Водовыпуск и водозабор размещены на противоположных берегах водоема

0,22

0,77

0,10

0,65

III.2

С круговым направлением потока, формируемым струенаправляющими дамбами. Водовыпуск и водозабор прилегают к ТЭС

0,30

0,85

0,20

0,75

III.3

С круговым направлением потока и застойными зонами. Водовыпуск и водозабор расположены вблизи ТЭС

0,27

0,82

0,12

0,67

IV

Схема использования водоема-охладителя с глубинным селективным водозабором

 

 

 

 

 

Водоем-охладитель любой конфигурации со средней глубиной не менее 5 м. Выпуск подогретой воды осуществляется на мелководный участок или через струераспределительное устройство. Отбор воды осуществляется из нижних слоев водоема глубинным водозаборным сооружением

0,27

0,82

0,20

0,75

* Благоприятное направление ветра - от водозабора против движения транзитного потока, неблагоприятное - к водозабору.

Рис. 3. Схемы использования вытянутых широких водоемов-охладителей (0,2 < B/L < 0,5):

а - тип II.1; б - тип II.2; в - тип II.3;

1 - водовыпускное сооружение; 2 - водозаборное сооружение; 3 - плотина; 4 - отводящий канал; 5 - подводящий канал; 6 - струенаправляющее сооружение

Рис. 4. Схемы использования водоемов-охладителей округлой формы (0,5 < B/L < 1,0):

а - тип III.1; б - тип III.2; в - тип III.3;

1 - водовыпускное сооружение; 2 - водозаборное сооружение; 3 - плотина; 4 - отводящий канал; 5 - подводящий канал; 6 - струенаправляющее сооружение

Рис. 5. Схема использования водоема-охладителя с глубинным водозабором (тип IV):

1 - водовыпускное сооружение; 2 - водозаборное сооружение (глубинное); 3 - плотина;

 - направление движения воды в верхнем слое;

 - направление движения воды в нижнем слое

3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ВОДОЕМА-ОХЛАДИТЕЛЯ

Расчеты температурного режима водоемов-охладителей проводятся для решения следующих основных задач:

определение температуры охлажденной циркуляционной воды на водозаборе при заданных площади водоема-охладителя и мощности ТЭС;

определение необходимой площади водоема-охладителя при заданной мощности ТЭС с учетом требований к температуре циркуляционной воды;

определение предельной мощности ТЭС при заданной площади водоема-охладителя с учетом требований к температуре циркуляционной воды.

Предельно допустимые температуры охлажденной циркуляционной воды принимаются исходя из характеристик установленного на ТЭС турбинного оборудования в соответствии с нормами технологического проектирования тепловых электростанций.

3.1. Исходные данные для расчета температурного режима водоема-охладителя

Для расчета температурного режима водоема-охладителя должны быть заданы характеристики турбинного оборудования ТЭС - расход циркуляционной воды и температурный перепад на конденсаторах турбин, а также геометрические параметры водоема-охладителя - площадь свободной поверхности и средняя глубина.

Расчет изменения температурного режима в течение года выполняется применительно к среднемесячным метеорологическим условиям, установленным по многолетним наблюдениям, с учетом теплоаккумулирующей способности водоема и графика работы ТЭС.

Для расчета температурного режима водоема-охладителя необходимы следующие метеорологические данные: температура и влажность воздуха, скорость ветра, общая облачность. Значения указанных метеорологических величин принимаются по наблюдениям на ближайшей к водоему-охладителю метеорологической станции.

Среднемесячные значения метеорологических величин для ряда пунктов территории России приведены в табл. I.1 приложения I. Там же указаны рассчитанные для этих пунктов значения равновесной температуры Тp.

В расчетах температурного режима водоема-охладителя используются значения скорости ветра на высоте 2 м над водной поверхностью, которые могут быть определены по формуле

                                                               (3.1)

где Wф - скорость ветра на высоте флюгера; hф - высота флюгера; z0 - параметр шероховатости, принимаемый для водной поверхности равным 0,003 м.

При наличии данных измерений скорости ветра непосредственно в районе расположения водоема-охладителя целесообразно использовать их для введения поправок на данные метеорологической станции.

3.2. Расчет средней температуры водоема-охладителя по уравнению теплового баланса

При расчете средней температуры водоема-охладителя по уравнению теплового баланса необходимо учитывать следующие факторы:

суммарное тепло, поступающее в результате выпуска и забора циркуляционной воды ТЭС;

суммарную (прямую и рассеянную) солнечную радиацию;

эффективное излучение водной поверхности;

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: