ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016)

Рисунок 2.11 - Башенная градирня с естественной вентиляцией и

вспомогательными вентиляторами ([9])

Вентиляторы

Вентиляторы используются в градирнях для создания воздушного потока.

В зависимости от требований вентиляторы имеют различный диаметр, размеры лопа-

ток и расположение. Для привода вентиляторов возможно применение одно- или мно-

госкоростных двигателей, повышающих маневренность ПСО. Выбор типа вентилятора

и электродвигателей для их привода влияет на потребление электроэнергии и уровень

шума градирни. В зависимости от места установки вентиляторов (на входе или выходе

воздушного тракта градирен) различают градирни, работающие под наддувом и под

разрежением.

Градирни с принудительной тягой обычно используются там, где местные усло-

вия ограничивают высоту сооружений ПСО.

Вентиляторные градирни под наддувом

Характеристики градирни под наддувом:

- вентилятор располагается внизу градирни и проталкивает воздух через нее;

- тепловая производительность может изменяться ступенчато или непрерывно;

- применяются градирни с одним и многими вентиляторами;

- для размещения градирни требуется меньшая площадь, чем для градирни с

естественной тягой;

- используют встречные потоки воды и воздуха (противоток);

- может находить широкое разнообразие применений: больших потоков отводи-

мого тепла, для базовой и пиковой нагрузки;

- может применяться для отведения тепловой мощности от менее 100 кВт до бо-

лее 100 МВт;

- капиталовложения ниже по сравнению с градирнями с естественной тягой;

- при использовании градирен с принудительной тягой должны соблюдаться

ограничения относительно шума.

1 - диффузор; 2 - вентилятор; 3 - каплеуловитель; 4 -

водораспределительная система; 5 - оросительное устройство; 6 -

воздухонаправляющий козырек; 7 - воздуховходные окна; 8 -

воздухораспределительное пространство; 9 - переливной водовод; 10 -

грязевой водовод; 11 - водосборный бассейн; 12 - ветровая перегородка; 13 -

отводящий водовод; 14 - подводящий водовод

Рисунок 2.12 - Схема вентиляторной противоточной градирни ([10])

1 - диффузор; 2 - вентилятор; 3 - подводящий водовод; 4 -

водораспределительная система; 5 - каплеуловитель; 6 - оросительное

устройство; 7 - жалюзи; 8 - водосборный бассейн; 9 - отводящий водовод;

10 - переливной водовод

Рисунок 2.13 - Схема поперечнопоточной градирни с отсасыванием воздуха

вентилятором ([10])

Области и ограничения для применения

Вентиляторные градирни обеспечивают более глубокое охлаждение воды, чем

охладители других типов. Они позволяют также осуществить регулирование темпера-

туры охлажденной воды за счет отключения отдельных вентиляторов или изменения

частоты их вращения. Применение вентиляторных градирен может быть экономически

целесообразно в случаях, когда стоимость дополнительно выработанной электростан-

цией энергии, связанной с более низкими температурами охлажденной воды, больше

стоимости энергии, затрачиваемой вентиляторами. На вентиляторные градирни допус-

кается удельная тепловая нагрузка 335-419 МДж/(м²·ч) [80-100 тыс. ккал/(м²·ч)] и вы-

ше, на башенные, в зависимости от высоты башни, - удельная нагрузка

251-

419 МДж/(м²·ч) [60-100 тыс. ккал/(м²·ч)]. На атмосферные градирни допускается удель-

ная тепловая нагрузка 29,3-62,6 МДж/(м²·ч) [7-15 тыс. ккал/(м²·ч)].

Общие характеристики вентиляторных испарительных градирен, значимые для

области их применения:

- относительно простая конструкция (готовые элементы, возможна заводская

сборка);

- размер градирни ограничен, требует меньше места, чем градирни с естествен-

ной тягой;

- производительность системы охлаждения может быть количество применяе-

мых секционных градирен;

- прямое потребление энергии считается низким;

- используется для различных типов нагрузок: пиковых и базовых;

- применяется для мощности отводимого тепла от 100 МВт и выше;

- капиталовложения относительно низки по сравнению с градирнями с есте-

ственной тягой;

- при использовании испарительных градирен с принудительной тягой должны

учитываться ограничения относительно шума.

2.3.3 Эжекционные градирни

Эжекционные градирни могут рассматриваться в качестве альтернативы венти-

ляторным и башенным испарительным градирням. Их основное отличие заключается в

том, что для создания потока воздуха в эжекционных градирнях используется явление

эжекции воздуха потоком воды вместо башен и вентиляторов. Для этого используются

специальные эжекционные форсунки в совокупности с направляющими устройствами

для водо-воздушных потоков.

Явление эжекции заключается в передаче части кинетической энергии от среды,

движущаяся с большой скоростью, к среде с более низкой скоростью. В процессе сме-

шения двух сред происходит выравнивание их скоростей. В случае эжекционной гра-

дирни эжектирующей средой является циркуляционная вода, эжектируемой - воздух.

1 - водослив;

2 - площадка технологическая;

3 - канал эжекционный;

4 - каплеуловитель;

5 - конфузор;

6 - диффузор;

7, 8 - ограничения корпуса и ветровых перегородок;

9 - дверь;

10 - бассейн для сбора охлажденной воды;

11 - площадка верхняя;

12, 13, 14 - лестницы;

15 - водораспределительная система

Рисунок 2.14 - Пример конструкции эжекционной градирни²⁾

Эжекционная градирня работает следующим образом: по коллектору циркуляци-

онная вода подается к эжекционным форсункам и распыляется ими в эжекционные ка-

налы специальной формы. Смешиваясь с воздухом, циркуляционная вода охлаждает-

ся и самотеком поступает в приемную емкость.

²⁾ По материалам НПФ «Пульсар», г. Великий Новгород.

Рисунок 2.15 - Коллектор циркуляционной воды с форсунками эжекционной

градирни³⁾

Применяемые конструкции эжекционных градирен различаются их производи-

тельностью, направлением водо-воздушных потоков, количеством и конструкцией фор-

сунок. Воздуховыходная шахта градирни оснащается каплеуловителем.

Для снижения аэродинамического сопротивления проточной части градирни вы-

хлопной канал имеет конфузорно-диффузорную форму.

В качестве преимуществ эжекционных градирен перед вентиляторными отмеча-

ют:

- температура охлажденной воды на 2 °C - 3 °C выше температуры мокрого

термометра;

- при правильном проектировании годовые затраты электроэнергии эжекционной

градирней сопоставимы с затратами вентиляторной градирни;

- производительность эжекционных градирен достаточно легко регулировать

производительностью насосного оборудования, изменяя теплосъем градирни в зави-

симости от тепловой нагрузки и параметров атмосферного воздуха. Возможна органи-

зация автоматического регулирования. При этом может быть получена значитель-

ная, % до 50 %, экономия электроэнергии, потребляемой градирней;

³⁾ По материалам ГК «Новые технологии».

- потери циркуляционной воды соответствуют потерям вентиляторных градирен:

на капельный унос - 0,01 %, на испарение - 1 % на каждые 5 °C охлаждения;

- нетребовательность к качеству циркуляционной воды, отсутствие ограничений

по температуре воды на входе, стабильная эффективность работы в любое время го-

да;

- более низкая стоимость и простота эксплуатации эжекционных градирен (дли-

тельный гарантийный срок службы форсунок, отсутствие вентилятора, оросителя)

обеспечивают ежегодную экономию для предприятия на профилактических и ремонт-

ных работах. Форсунки могут очищаться без вывода градирни из эксплуатации.

Рисунок 2.16 - Пример конструкции каркасной эжекционной градирни высокой

производительности⁴⁾

Таблица 2.10 - Основные характеристики эжекционных градирен

Показатель

Ед.изм.

Значение

Расход циркуляционной воды

тыс.м³/ч

0,005-50 и более

⁴⁾ По материалам ГК «Новые технологии».

Показатель

Ед.изм.

Значение

Необходимое избыточное дав-

МПа (кгс/см²)

0,1-0,5 (1-5)

ление воды

Разность температур воды на

°С

8-10 и более

входе и выходе из градирни

(без рециркуляции)

Maксимальная глубина охла-

°С

2-4

ждения (величина превышения

температуры охлажденной во-

ды над температурой воздуха

по смоченному термометру)

Потери воды:

До 1

- на испарение

До 0,01

- на каплеунос

Удельная электрическая мощ-

кВт

0,175

ность электрооборудования на

1 м³/ч проектного расхода цир-

куляционной воды

Удельные капитальные затра-

тыс. руб

6-7

ты на строительство (на 1 м³/ч

проектной производительно-

сти)

Срок эксплуатации

год

До 25

Уровень шума на уровне воз-

дБ

до 75

духовходного окна

Отмечается, что при увеличении рабочего давления воды расходные характери-

стики и охлаждающая способность градирен могут быть улучшены.

Были представлены сообщения о примерах переоборудования башенных и вен-

тиляторных градирен в эжекционные градирни.

Башенная испарительная градирня Каргалинской ТЭЦ АО «Оренбургская ТГК» с

естественной тягой и площадью орошения 324 м² (БГ 324-64-4) была реконструирована

с заменой вытяжной башни и внедрением элементов эжекционной градирни. При ре-

конструкции в контур градирни был добавлен дополнительный коллектор с эжекцион-

ными форсунками, расположенными по периметру градирни; группа насосов-

повысителей, забирающих воду из возвратного трубопровода или напрямую из бас-

сейна градирни и подающих ее на эжекционный коллектор. В результате реконструк-

ции была повышена проектная производительность градирни с 2800 до 5300 м³/ч, теп-

лопроизводительность с 27 до 59,5 Гкал/ч, температурный перепад вырос и 7 °C -

9 °C до 10 °C.

Имеются примеры компактных эжекционных башенных градирен высокой произ-

водительности от 2000 м³/ч и более.

2.3.4 Атмосферные градирни

Открытые атмосферные градирни используются преимущественно в системах

охлаждения с расходом циркуляционной воды от 10 до 500 м³/ч, при удельной тепло-

вой нагрузке 29,3-62,6 МДж/(м²·ч) [7-15 тыс. ккал/(м²·ч)], обеспечивая охлаждение во-

ды на 5 °C - 10 °C. По условиям надежности отведения тепла они применяются для

промышленных установок, допускающих снижение подачи воды не более 10 сут, а пе-

рерыв в подаче воды на время выключения поврежденных и включения резервных

элементов или проведения ремонта, не более чем на 6 ч. Возможная эксплуатацион-

ная температура наружного воздуха - до -30 °C.

Рисунок 17.16 Атмосферная градирня ([10]):

1 - ороситель; 2, 3 - системы распределения воды; 4 - воздухонаправляющие

жалюзи; 5 - водосборный бассейн.

Атмосферные градирни могут обеспечивать достаточно высокую производи-

тельность по отводимому теплу, не требуют затрат электроэнергии на подачу воздуха,

характеризуются простотой строительных конструкций, условий эксплуатации и ремон-

та. Однако их применение ограничивается возможностью размещения на площадке,

свободно продуваемой ветром, а также допустимостью кратковременного повышения

температуры охлаждаемой воды в период слабого ветра или штиля.

Высота оросителя открытой капельной градирни принимается не более 10 м, за-

нимаемая площадь в плане - до 80 м².

Распределение воды по площади оросителя осуществляется в виде, как прави-

ло, двухзонной напорной трубчатой системы с водоразбрызгивающими соплами. Верх-

няя зона используется в летних условиях, нижняя - в зимних.

Направление ветра в зимний период по возможности должно обеспечивать унос

паров и капель воды в сторону от близко расположенных сооружений и дорог.

Значимые экологические и прочие аспекты атмосферных градирен:

- относительно высокий уровень потерь воды с каплеуносом, зависящий от силы

ветра;

- требовательность к отсутствию препятствий для ветра вокруг градирни приво-

дит к необходимости отведения для градирни достаточно большой площади;

- при химической обработке циркуляционной воды возможно загрязнение почвы

вокруг градирни, хотя площадь возможного загрязнения невелика;

- падение капель создает шум;

- низкий уровень эксплуатационных и капитальных затрат.

2.3.5 Оборотные ПСО с водоемами-охладителями

По назначению, расположению и условиям питания водоемы-охладители разде-

ляются на следующие группы:

- русловые водохранилища на водотоках;

- водоемы-охладители на естественных озерах и прудах;

- наливные искусственные пруды, сооружаемые вне водотока, с подпиткой из

ближайших водных объектов;

- отсечные водоемы, представляющие собой часть природного водного объекта,

отделенного от него дамбой.

Свободная поверхность водохранилища-охладителя не вся одинаково эффек-

тивно участвует в отдаче тепла, поступающего с нагретой циркуляционной водой. Ко-

личество тепла, отводимого с единицы площади того или иного участка поверхности

водохранилища, зависит от температуры воды на этом участке. Схема циркуляции в

водохранилище-охладителе определяется его формой, взаимным расположением во-

досбросных и водоприемных сооружений, а также струераспределительными и струе-

направляющими сооружениями.

При проектировании крупных водохранилищ-охладителей с глубинами, достига-

ющими десятков метров, и с объемами воды в сотни миллионов кубических метров

следует учитывать, что кроме градиентных течений, вызываемых сбросом циркуляци-

онного 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 °C, а при

нагревании ее плотность уменьшается. Передача тепла в водную толщу за счет моле-

кулярной диффузии и теплопроводности весьма слаба. Поэтому при прогреве верхних

слоев воды возникает температурная стратификация: температура воды на поверхно-

сти оказывается выше, чем в глубинных слоях, и эта разница достигает иногда 10 °C и

более. При выпуске теплой воды на поверхность водохранилища может возникнуть

устойчивая разница температур воды в верхних 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 скоро-

стями, эжектирует массы холодной воды из придонных слоев и вовлекает их в цирку-

ляционный 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.

Важной характеристикой водоемов-охладителей является коэффициент исполь-

зования площади водохранилища, равный отношению активной зоны, участвующей в

процессе теплообмена к общей площади акватории водоема. Этот коэффициент в за-

висимости от формы водохранилища, схемы расположения водосбросных и водопри-

емных сооружений и условий растекания циркуляционного потока может иметь значе-

ния от 0,5 до 0,95. Чтобы распределить транзитный поток циркуляционной воды по

возможно большей части поверхности водохранилища и создать площадь активной зо-

ны, достаточную для охлаждения расчетного расхода, нагретую на промышленном

предприятии воду сбрасывают на значительном расстоянии от водоприемных соору-

жений, а также применяют струенаправляющие и струераспределительные сооруже-

ния.

Исследованиями установлено, что в больших и глубоких водохранилищах-

охладителях, которые сооружаются, например, для современных мощных теплоэлек-

тростанций, возможно создание объемной циркуляции воды. Для этого необходимо ор-

ганизовать прием воды только из глубинных слоев водохранилища, а нагретую воду

сбрасывать на поверхность водохранилища с малыми скоростями. Тогда можно распо-

лагать сбросные сооружения вблизи водоприемных и даже совмещать их в одном со-

оружении. При этом нагретая вода, имеющая меньшую плотность, чем холодная, рас-

текается 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 вы-

соком коэффициенте использования площади водохранилища.

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 ориентировочных расчетов можно

принимать необходимую площадь водохранилища-охладителя в метеорологических

условиях средней полосы России от 30 до 50 м² для охлаждения 1 м³/ч воды на 8 °C -

10 °C, что соответствует гидравлической нагрузке 0,02-0,033 м³/ч на 1 м² активной

площади водоема.

Место расположения водосбросных и водоприемных сооружений, а также со-

оружений, увеличивающих активную зону водохранилища (струераспределительных и

струенаправляющих сооружений), выбирают исходя из условий получения необходи-

мой площади активной зоны на основе технико-экономических расчетов и компьютер-

ного моделирования. Струенаправляющие и струераспределительные сооружения вы-

полняют в виде водосливов, лотков, труб, консольных водосбросов. Струераспредели-

тельные сооружения обычно выполняют в виде затопленных водосливов распластан-

ного профиля либо в виде фильтрующих дамб из каменной наброски. Такие сооруже-

ния обеспечивают выпуск теплой воды на поверхность водохранилища с малыми ско-

ростями, 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 пода-

чу воды к потребителям при шуговых явлениях без принятия мер по обогреву водоза-

бора.

Во избежание подсасывания воды из верхних слоев входные окна глубинного

водозабора должны быть расположены на достаточной глубине, а входные скорости

воды должны быть минимальными: от 0,1 до 0,3 м/с.

Отмечают следующие сравнительные преимущества и недостатки водоемов-

охладителей:

- они обеспечивают более низкие температуры охлажденной воды, чем градирни

и брызгальные бассейны, при меньшем колебании температуры в течение суток благо-

даря большой теплоаккумулирующей способности водоемов-охладителей;

- при применении водоемов-охладителей нет необходимости в создании напора

для разбрызгивания воды (за исключением случаев расположения плавающих брыз-

гальных установок для улучшения охлаждения), что позволяет снизить мощность цир-

куляционных насосов и уменьшить расходы электроэнергии на собственные нужды

ПСО. Прямое потребление электроэнергии оборотными системами с водоемами-

охладителями близко энергопотреблению прямоточных систем;

- водоемы требуют больших площадей и значительных капитальных затрат на их

сооружение.

Потери воды из оборотных систем охлаждения с водохранилищами состоят из

объемов фильтрации из водохранилища через ложе и ограждающие дамбы, а также

естественное и дополнительное (за счет сброса нагретой воды) испарение с зеркала

водохранилища. Для наливных и отсечных водоемов необходимо также учитывать

объемы продувки, которые зависят от степени упаривания воды.

Таблица 2.11 - Ориентировочные потери воды с дополнительным испарением в водоемах-

охладителях, в % от расхода циркуляционной воды ([14])

Перепад температур, °C

Сезон

Лето

0,5

0,9

1,4

1,9

2,3

Весна и осень

0,3

0,7

1,0

1,4

1,7

Зима

0,2

0,4

0,7

0,9

1,1

Для водоемов-охладителей существуют проблемы их заиления и зарастания

водной растительностью, что ухудшает охлаждающую способность прудов. Кроме того,

водная растительность, попадая к водозаборным сооружениям, забивает очистные

сетки водоприемников и загрязняет теплообменники, требуя их более частой очистки.

Зарастание прудов зависит от их глубины, колебания горизонта воды, грунтов, химиче-

ского состава воды и температурного режима прудов. Зарастанию способствует плохая

подготовка чаши пруда к затоплению и наличие на берегах водоема деревьев, кустов,

пней и пр.

Борьба с растительностью производится, как правило, механическим и биологи-

ческим способами. О применении химических способов не сообщается. Их применение

ограничено в связи с тем, что водоемы-охладители, как правило, используются

не только для целей охлаждения, но и для других целей. Наиболее часто сообщают о

применении биологических методов борьбы с растительностью в водоемах путем все-

ления определенных растительноядных видов рыбы. Зарыбление осуществляется на

основании рыбно-биологического обоснования и по согласованию с государственными

органами.

Заиление приводит к уменьшению глубин пруда, обмелению и выключению из

работы отдельных его участков.

Причинами заиления пруда являются:

а) отложение наносов, приносимых рекой;

б) твердый сток с собственной площади водосбора;

в) размыв берегов;

г) отмирание водной растительности.

Работы по очистке и углублению пруда производятся с помощью плавучих зем-

лесосов (земснарядов).

Сложность и высокая стоимость работ по очистке вызывают необходимость

предусматривать при проектировании комплекс мероприятий, предупреждающих ин-

тенсивное заиление водоемов-охладителей. К ним относятся: берегоукрепительные

работы па участках, подверженных размыву; организация стока ливневых вод в пруд

путем устройства водоотводных канав; запрещение распашки берегов; сооружение от-

стойников в местах, где возможен вынос в пруд наносов и т. п.

2.3.6 Оборотные ПСО с брызгальными бассейнами

Конструкция

Брызгальные устройства представляют собой систему сопл, разбрызгивающих

подводимую к ним под напором воду, подлежащую охлаждению. Охлаждение воды в

брызгальных устройствах происходит с поверхности водяных капель, образующихся

при разбрызгивании при помощи сопл. Суммарная поверхность капель должна быть

достаточной для охлаждения воды, которое происходит в результате ее испарения при

контакте с воздухом, поступающим к брызгальному устройству благодаря ветру и есте-

ственной конвекции.

Брызгальные бассейны состоят из системы трубопроводов, на которых устанав-

ливаются разбрызгивающие сопла, и бассейна для сбора охлажденной воды.

Конструкция сопла и величина напора воды перед ним определяют поверхность

охлаждения водяного факела. При повышении напора она увеличивается за счет

удлинения траекторий полета капель и уменьшения их диаметра. Однако повышение

напора связано с ростом затрат электроэнергии, расходуемой циркуляционными насо-

сами, а также с увеличением уноса мелких капель ветром за пределы бассейна.

В бассейне, как правило, не менее двух секций. Каждая секция должна иметь

переливную трубу для предотвращения переполнения бассейна и выпуск для его опо-

рожнения.

Глубину воды в брызгальном бассейне обычно принимают равной 1,5 м. Бровка

бассейна должна возвышаться над уровнем воды не менее чем на 0,3 м.

Одежда откосов и дна бассейнов должна предотвращать фильтрацию через них

воды. При слабоводопроницаемых грунтах применяют облицовку из железобетонных

плит или слоя асфальтобетона. При сильноводопроницаемых грунтах по подготовке из

бетона укладывают слой гидроизоляции из асфальтовой мастики, или слой гидроизола

на клебемассе. или слой битумных матов. Гидроизоляцию защищают сверху бетонны-

ми или железобетонными плитами.

Вокруг бассейна устраивают асфальтированную площадку шириной 3-5 м с

уклоном в сторону бассейна для частичного возврата капельного уноса.

При размещении брызгального устройства над водоемом вблизи берега берего-

вой откос во избежание его размыва следует планировать и укреплять.

Применение брызгальных бассейнов требует значительных площадей. Необхо-

димая площадь брызгальных бассейнов составляет в среднем 0,8-1,3 м² на 1 м³/ч

охлаждающей воды, что соответствует гидравлической нагрузке 0,77-1,25 м³/ч на 1 м²

бассейна. При этом необходимо отметить, что площадь брызгальных бассейнов при-

мерно в 40 раз меньше водоема-охладителя с такой же производительностью тепло-

отдачи.

Рисунок 2.20 - Брызгальный бассейн⁵⁾

Эксплуатационные характеристики

ПСО с брызгальными бассейнами обладают сравнительно низкой и неустойчи-

вой охлаждающей способностью, зависящей от направления и скорости ветра. Поэто-

му в районах с продолжительными штилями в летнее время, а также при расположе-

нии брызгальных устройств на территории, где строения преграждают свободному до-

ступу к ним воздуха, их применение ограничено.

На брызгальных устройствах напор воды принимается равным 5-8 м вод. ст. и

осуществляется при помощи разбрызгивающих тангенциальных сопл бутылочного ти-

па, образующих высокий факел.

Регулирование производительности брызгальных бассейнов осуществляется по-

средством изменения доли воды, направляемой в бассейн через разбрызгивающие

сопла и через холостые водовыпуски.

Температура охлажденной воды зимой в брызгальных устройствах должна под-

держиваться не ниже 10 °C, а рабочий напор у сопл должен понижаться до 1/3 расчет-

ного для уменьшения выноса воды и предотвращения обледенения соседних сооруже-

⁵⁾ По материалам НПФ «Пульсар».

ний, дорог и линий электропередач путем сброса части воды из магистральных труб в

водосборный бассейн через холостые водовыпуски.

Потери воды в брызгальных бассейнах выше, чем в градирнях, за счет повы-

шенного капельного уноса. Наличие капельного уноса и парового факела требует рас-

положения бассейнов на значительных расстояниях от зданий и сооружений.

Экологические аспекты

Для брызгальных бассейнов характерны экологические аспекты всех водных

оборотных ПСО. При этом отмечается повышенные безвозвратные потери воды, и

сравнительно большие площади, занимаемые бассейнами.

Область и ограничения для применения

Отмечаются следующие характеристики брызгальных бассейнов, влияющие на

возможность и целесообразность их применения:

- простота строительства и сравнительно низкие капитальные затраты;

- простота эксплуатации;

- сравнительно низкая охлаждающая способность, зависящая от скорости и

направления ветра;

- местные климатические условия, характеризующиеся низкими скоростями вет-

ра, продолжительными периодами штиля в летний период, ограничивают применение

брызгальных бассейнов;

- необходимость значительных открытых незастроенных площадей, удаленных

от зданий, дорог и сооружений для размещения бассейнов;

2.4 Воздушные радиаторные ПСО

В воздушных (сухих, радиаторных) ПСО охлаждаемое вещество (жидкость, пар)

циркулирует по змеевикам или трубам, которые охлаждаются потоком воздуха. Воз-

душный поток может создаваться за счет естественной конвекции (естественная тяга)

или вентиляторами (принудительная тяга). Из-за низких значений коэффициентов теп-

лопередачи через стенки теплообменников для получения необходимой поверхности

охлаждения металлоемкость и стоимость радиаторных градирен в 1,5-2,0 раза выше,

чем у испарительных градирен. Обычно сухие воздушные системы охлаждения приме-

няются в случаях:

- температура охлаждаемой среды достаточно высока, что позволяет уменьшить

площадь теплообмена;

- когда вода для подпитки водной испарительной системы охлаждения недоступ-

на или дорога;

- если необходимо полностью исключить образование парового факела.

В зависимости от области применения закрытые оборотные воздушные системы

охлаждения состоят из труб (возможно с плавниками), змеевиков или трубопроводов

конденсатора, вентиляторов с двигателями и несущей стальной конструкции или гра-

дирни. Непосредственно рабочая среда (в прямых системах) или охлаждающий агент

(в непрямых системах) циркулируют по трубам. Воздушный поток, созданный есте-

ственной циркуляцией воздуха или вентиляторами, протекает между трубами, охла-

ждая, таким образом, среду посредством теплопроводности и конвекции. Обычно поток

воздуха направлен поперек труб теплообменника. Рабочая среда проходит теплооб-

менник один или несколько раз. Если рабочая среда - пар и он конденсируется в ра-

диаторе, то систему охлаждения называют воздушным конденсатором.

Производительность охлаждения

На практике охлаждение воздухом часто используется для охлаждения высоко-

температурных процессов (> 80 °C) до уровня температур, при котором водяное охла-

ждение становится более эффективным. Движущая сила теплообмена - разность

температур охлаждающего воздуха и рабочей среды процесса. Максимальная проект-

ная температура охлаждающего воздуха может на практике быть превышена только в

течение нескольких часов ежегодно. Расчетная температура зависит от температуры

окружающего воздуха, очень важны и другие климатические характеристики.

Поскольку теплоемкость (1 кДж/(кг·°C)), коэффициент теплопроводности и кон-

векции воздуха низки, для теплопередачи необходим большой расход воздуха и боль-

шая поверхность теплообмена, больше, чем при использовании водных систем. По-

этому поверхность труб часто снабжают оребрением или плавниками для того, чтобы

увеличить эффективную поверхность теплообмена. По экономическим соображениям в

проектах воздухоохладителей используется минимальное недоохлаждение 10 °C -

15 °C. Это обычно приводит к более высоким конечным температурам процесса (мини-

мум 40 °C - 45 °C), хотя в областях с более высокими температурами окружающего

воздуха недоохлаждения и конечные температуры превышают средние значения, упо-

мянутые в таблицах 2.1 и 2.2. Для непрямых конструкций соответственно увеличива-

ются недоохлаждение (13 °C - 20 °C) и достижимые конечные температуры (50 °C -

60 °C).

При одинаковой производительности воздушное охлаждение нуждается в боль-

шей поверхности теплообмена, чем водные системы охлаждения, кроме того, сухие

системы обычно более дороги. По оценкам капитальные затраты на «сухое» охлажде-

ние в 1,5-2 раза выше затрат на испарительное охлаждение. При сухом охлаждении

вакуум в поверхностном конденсаторе энергетических паровых турбин на 3 % - 4 %

хуже, чем при использовании испарительной градирни.

Экологические аспекты

Основные экологические аспекты радиаторных ПСО - прямое потребление

энергии вентиляторами и шум от них, относительно высокое косвенное влияние на

охладаемый процесс (его энергоэффективность, уровень воздействий на окружающую

среду) в связи с низкой эффективностью охлаждения. Вода практически

не потребляется, за исключением непрямых систем, где вода используется в качестве

промежуточного охлаждающего вещества. Однако, будучи закрытым, промежуточный

водный контур потребляет незначительные объемы воды.

При эксплуатации радиаторных ПСО образуются незначительные объемы отхо-

дов или сточных вод от очистки внешней поверхности радиаторов. Уровень экологиче-

ской безопасности этих отходов может быть снижен путем применения биоразлагае-

мых моющих веществ.

Области применения

Воздушные ПСО различной производительности применяются в различных от-

раслях промышленности: для охлаждения продукции в химической и нефтехимической

промышленности, для вакуумной конденсации на электростанциях и для охлаждения

отходящих газов. В энергетике воздушное охлаждение применяют в определенных си-

туациях, когда выработка энергии производится в местах с недостаточным количе-

ством воды для устройства водной системы охлаждения.

2.4.1 Вентиляторные сухие системы охлаждения

В вентиляторных воздушных (сухих) ПСО в качестве охладительных устройств

применяются радиаторные градирни или аппараты воздушного охлаждения воды

(АВО), иногда называемые сухими градирнями, которые состоят из элементов:

- радиаторов из оребренных алюминиевых, углеродистых, нержавеющих или ла-

тунных труб, по которым протекает охлаждаемая вода или другая жидкость;

- осевых вентиляторов, прокачивающих атмосферный воздух через радиаторы;

- воздухоподводящих патрубков, обеспечивающих плавный подвод воздуха к

вентилятору, и опорных конструкций;

- автоматизированная система управления подачи и рециркуляции воздуха;

- оборудование аварийного опорожнения теплообменных поверхностей.

Рисунок 2.21 - Схема воздушного конденсатора с принудительным наддувом

([9])

ABO различают по конструкции в зависимости от расположения трубных секций;

горизонтальные; зигзагообразные; вертикальные; шатровые. Наиболее широкое рас-

пространение получили аппараты горизонтального и зигзагообразного типов.

Для повышения эффективности теплоотдачи к потоку воздуха трубы калорифе-

ров снабжают оребрением.

АВО и градирни могут дополняться различными системами, повышающими их

эффективность: системами увлажнения воздуха, подаваемых на радиаторы, система-

ми управления привода вентилятора и подачи воздуха и т. п.

В радиаторных градирнях и АВО применяются различные типы вентиляторов, в

том числе диаметром 7 м, которые устанавливаются и на испарительных градирнях.

Радиаторные градирни применяются:

- при необходимости иметь закрытый, изолированный от атмосферного воздуха

контур циркуляции воды в системе оборотного охлаждения;

- при высоких температурах нагрева оборотной воды в технологических тепло-

обменных аппаратах, не допускающих ее охлаждения в градирнях испарительного ти-

па;

- при отсутствии или серьезных затруднениях в получении свежей воды на по-

полнение потерь в оборотных циклах.

Радиаторные градирни имеют более высокую стоимость, меньшую производи-

тельность, больший расход электроэнергии по сравнению с испарительными градир-

нями. В таблице 2.6 приведено сравнение технико-экономических показателей венти-

ляторных радиаторной градирни с водной испарительной. У радиаторной градирни ка-

питальные затраты, расход электроэнергии и площадь, занимаемая сооружениями на

генплане, значительно выше, чем у испарительной градирни.

Радиаторные вентиляторные градирни при одинаковом уровне охлаждения воды

имеют производительность в 5-30 раз меньше производительности испарительной

градирни при сравнимой стоимости.

Кроме того, эксплуатация радиаторных градирен усложняется, особенно в зим-

ний период из-за опасности замерзания циркуляционной воды при недостаточном ее

нагреве у потребителя или во время внезапного прекращения подачи воды циркуляци-

онными насосами. Для предупреждения замерзания воды в трубках радиаторов и их

повреждения требуется устройство емкостей для спуска воды из системы при аварий-

ных ситуациях в зимнее время или заполнение системы низкозамерзающими жидко-

стями (антифризами). Циркуляционный контур воды с радиаторными градирнями рабо-

тает, как правило, на умягченной воде. При аварийных ситуациях или при ремонте со-

оружений на циркуляционном контуре рекомендуется сливать воду из системы в какую-

либо емкость, а трубки калорифера высушить.

В то же время в оборотных ПСО с радиаторными градирнями и АВО практически

отсутствуют безвозвратные потери воды.

Таблица 2.12 - Сравнение технико-экономических показателей испарительной и радиаторной

градирен

Градирня

Показатель

испарительная

радиаторная

Количество охлажденной воды, м³/ч

2000,0

Температура нагретой воды, °C

40,0

Температура охлажденной воды, °C

28,0

Температура воздуха по влажному термо-

19,3

метру, °C

Количество воды, охлаждаемое секцией

640,0

200,0

градирни, м³/ч

Число секций градирни, установленных в

системе

Марка вентилятора

1ВГ 50

1ВГ 70

Мощность вентилятора, кВт

32,0

75,0

Количество свежей воды на восполнение

100,0

потерь, м³/ч

Количество свежей воды на увлажнение

52,5

воздуха или добавок, м³/ч

Занимаемая площадь, м²

3876,0

6480,0

Стоимость секции градирни, тыс. руб.

20,0

50,0

Капитальные затраты на все секции гра-

60,0

500,0

дирни, тыс. руб.

Потребление электроэнергии градирней

384,0

3000,0

при работе 4000 ч в год, тыс. кВт·ч

Характерные черты аппаратов воздушного охлаждения:

- тепловая производительность аппаратов регулируется изменением потока воз-

духа, проходящего через аппарат (угол наклона лопастей вентилятора, частота враще-

ния вентилятора, жалюзийная решетка и т. п.);

- применяется и принудительное нагнетание воздуха в аппарат и принудитель-

ная тяга;

- прямое потребление электроэнергии выше, чем у вентиляторных испаритель-

ных градирен;

- низкая теплопроизводительность, менее 100 МВт;

- конечная температура охлаждаемой жидкости почти линейно зависит от темпе-

ратуры охлаждающего воздуха;

- эксплуатационные расходы практически полностью состоят из затрат на элек-

троэнергию;

- основные экологические аспекты - шум и потребление энергии.

1 - трубная секция калорифера;

2 - диффузор;

3 - вентилятор;

4 - привод вентилятора;

5 - каркас;

6 - защитная решетка;

7 -коллектор для распыления воды.

Рисунок 2.22 - Аппарат воздушного охлаждения ([58])

Рисунок 2.23 - Пример применения АВО в химическом производстве

Конденсаторы с воздушным охлаждением широко применяются в энергетике и

на химических заводах для конденсации пара. Воздух подается вентиляторами в кон-

денсатор, где он охлаждает пар, входящий в трубные пучки конденсатора (Рису-

нок2.23). В непрямой системе конденсатор охлаждается потоком воды, которая, в свою

очередь, охлаждается в градирне.

Характеристики воздушных конденсаторов:

- применяются для отведения тепла от различных по размеру установок;

- нет необходимости в охлаждающей воде;

- прямое потребление энергии, считается, выше, чем системами с мокрыми гра-

дирнями;

- относительно небольшая общая высота;

- необходима значительная площадь в непосредственной близости от парогене-

ратора;

- адаптация к изменениям нагрузки и температуры в больших диапазонах требу-

ет применения вентиляторов с переменной скоростью вращения;

- экологические аспекты, в частности шум и потребление энергии.

Аппараты воздушного охлаждения (АВО) широко применяются в компрессорных

станциях, применяемых для транспортировки природного газа. Наибольшее распро-

странение на компрессорных станциях получили схемы с использованием аппаратов

воздушного охлаждения АВО (рисунок 2.25). Глубина охлаждения технологического га-

за ограничена температурой наружного воздуха, что особенно сказывается в летний

период эксплуатации. Естественно, что температура газа после охлаждения в АВО

не может быть ниже температуры наружного воздуха.

Взаимное расположение теплообменных секций и вентиляторов для прокачки

воздуха практически и определяет конструктивное оформление АВО. Теплообменные

секции АВО могут располагаться горизонтально, вертикально, наклонно, зигзагообраз-

но, что и определяет компоновку аппарата.

1 - воздушный холодильник газа; 2 - свеча;

3, 4 - коллекторы входа и выхода газа

Рисунок 2.26 - Схема подключения аппарата воздушного охлаждения (при

нижнем расположении вентилятора)

Рисунок 2.27 - Аппарат воздушного охлаждения газа компрессорной станции с

верхним расположением вентилятора: 1 - теплообменная поверхность; 2 -

вентилятор; 3 - патрубок; 4 - диффузор; 5 - клиноременная передача; 6 -

электродвигатель

АВО работает следующим образом: на опорных металлоконструкциях закрепле-

ны трубчатые теплообменные секции. По трубам теплообменной секции пропускают

транспортируемый газ, а через межтрубное пространство теплообменной секции с по-

мощью вентиляторов, приводимых во вращение от электродвигателей, прокачивают

наружный воздух. За счет теплообмена между нагретым при компремировании газом,

движущимся в трубах, и наружным воздухом, движущимся по межтрубному простран-

ству, и происходит охлаждение технологического газа.

Опыт эксплуатации АВО на КС показывает, что снижение температуры газа в

этих аппаратах можно осуществить примерно на 15 °C - 25 °C. Одновременно, опыт

эксплуатации указывает на необходимость и экономическую целесообразность наибо-

лее полного использования установок охлаждения газа на КС в годовом цикле эксплуа-

тации, за исключением тех месяцев года с весьма низкими температурами наружного

воздуха, когда включение всех аппаратов на предыдущей КС приводит к охлаждению

транспортируемого газа до температуры, которая может привести к выпадению гидра-

тов. Обычно это относится к зимнему времени года.

Уменьшение температуры технологического газа, поступающего в газопровод

после его охлаждения в АВО, приводит к уменьшению средней температуры газа на

линейном участке трубопровода и, как следствие, к снижению температуры и увеличе-

нию давления газа на входе в последующую КС. Это, в свою очередь, приводит к

уменьшению степени сжатия на последующей станции (при сохранении давления на

выходе из нее) и энергозатрат на компремирование газа по станции.

Очевидно также, что оптимизация режимов работы АВО должна соответствовать

условию минимальных суммарных энергозатрат на охлаждение и компремирование га-

за на рассматриваемом участке работы газопровода.

Таблица 2.13 - Характеристики применяемых АВО

Значения

Единица

Характеристика

измерения

Тип 1

Тип 2

Тип 3

Массовый расход газа

т/ч

196

209

196,9

Рабочее давление

МПа

7,36

Коэффициент теплопередачи

Вт/(м² ^K)

Поверхность теплообмена

м²

9930

9500

10793

Число ходов газа

Общее число труб

540

476

582

Длина труб

11,2

Внутренний диаметр труб

мм

21,2

Сумма коэффициентов местных

5,0

5,5

5,8

сопротивлений

Количество вентиляторов

Производительность вентилято-

м³/ч

820

800

564,5

ров,

Напор вентиляторов

Па

7,2

Мощность вентиляторов

кВт

105,6

Масса аппарата

тонн

2.4.2 Радиаторные градирни с естественной тягой

Радиаторные градирни с естественной тягой (градирни Геллера) по принципам

действия не отличаются от радиаторных охладителей с вентиляторной тягой за исклю-

чением способа создания потока воздуха. Радиаторные ПСО с естественной тягой

применяются в вариантах прямого и непрямого охлаждения. В прямой системе охла-

ждаемое вещество подается непосредственно в радиатор (аппарат воздушного охла-

ждения или воздушный конденсатор). В непрямой системе (рисунок 2.24) охлаждаемое

вещество передает тепло в промежуточный оборотный контур. Затем вещество, кото-

рым заполнен промежуточный контур, передает тепло атмосферному воздуху в радиа-

торной градирне.

Рисунок 2.28 - Непрямая радиаторная система охлаждения паровой турбины

Система с естественной тягой имеет следующие преимущества по сравнению с

системой сухого охлаждения с принудительной тягой:

- применение градирни с естественной тягой имеет более низкое потребление

энергии (отсутствует необходимость применения вентиляторов). Отмечают, что при

применении сухих систем охлаждения на энергогенерирующих установках замена вен-

тиляторной тяги на естественную приводит к увеличению эффективности производства

электроэнергии на 2 %;

Рисунок 2.30 - Пример воздушной градирни с естественной тягой на угольной

электростанции в Китае

2.4.3 Радиаторные градирни с орошением

Радиаторные градирни с орошением можно рассматривать как модификацию

вентиляторных или башенных радиаторных систем охлаждения. Они дополнены обо-

ротными водными системами, применяемыми для предварительного снижения темпе-

ратуры и повышения влажности охлаждающего воздуха и/или орошения радиаторов.

Целью применения воды в этих ПСО является снижение температуры охлаждения.

Радиаторные градирни с орошением объединяют преимущества замкнутого кон-

тура с существенной экономией воды по сравнению с испарительными градирнями.

В то же время, возможно достижение более низких температур охлаждения по сравне-

нию с воздушными радиаторными охладителями. По объемам потребления энергии и

шумовым характеристикам они сравнимы с вентиляторными мокрыми градирнями. Как

правило, вода, применяемая радиаторных системах с орошением, требует предвари-

тельной подготовки: очистки и обессоливания.

Имеются экспериментальные данные по энергоблоку 100 МВт с системой охла-

ждения с радиаторными градирнями с орошением. При орошении только 5 % от общей

площади теплообменной поверхности, общий теплосъем на сухой башенной градирне

с естественной тягой увеличивался почти на 12 %. При этом, за счет снижения темпе-

ратуры циркуляционной воды на 5,5 °C и соответствующего увеличения вакуума в кон-

денсаторах, обеспечивалось поддержание мощности энергоблока на номинальном

уровне (100 МВт). При отсутствии орошения мощность энергоблока снижалась на

2 МВт. Потребление воды при этом составило около 52 м³/ч или около 26 л на 1 кВт·ч.

Орошение всей поверхности радиаторов повышает теплопроизводительность градир-

ни в 3 раза.

Одним из недостатков данной системы охлаждения является необходимость

применения для орошения обессоленной воды, что позволяет избежать образования

на поверхности радиаторов солевых отложений. Учитывая очень большую площадь

поверхности радиаторов, в случае образования отложений их удаление будет очень

трудоемкой задачей. Дополнительные затраты на создание и эксплуатацию систем

орошения компенсируются снижением величины недоохлаждения и косвенного по-

требления энергии. В вентиляторных градирнях во время орошения радиаторов воз-

можно снижение скорости вращения вентиляторов, что может обеспечить снижение

потребления ими энергии. Радиаторные градирни с орошением также позволяют ре-

шить проблемы образования парового факела, так как при наступлении условий для

образования видимого факела система орошения может быть отключена.

Раздел 3. Экологические аспекты ПСО

3.1 Виды экологических аспектов ПСО

Интенсивность экологических аспектов, масштаб воздействий на окружающую

среду промышленных систем охлаждения различны для каждого из типов и конструк-

ций, описанных в главе 2. В целях сравнения ПСО различных типов и идентификации

НДТ охлаждения в данном справочнике НДТ рассматриваются следующие виды эколо-

гических аспектов и воздействий на окружающую среду ПСО:

1) косвенное влияние ПСО на потребление энергии и ресурсов охлаждаемым

технологическим оборудованием и показатели его экологической безопасности;

2) прямое потребление энергии оборудованием ПСО;

3) безвозвратное потребление водных ресурсов;

4) влияние на тепловое состояние водных объектов;

5) ущерб водным организмам на водозаборах;

6) сброс загрязняющих веществ с охлаждающей водой в поверхностные водое-

мы;

7) выбросы загрязняющих веществ в атмосферу;

8) образование парового факела;

9) шум;

10) риски утечек загрязняющих веществ в окружающую среду;

11) риски микробиологического загрязнения окружающей среды;

12) образование отходов.

В каждом случае экологическую значимость этих аспектов и проблем нужно рас-

сматривать в свете полной экологической результативности всего производственного

объекта, включая аспекты охлаждаемого производственного процесса. Не все аспекты

одинаково значимы для каждой из систем, например, потребление водных ресурсов и

образование парового факела несущественны для воздушных систем охлаждения.

Экологические аспекты и проблемы, которые потенциально являются значимыми и

должны быть приняты во внимание при идентификации НДТ ПСО, приведены в табли-

це 3.1. Интенсивность и значимость каждого экологического аспекта может быть сни-

жена применением специальных мер, однако в таблице 3.1 указаны аспекты, которые

являются потенциально значимыми без учета влияния этих специальных мер. Харак-

тер и уровень воздействия на окружающую среду ПСО определяется не только типом и

3.2 Потребление энергии

Потребление энергии промышленными системами охлаждения можно разделить

на прямое и косвенное. Прямое энергопотребление ПСО - потребление электроэнер-

гии оборудованием ПСО, в основном, насосами и вентиляторами. Прямое потребление

ПСО электроэнергии зависит от:

- расхода охлаждающей среды (воды и/или воздуха);

- аэродинамического сопротивления воздушного тракта и гидравлического со-

противления водного тракта ПСО и необходимой высоты подъема воды;

- КПД насосов и вентиляторов;

- энергоэффективности приводов насосов и вентиляторов.

Эти параметры могут определяться как конструкцией ПСО, так и качеством их

технического обслуживания и методами эксплуатации и управления.

Если ПСО, в силу конструктивных особенностей или применяемых методов экс-

плуатации, не может обеспечить потребности технологического оборудования в отве-

дении избыточного тепла, это, как правило, ведет к нарушению работы технологиче-

ского оборудования, повышению потребления производственным процессом энергии

или сырья. Потребление энергии охлаждаемым производственным процессом, зави-

сящее от эффективности работы ПСО, называется косвенным потреблением энергии.

Для его оценки необходим анализ полного энергетического баланса системы охлажде-

ния и охлаждаемого производственного оборудования.

3.2.1 Прямое потребление электроэнергии

Потребление электроэнергии ПСО характеризуется удельным потреблением

электроэнергии в кВт·ч на единицу отведенного тепла в МВт·ч или кВт(эл)/МВт(тепл).

Удельное потребление электроэнергии может изменяться в широком диапазоне и за-

висит от типа системы охлаждения, ее конструкции и методов технического обслужи-

вания и эксплуатации. Существенное значение имеют также местные климатические

условия: система охлаждения в более теплом климате обычно потребляет больше

энергии, чем в более прохладных климатических областях. Основные потребители

электроэнергии в системах охлаждения:

- насосы (используемые во всех водных системах) для подпитки и поддержания

циркуляции охлаждающей воды. Их энергопотребление определяется объемом пере-

качиваемой воды и создаваемым давлением. Непрямые системы имеют два контура и

поэтому нуждаются в большем количестве насосов. В случае использования градирен

необходимое давление воды больше, что требует большего количества энергии по

сравнению с прямоточной системой;

- вентиляторы используются во всех градирнях и конденсаторах с принудитель-

ной тягой. Их энергопотребление определяется количеством, размером и типом венти-

ляторов, объемом и создаваемым давлением воздуха. Сухие системы, как правило,

нуждаются в большем количестве воздуха при той же производительности охлажде-

ния, чем водные системы, хотя это не обязательно приводит к более высокому потреб-

лению энергии.

Методы, применяемые для повышения энергоэффективности работы насосов,

вентиляторов и их приводов, описаны в справочнике НДТ «Повышение энергетической

эффективности при осуществлении хозяйственной и (или) иной деятельности».

3.2.2 Косвенное влияние на энергопотребление охлаждаемого

оборудования

Потребление энергии охлаждаемым производственным оборудованием считает-

ся косвенным потреблением энергии, связанным с процессом охлаждения. При неэф-

фективном охлаждении оборудования потребление им энергии увеличивается. Ухуд-

шенная теплопередача (например, из-за загрязнения) повысит температуру технологи-

ческого оборудования и приведет к росту потребления энергии. Недостаточная эффек-

тивность охлаждения приводит к потерям продукции и снижает эффективность техно-

логического процесса. На ТЭС из-за ухудшения охлаждения конденсатора выработка

энергии может снизиться на 0,25 %, что эквивалентно снижению эффективности при-

близительно на 0,4 % на градус. По результатам опроса российских ТЭС получены

сведения о среднем значении пережога топлива при повышении температуры охла-

ждающей воды на 1 °C 0,84 г условного топлива. Если применяется открытая испари-

тельная градирня, а не прямоточная система, конечная температура охлаждения по-

высится на 5 °C, что приведет к снижению выработки максимально на 2 %. Если учесть

также разницу в объеме энергии, потребляемой оборудованием ПСО, которая состав-

ляет 6-8 кВт на 1 МВт отводимого тепла, это дает еще один процент потерь эффек-

тивности.

Таблица 3.15 - Влияние температуры оборотной воды на работу технологического

оборудования ([21])

Характер изменения температуры воды

Влияние на показатели работы оборудования

Снижение температуры воды, пода-

Уменьшение на 1,2-2 г расхода условного

ваемой на конденсаторы турбин КЭС,

топлива на выработку 1 кВт·ч электроэнергии

на 1 °C

Повышение температуры воды, пода-

Снижение вакуума в конденсаторах на 0,5 %,

ваемой на конденсаторы ТЭС, на 1 °C

что равноценно снижению мощности турбины

на 0,4 % или перерасходу пара на 0,5 %

Снижение температуры воды, пода-

Уменьшение на 2 % - 4 % расхода электро-

ваемой на конденсаторы компрессор-

энергии на привод компрессоров

ных холодильных станций, на 1 °C

Снижение температуры воды, пода-

Уменьшение расхода пара с 3,4 до 2,1 т на

ваемой на конденсаторы пароэжекци-

4 ГДж вырабатываемого холода

онных холодильных станций, на 7 °C

(с 27 °C до 20 °C)

Снижение температуры воды при

Уменьшение на 23 % площади поверхности

расчетах размеров теплообменной

охлаждения теплообменников и на 20 % рас-

аппаратуры предприятий нефтехимии

хода металла на их изготовление

на 5 °C (с 30 °C до 25 °C)

Снижение температуры воды на уста-

Увеличение выработки топливно-

новке пиролиза нефти мощностью

энергетических ресурсов в год на 518 тыс.

340 тыс. т/год на 2,3 °C

долларов США

Недоохлаждение воды в летний пе-

Уменьшение среднегодовой выработки каль-

риод относительно ее расчетной тем-

цинированной соды примерно на 3,4 %, амми-

пературы на предприятиях по выра-

ака - на 10 %, метанола - на 8 %, сернистого

ботке химической продукции

натрия - на 4,5 %, уксусной кислоты - на

11 %.

Данные в таблице 3.2 получены, как правило, из сравнения различных систем

охлаждения с одинаковой производительностью. Эти данные неточны и являются

оценкой уровня влияния эффективности охлаждения на полный энергетический баланс

производственного объекта. Цель оценки - показать важность учета не только прямо-

го, но и косвенного потребления энергии при оценке и сравнении ПСО.

В соответствии с указаниями ([47]) из всех параметров, определяющих в услови-

ях эксплуатации экономичность паротурбинной установки, наибольшее влияние оказы-

вает давление отработавшего пара, которое зависит от внешних условий - темпера-

туры охлаждающей воды, режима работы конденсационной установки (паровой нагруз-

ки, кратности охлаждения) и в значительной степени от чистоты поверхности охлажде-

ния конденсатора. Ухудшение вакуума, связанное с загрязнением поверхности охла-

ждения конденсаторов, достигает на электростанциях 1¸2 %, а в некоторых случаях,

при особенно плохом качестве воды - 3¸4 %. Снижение мощности различно для раз-

личных типов турбин и зависит от многих причин - главным образом от типа и кон-

струкции последней ступени, длины и формы рабочей лопатки.

В определенном диапазоне изменения давления отработавшего пара зависи-

мость изменения мощности от давления в конденсаторе при заданном расходе пара

имеет прямолинейный характер; изменение мощности при изменении давления в кон-

денсаторе в этом диапазоне является для данного типа турбины величиной постоян-

ной.

Для турбин ТЭС с начальным давлением пара 13-24 МПа (130-240 кгс/см2) и

перегревом пара изменение мощности при изменении давления в конденсаторе на

1 кПа (0,01 кгс/см2) составляет примерно 0,8 % - 0,9 % номинальной мощности. Для

турбин АЭС, работающих на насыщенном паре с давлением 4,4-6,5 МПа с располага-

емым теплопадением примерно вдвое меньшим, чем для турбин с перегретым паром,

изменение давления в конденсаторе более существенно сказывается на изменении

мощности турбины. Так, для турбин АЭС с частотой вращения 3000 об/мин мощность

турбины при изменении давления в конденсаторе на 1 кПа изменяется примерно на

1,8 %. Но для турбин с частотой вращения 1500 об/мин в силу особенностей аэроди-

намической характеристики рабочей лопатки последней ступени (большая длина, зна-

чительная веерность) изменение мощности значительно меньше и приблизительно

уравнивается со значением для турбин ТЭС на органическом топливе.

В таблице 3.3 приведены данные по изменению мощности турбоагрегата при из-

менении давления в конденсаторе на ±1 кПа в пределах прямолинейных участков по-

правочных кривых на давление в конденсаторе, там же приведено изменение удельно-

го расхода теплоты при номинальной нагрузке конденсационных турбин.

Таблица 3.16 - Изменение мощности турбоагрегатов при изменении давления в конденсаторе

на ±1 кПа ([47])

Изменение

Изменение мощ-

Турбина

удельного расхо-

Тип электростанции

ности, кВт (±)

да теплоты, % (±)

К-50-90 ЛМЗ

450

0,90

КЭС

K-100-90 ЛМЗ

900

0,90

K-100-90 ХТЗ

1000

1,00

K-160-130 ХТЗ

1170

0,73

K-200-130 ЛМЗ

1900

0,95

КЭС

К-300-240 ХТЗ

3340

1,11

К-300-240 ЛМЗ

2760

0,92

К-500-240 ХТЗ

3880

0,78

К-500-240 ЛМЗ

3680

0,74

К-800-240 ЛМЗ

4940

0,62

T-50-130 ПО ТМЗ

400

0,80*

ТЭЦ

ПТ-60-130 ЛМЗ

450

0,90*

ПТ-80/100-130/13 ЛМЗ

450

0,56*

T-100-130 ПО ТМЗ

725

0,73*

Т-250-240 ПО ТМЗ

1830

0,70*

К-220-44 ХТЗ (3000 об/мин)

3980

1,81

С влажно-

паровыми турби-

К-500-65/3000 ХТЗ

7960

1,59

нами

К-750-65/3000 ХТЗ

8900

1,19

К-600-60/1500 ХТЗ

4250

0,85

К-1000-60/1500-1 ХТЗ (3

10350

1,04

ЦНД)

K-1000-60/1500-2

К-1000-60/1500-3 ХТЗ (2

8300**

0,83

ЦНД)

* При работе в конденсационном режиме.

** По расчету завода-изготовителя оборудования.

100

Таблица 3.17 - Пример сравнения среднегодового удельного прямого и косвенного потребления энергии различными системами

охлаждения и выбросов CO2 на МВт(тепл) ([9])

Удельное прямое потребление энергии,

Удельное

кВт/МВт(тепл)

косвенное

потребле-

ние энер-

Полное по-

гии, рас-

требление

Выбросы

считанное с

энергии

Увеличен-

Эввод на

СО2,

Система охлаждения

учетом ко-

(прямое +

Вентилято-

ная T, °C

Эрасс., ‰

т/год/MВт(т

эффициен-

косвенное),

Насосы

Итого

ры

епл)

та

кВт/МВт(те

1.4 кВт/МВт

пл)

(тепл) °C,

кВт/МВт(те

пл)

Прямоточная прямая

10 (9-12)

Прямоточная непрямая

15 (12-18)

110

Открытая мокрая гра-

15 (13-17)

136

дирня

Гибридное охлаждение

15 (13-17)

150

Закрытая оборотная

>15 (13-17)

>23

>34

>85

>170

градирня

Воздушное охлаждение

120

240

3.2.3 Применяемые методы снижения потребления энергии системами

охлаждения

Комплексные меры в пределах производственного процесса по повторному ис-

пользованию тепла могут снизить объем избыточного тепла. При этом снижается про-

ектная производительность ПСО, что приводит к снижению прямого и косвенного по-

требления энергии. Более эффективное оборудование и правильная эксплуатация си-

стемы охлаждения, обеспечивающие минимально достижимые температуры охлажда-

емого процесса, позволяют достигнуть дальнейшего снижения энергопотребления.

Объем потребления энергии в большой степени определяется выбором типа и

конструкции системы охлаждения. Это очень сложный вопрос, требующий учета многих

факторов, поэтому дать общее решение трудно.

На практике снжения энергопотребления ПСО применяется следующие меры:

- при проектировании ПСО необходимо по возможности снижать гидравлическое

и аэродинамическое сопротивление трактов воды и воздуха;

- в вентиляторных градирнях - выбор типа и расположения вентиляторов и

обеспечение возможности регулирования расхода воздуха;

- выбор оросителя градирен, обеспечивающего максимальный теплообмен при

любых режимах;

- выбор каплеуловителей с минимальным аэродинамическим сопротивлением;

- предотвращение образования механических, солевых и биологических отложе-

ний в теплообменниках.

Замена материалов и изменения в конструкции, видимо, не дает рентабельных

вариантов для снижения потребления энергии в существующих системах охлаждения,

особенно крупных. Замена элементов градирни (вентиляторов, оросителей и сепара-

торов уноса) является приемлемым способом в некоторых случаях. Для небольших си-

стем, например, открытых и закрытых водных оборотных систем охлаждения, которые

предлагаются рынком в заводском изготовлении и сборке, замена системы охлаждения

технически намного проще.

По результатам опроса не было получено информации относительно методов

снижения потребления энергии посредством применения вентиляторов с низким энер-

гопотреблением или повышения гибкости эксплуатации. В информации поставщиков

могут быть найдены данные о доступных типах вентиляторов и их мощности. Советуют

применять вентиляторы, которые могут эксплуатироваться при переменных скоростях

102

или системы с несколькими вентиляторами, которые предоставляют большие возмож-

ности по регулированию расхода воздуха.

Относительно влияния аэродинамического сопротивления водоуловителей на

энергопотребление вентиляторов, считается, что разница между различными кон-

струкциями сепараторов и их действительное влияние на производительность венти-

ляторов нуждается в осторожном рассмотрении, принимая во внимание местные усло-

вия. Это значит, что при оценке преимуществ различных оросителей должна быть вы-

полнена комплексная оценка с учетом конструкции градирни и прохождения потока че-

рез вентиляторы и сепараторы уноса.

Практика свидетельствует о явном влиянии качества обслуживания ПСО на по-

требление ими энергии. Обычно для водных систем охлаждения это означает надле-

жащую обработку циркуляционной воды с целью снижения сопротивлений в системе

из-за отложений, коррозии, загрязнений и т. д. Соответствующая обработка охлажда-

ющей воды снижает прямое и косвенное потребление энергии.

3.3 Водопользование

3.3.1 Виды водопользования

Вода наиболее часто используется в ПСО в качестве промежуточного охлажда-

ющего агента в связи с ее благоприятными экологическими и термодинамическими

свойствами. Вода нетоксична и обладает относительно высокими значениями удель-

ной теплоемкости и теплоты парообразования. В то же время использование воды

различными типами систем охлаждения существенно различаются по способам и воз-

действию на состояние водных объектов. В связи с этим необходимо уточнить значе-

ния специальных терминов, обозначающих различные способы использования водных

ресурсов.

В технической литературе, документах стандартизации и нормативных правовых

документах используются различная терминология для обозначения способов исполь-

зования водных ресурсов. В данном справочнике НДТ используется терминология,

определенная нормативными правовыми актами Российской Федерации.

По способу использования водных объектов Водный кодекс подразделяет водо-

пользование на:

1) водопользование с забором (изъятием) водных ресурсов из водных объектов

при условии возврата воды в водные объекты (возвратное водопользование);

103

2) водопользование с забором (изъятием) водных ресурсов из водных объектов

без возврата воды в водные объекты (безвозвратное водопользование);

3) водопользование без забора (изъятия) водных ресурсов из водных объектов.

Водопользование с забором воды при условии ее возврата в водный объект,

называемое иногда возвратным водопользованием, не создает рисков истощения вод-

ных ресурсов. В то же время для комплексной оценки влияния данного способа водо-

пользования на водные объекты необходимо учитывать качество возвратных вод, так

как в процессе использования воды могут изменяться ее химический состав, физиче-

ские свойства, например, температура, микробиологические свойства.

Водопользование с забором воды без ее возврата в водный объект не создает

рисков загрязнения водного объекта, однако может приводить к истощению водных

объектов, что может быть особенно существенно для регионов с недостатком водных

ресурсов. Водопользование с забором воды без ее возврата в водный объект иногда

называют безвозвратным водопользованием или безвозвратными потерями воды.

Водопользование без забора воды включает использование акватории водных

объектов для:

- строительства различных сооружений, в том числе гидротехнических сооруже-

ний;

- размещения стационарных и (или) плавучих платформ, искусственных остро-

вов на землях, покрытых поверхностными водами; строительства гидротехнических со-

оружений, мостов, а также подводных и подземных переходов, трубопроводов, под-

водных линий связи, других линейных объектов;

- разведки и добычи полезных ископаемых;

- проведения дноуглубительных, взрывных, буровых и других работ, связанных с

изменением дна и берегов водных объектов;

- сплава древесины;

- судоходства;

- осуществления аквакультуры (рыбоводства) и акклиматизации водных биоло-

гических ресурсов;

- рекреационных целей и т. п.

Как правило, эксплуатация ПСО не связана с водопользованием без забора во-

ды. Поэтому в дальнейшем рассматриваются только два первых способа водопользо-

вания, предусмотренных Водным кодексом.

Для водных оборотных систем характерно как возвратное, так и безвозвратное

водопользование. Часть воды, потребляемой такими системами, возвращается в вод-

104

ные объекты непосредственно или через централизованные системы канализации. Как

правило - это продувочные воды оборотных систем, с которыми из системы выводят-

ся избыточные соли. Безвозвратные потери в открытых испарительных системах с гра-

дирнями состоят из потерь с испарением, капельным уносом через башни и через воз-

духовходные окна.

Потери воды в градирнях на испарение Gи определяются по формуле:

Gи = k t Gж, м3/ч,

где k - коэффициент, учитывающий долю теплоотдачи испарением в общей

теплоотдаче, принимаемый в зависимости от температуры наружного воздуха по сухо-

му термометру от 0,001 до 0,0016.

Потери на капельный унос через башни:

- для градирен, оборудованных водоуловителем - равны или меньше 0,05 %;

- для градирен без водоуловителя равны 0,5 % - 0,8 % циркуляционного расхо-

да воды.

Потери воды на унос ветром через воздуховходные окна составляют 0,02 % -

0,05 % циркуляционного расхода воды (при средней скорости ветра до 3 м/с).

Для оборотных систем охлаждения с водоемами-охладителями безвозвратные

потери состоят из:

- фильтрации через ложе и дамбы водоема-охладителя;

- естественное и дополнительное (за счет повышения температуры воды, вы-

званного теплом, отводимым от охлаждаемого оборудования) испарение с зеркала во-

дохранилища.

Фильтрация воды из водохранилищ зависит от многих параметров, в значитель-

ной степени от фильтрующих свойств грунтов в его основании, которые изменяются в

очень широких пределах.

Таблица 3.18 - Ориентировочное значение коэффициента фильтрации из водохранилища в

зависимости от породы грунта

Значение коэффициента

Порода

фильтрации, м/сут.

Тяжелый суглинок

0,05

Легкий суглинок

0,05-0,1

Супесь

0,1-0,5

Лесс

0,25-0,5

Песок пылеватый

0,5-1,0

105

Значение коэффициента

Порода

фильтрации, м/сут.

Песок мелкозернистый

1,0-5,0

Песок среднезернистый

5,0-20,0

Песок крупнозернистый

20-50

Гравий

50-150

Галечник

100-500

Крупный галечник, лишенный песчаного заполнителя

500-1000

Водопользование прямоточных ПСО относится к возвратному водопользованию

с забором водных ресурсов из водных объектов при условии их возврата в водные

объекты.

Иногда при анализе водных балансов прямоточных систем учитывают так назы-

ваемые «потери на дополнительное испарение» в водном объекте за счет сброса

нагретой воды. Их величина зависит от многих параметров, но для оценки можно при-

нимать значение 1 % от расхода отводимой теплой воды. Необходимо подчеркнуть,

что эти «потери» происходят с поверхности водного объекта, за пределами прямоточ-

ных ПСО.

3.3.2 Применяемые методы снижения безвозвратного потребления воды

В данном разделе рассматриваются меры по снижению безвозвратного потреб-

ления воды. Аналогично энергопотреблению водопотребление нельзя рассматривать в

пределах водного баланса только ПСО. Снижение потребления воды непосредственно

ПСО может сопровождаться ростом безвозвратного потребления воды производствен-

ным объектом в целом. Например, использование прямоточной системы охлаждения

приводит к дополнительному испарению из водного объекта - приемника сбросного

тепла около 1 % от расхода циркуляционной воды. В то же время применение оборот-

ной испарительной системы с башенной градирней сопровождается потреблением

(безвозвратным изъятием из водного объекта) объемов воды порядка 1,5 % - 2 %.

При выборе методов снижения потребления воды необходимо учитывать влия-

ние способов и объемов водопотребления на другие характеристики и экологические

аспекты ПСО, в том числе:

- потребление энергии системами охлаждения и охлаждаемыми производствен-

ными процессами;

- сброс загрязняющих веществ в поверхностный водоем;

106

- необходимость подготовки и обработки циркуляционной воды;

- косвенные выбросы в атмосферу.

Объем потребления воды существенно зависит от типа применяемой ПСО. Не-

смотря на то, что наименьшие объемы воды потребляются воздушными радиаторными

системами, их применение ограничено в связи с высокими значениями прямого и кос-

венного энергопотребления, а также высокими затратами. Применение сухих систем

охлаждения обычно приводит к снижению эффективности охлаждаемого процесса. Су-

хие системы применимы только в случаях недоступности воды для применения водных

прямоточных и оборотных испарительных ПСО.

При наличии достаточно крупного водного объекта наиболее рациональным спо-

собом снижения расходования его водных ресурсов является организация прямоточ-

ной или оборотной системы охлаждения с водоемом-охладителем.

Для водных оборотных систем с градирнями в качестве меры экономии воды

широко применяют каплеуловители. При выборе конструкций каплеуловителя необхо-

димо учитывать не только его эффективность улавливания капель, но и его аэродина-

мическое сопротивление, чтобы избежать роста энергопотребления.

Для водных систем охлаждения с бассейнами и водоемами важно применять

меры по снижению потерь воды через ложа водоемов.

Значительное снижение объемов забора свежей воды для подпитки оборотной

системы охлаждения может быть достигнуто за счет использования для подпитки сла-

боминерализованных сточных вод от других производственных систем без или после

их предварительной очистки. На ТЭС к таким водам относятся дождевые и талые воды

с территории предприятия, стоки от водной промывки котлов, взрыхляющие и промы-

вочные воды фильтров водоподготовительных установок, продувочные воды котлов,

вода после охлаждения подшипников вращающихся механизмов и другие нефтесо-

держащие стоки после их очистки от нефтепродуктов.

3.4 Ущерб водным организмам

3.4.1 Уровень ущерба

Водозабор из поверхностных водных объектов может быть элементом водных

ПСО. Для крупных водозаборов, например, систем прямоточного охлаждения, ущерб

для рыбы и других водных организмов может быть значимой проблемой. Некоторое

количество водных организмов увлекается водным потоком на водозаборе и проходя

через решетки на водозаборе, насосы и теплообменники травмируются или погибают.

107

Количество погибающих водных организмов (гидробионтов) зависит от комплекса тех-

нических и гидробиологических факторов.

По результатам проведенного опроса две электростанции сообщили о величинах

ущерба рыбным ресурсам от деятельности водозаборов. Это расчетные данные, опре-

деленные по результатам специальных исследований.

Электростанция с прямоточной системой охлаждения сообщила об ущербе рыб-

ным ресурсам в размере 118 т в течение 2015 года. При этом водозабор ТЭС оснащен

РЗУ механического типа, включающее вертикальные вращающиеся мусорозащитные

сетки, рыбоподъемники, рыбоотводящий тракт и успокоительный бассейн.

Об измеренной эффективности этого РЗУ не сообщается.

Другая электростанция с оборотной ПСО с русловым водохранилищем в каче-

стве водоема-охладителя сообщила о среднегодовом ущербе в размере 1,9 т/год. Во-

дозабор ТЭС не оснащен РЗУ.

Сравнение удельных показателей ущерба, приведенных к расходу охлаждающей

воды через водозабор, показывает их различие на 2 порядка: 103 кг/млн. м³ в первом

случае при наличии РЗУ, и 3,5 кг/млн. м³ во втором случае при отсутствии РЗУ. Это го-

ворит о высокой зависимости уровня ущерба от характеристик экосистем водных объ-

ектов - источников водоснабжения.

Полных представительных данных по объемам рыбы, поступающей с охлажда-

ющей водой или погибающей в системах охлаждения, нет. В справочнике ([9]) приве-

дены результаты некоторых исследований в странах Европейского Союза.

Так, были проанализированы результаты 24-часовых опытов по подсчету коли-

чества рыб, погибших на водозаборе электростанции мощностью 600 МВт(эл) в Ни-

дерландах на реке Рейн при расходе охлаждающей воды 22-25 м³/с. Результаты пока-

зали, что количество погибшей рыбы изменяется в широких пределах как по годам, так

и между сезонами одного года. Наибольшая интенсивность гибели рыбы происходила

летом.

Исследования на электростанции мощностью 2000 МВт на реке Трент в Англии

показывали, что подавляющее большинство случаев попадания рыбы в водозабор

происходило вечером или ночью в летний период. Электростанция оснащена оборот-

ной системой охлаждения, свидетельств существенного ущерба рыбным ресурсам

найдено не было. Такая же ситуация сложилась на другой, аналогичной по мощности,

электростанции на реке Темза. На обеих станциях установлены сетки с ячейкой шири-

ной приблизительно 9 мм.

108

Исследование относительно захвата и гибели рыбы на девяти голландских элек-

тростанциях показало, что более чем 95 % экземпляров захваченной рыбы имели воз-

раст менее 1 года и имели длину менее 10 см. Это подтверждено результатами иссле-

дований на упомянутой электростанции на реке Трент, хотя там смертность составляла

100 %, в то время как в Нидерландах была отмечена незначительная смертность рыбы

по сравнению с наблюдаемой естественной смертностью.

Таблица 3.19 - Масса погибшей рыбы на водозаборах электростанций, приведенная к расходу

охлаждающей воды ([9])

Установленная электрическая

Масса погибшей ры-

Водный объект

Электростанция

мощность, MВт

бы, кг/млн. м³

Северное море

Sizewell A

480

Kingsnorth

2000

4,4

Dunkerque

600

Gravelines

5400

Пролив Ла-

Dungeness A

410

190

манш

Dungeness B

1200

Paluel

5200

Fawley

2000

Бристольский

Hinkley B

1300

канал

Устье реки

Le blayais

3600

Река

Loire (St Laurent

1000

1,8

В отчете ([49]) приведен анализ ущерба водным биоресурсам, наносимым круп-

ными водозаборами промышленного назначения в США. В отчете указывается, что ги-

бель гидробионтов на водозаборах является наиболее явным наблюдаемым видом

ущерба систем охлаждения. Объем прямого ущерба от гибели и повреждения в целом

по США, включая косвенные влияния, оценивается EPA примерно в 1,9 млрд. особей в

год и неравномерно распределен среди рыб, бентических беспозвоночных, фитопланк-

тона, зоопланктона и других водных организмов. В этом объеме 0,47 млрд. особей

представлены видами, имеющими промысловое значение, остальные организмы яв-

ляются кормовой базой для различных водных организмов. Этот ущерб имеет непо-

средственные эффекты и прямое влияние на величину популяции и распределение по

109

возрасту затронутых разновидностей, и может увеличиваться через пищевые сети.

В общем случае уровень ущерба невысок и составляет по оценке 2,8 % от объема вы-

лова гидробионтов в результате частного и промышленного рыболовства.

Однако в некоторых случаях уровень ущерба может достигать значимых вели-

чин. Например, отмечается уровень ущерба, равный приблизительно 10 % от среднего

ежегодного прироста популяции зимней камбалы (Pseudopleuronectes americanus) в

Южной Новой Англии, штат Массачусетс.

3.4.2 Применяемые методы снижения ущерба

Для водозаборов на реках, водохранилищах и других водоемах, которые имеют

рыбохозяйственное значение и могут быть использованы в рыбохозяйственных целях,

в соответствии с действующим законодательством Российской Федерации необходимо

предусматривать строительство рыбозащитных и других рыбоохранных устройств и

сооружений, согласованных с органами рыбоохраны и предназначенных для сохране-

ния условий естественного воспроизводства водных биоресурсов при гидротехниче-

ском строительстве. Цель рыбозащитных устройств - предупреждение попадания в

водозаборы, травмирования и гибели личинок и молоди рыб и отведения их в жизне-

способном состоянии в безопасное место рыбохозяйственного водоема для естествен-

ного воспроизводства.

Как было показано ранее объемы ущерба водных биоресурсам при эксплуатации

водозаборов могут различаться на несколько порядков в зависимости от многих фак-

торов. Соответственно и оптимальные решения для конкретных водозаборов опреде-

ляются множеством разнообразных местных биологических, экологических и техниче-

ских условий и факторов. В связи с этим невозможно определить единый наилучший

для всех случаев метод или набор методов предотвращения или снижения ущерба

водным биоресурсам на водозаборах.

В [13] предложен подход к выбору рыбозащитных мер, который на основе накоп-

ленного опыта в области рыбозащиты, анализа существующих конструкций РЗУ и по-

ложений СНиП 2.06.07-87 ([11]) позволяет выбрать оптимальную конструкцию РЗУ.

При проектировании РЗУ производятся предварительные ихтиологические изыс-

кания с целью определения следующих характеристик экосистемы водного объекта:

видовой и размерный состав защищаемых рыб; период их ската и миграции; верти-

кальное и горизонтальное распределение рыб; места расположения нерестилищ и зи-

мовальных ям; сносящая скорость течения для молоди защищаемых рыб. Водозаборы

размещают с учетом экологического районирования водоема в зонах (биотопах) пони-

110

женной плотности рыб. Не допускается их расположение в районах нерестилищ, зимо-

вальных ям, на участках интенсивной миграции и большой концентрации личинок и

молоди рыб, в заповедных зонах. Рыбозащитные устройства должны обеспечивать

защиту рыб всех видов и размеров. При этом их рыбозащитная эффективность для

рыб размером от 12 мм и выше должна быть не менее 70 %.

Рыбозащитное устройство, как правило, включает три основных функциональ-

ных элемента: входной потокоформирующий, рабочий с защитно-водоприемной по-

верхностью и выходной рыбоотводящий. Дополнительно в конструкцию РЗУ может

быть включен комплекс вспомогательных элементов.

Потокоформирующий элемент предназначен для создания гидравлической

структуры поступающего в РЗУ потока воды, которая обеспечивает вывод рыб в уда-

ленную от защитно-водоприемной поверхности рабочего органа зону транзитного пото-

ка и обеспечивает оптимальные условия для их ската на транзите в рыбоотводящий

элемент.

Рабочий орган (защитно-водоприемный элемент) предназначен для поддержа-

ния оптимальных гидравлических условий пассивного ската молоди рыб в транзитном

потоке и для равномерного со скоростями, не превышающими сносящие скорости для

наименьшего размера защищаемых рыб, отбора рабочего потока в водозабор через

реальную или воображаемую защитно-водоприемную поверхность.

Рыбоотводящий элемент предназначен для отведения защищенной молоди из

зоны действия рабочего органа в безопасное место рыбообитаемого водоема.

В качестве рыбоотводящего элемента может быть использовано естественное течение

водотока или искусственное организованное течение в водоеме или рыбоотводящем

тракте.

Вспомогательный элемент предназначен для повышения эффективности защи-

ты главным образом подросших, свободно перемещающихся в водоеме рыб.

С помощью дополнительных свойств он позволяет более полно и с большей эффек-

тивностью использовать рыбозащитные качества основных функциональных элемен-

тов как в комплексе, так и в отдельности. При этом в конструкцию рыбозащитных со-

оружений могут быть включены как один, так и сразу несколько вспомогательных эле-

ментов. Как правило, вспомогательные элементы оказывают на рыб физиологическое

влияние различного происхождения, обеспечивающее самостоятельное активное дви-

жение рыб от источника опасности на участки водоема с более комфортными условия-

ми обитания.

111

Конструкция РЗУ для конкретного водозабора разрабатывается как комбинация

различных вариантов из набора функциональных основных и вспомогательных эле-

ментов.

Потокоформирующие элементы РЗУ

Потокоформирующий элемент является основным элементом конструкции,

не только организующим гидравлическую структуру потока в РЗУ, но и, главным обра-

зом, влияющим на характер перераспределения молоди внутри устройства в опреде-

ленную его зону. Поэтому, поскольку он предназначен для организации такой гидрав-

лической структуры поступающего в устройство потока, при которой молодь рыб пере-

распределяется в его транзитную зону, и рассматривать этот элемент целесообразно в

зависимости от характера его воздействия на структуру течения транзитного потока.

Обеспечить перераспределение молоди рыб в потоке можно, сформировав сле-

дующие гидравлические структуры его течения: реоградиентную, с поперечной цирку-

ляцией и вызывающую «реакцию избегания».

Реоградиентная структура потока характеризуется наличием зон с различными

скоростями течения, обладающими различной транспортирующей молодь рыб способ-

ностью. В свою очередь, именно повышенная транспортирующая способность транзит-

ного рыбоотводящего потока обеспечивает эффективное перемещение молоди рыб

мимо водоприемной поверхности рабочего органа в оголовок рыбоотвода и далее из

зоны влияния водозабора. Реоградиентную структуру потока можно сформировать ли-

бо установкой в водотоке стационарных потокоформирующих элементов (наклонных

поверхностей, конфузоров и т. д.), создающих в определенной его зоне течение с по-

вышенной скоростью, либо подачей в эту зону высокоскоростной струи из автономных

или питающихся из напорной сети водопотребителя струегенераторов.

Поперечная циркуляция потока позволяет перераспределить скатывающуюся в

водотоке молодь рыб в его определенную рыбоотводящую зону. Структуру течения по-

тока с поперечной циркуляцией можно сформировать установкой в водотоке закручи-

вающего потокоформирующего аппарата. При этом конструкция последнего может

быть различной (завихрители с осевым и тангенциальным входом, струенаправляю-

щие лопатки, излучина и т. д.).

Наличие различных возмущений в потоке, имеющих механическую, гидравличе-

скую или иную природу, может вызвать у рыб «реакцию избегания», отпугивающую их

от источника опасности, в данном случае водоприемной поверхности рабочего органа

РЗУ. Структуру течения потока, вызывающую у рыб «реакцию избегания», можно

112

сформировать, установив в водотоке устройство, оказывающее на него локальное или

более объемлющее воздействие, заставляющее рыб самостоятельно выйти из зоны

действия данного устройства, т. е. и из зоны действия водозабора. Примерами таких

устройств могут быть стационарные или движущиеся турбулизаторы потока, водовоз-

душные завесы и т. д.

В настоящее время разработаны следующие типы потокоформирующих элемен-

тов: кумулятивные, вихревые, инерционные, струйные, поворотно-русловые, водовоз-

душные, воздушно-пузырьковые и турбулизирующие. Их исследования дали толчок к

созданию целого направления в разработке РЗУ переформирующего типа.

В результате на их основе было разработано целое семейство переформирующих ры-

бозащитных сепараторов.

Рабочие органы РЗУ

Рабочий орган РЗУ, являясь защитно-водоприемным элементом, в многокомпо-

нентных переформирующих РЗУ выполняет главным образом водоприемно-

распределительную функцию.

Переформирующий рабочий орган представляет собой устроенную за потоко-

формирующим элементом поверхность, служащую для плавного растекания рабочего

потока в водоприемные окна с сохранением организованной на входе в устройство оп-

тимальной гидравлической структуры транзитного течения. В большинстве случаев эта

поверхность выполняется водонепроницаемой или вообще является стенками водово-

да, а водоприемные окна потребителя располагаются за ней фронтально к движуще-

муся в устройстве потоку, как, например, в рыбозащитном концентраторе с вертикаль-

ной сепарацией.

Заградительный рабочий орган представляет собой расположенную за потоко-

формирующим элементом мелко- или крупноперфорированную поверхность, служа-

щую для равномерного отбора из транзитного потока рабочего потока через перфора-

цию к водопотребителю при одновременном недопущении попадания молоди рыб в

водозабор. Здесь имеет место не фронтальный, а «щелевой» тип водозабора. При

этом транзитная (рыбоотводящая) зона остается одинаковой для обоих типов рабочих

органов, поэтому установка заградительного рабочего органа за потокоформирующим

элементом (например, входной гранью порога) позволяет придать всему РЗУ новое ка-

чество: оно становится чисто отводящим переформирующим ночью, в наибольшей

степени использующим естественные особенности пассивного ската молоди рыб, и от-

113

водящим рыбозаградителем днем, ориентирующим молодь на активный уход от пре-

грады (защитно-водоприемного экрана).

Отгораживающий рабочий орган представляет собой установленный в зоне вли-

яния водозабора водонепроницаемый экран, служащий для предотвращения прямого

доступа молоди рыб к потребителю из рыбообитаемых горизонтов водоема и обеспе-

чения забора воды из мало насыщенных молодью рыб горизонтов водоема. Для эф-

фективной работы отгораживающего рабочего органа необходимо осуществлять меро-

приятия по переконцентрации молоди рыб в зону защиты (к защитному экрану) и обес-

печению вдоль него естественно или искусственно организованного транзитного тече-

ния для выноса и транспортировки рыб, накапливающихся перед этим экраном, из зо-

ны действия водозабора.

Рыбоотводящие элементы РЗУ

Рыбоотводящий элемент РЗУ (рыбоотвод) предназначен для отведения защи-

щенной жизнеспособной молоди рыб из зоны действия рабочего органа РЗУ в без-

опасное место рыбообитаемого водоисточника для ее дальнейшего естественного

воспроизводства.

Основными функциональными показателями работы рыбоотвода являются его

транспортирующая способность, характеризующаяся скоростью течения потока, выно-

сящего молодь рыб из зоны влияния водозабора, а также расход рыбоотвода по отно-

шению к рабочему расходу воды, забираемой водопотребителем.

Рыбоотвод (систему отведения молоди из зоны влияния водозабора в безопас-

ное место водоисточника) целесообразно рассматривать в зависимости от характера

используемого для этого течения, а именно:

- как естественное течение водотока;

- как искусственно организованное течение водотока;

- как течение в отводящих трактах (трубопроводах, каналах и т. д.).

При этом естественное течение водотока может иметь место, как в речном рус-

ле, так и в искусственном канале. Искусственно организованное течение для отвода

молоди рыб от водозабора можно организовать, создав искусственный стрежень или

локальный гидравлический экран.

Искусственный стрежень организуется с помощью системы последовательно

установленных в слабо проточном водоеме автономных струегенераторов в целях от-

ведения защищенной в рыбозащитном сепараторе молоди в том случае, если органи-

зация рыбоотводящего тракта невозможна или экономически невыгодна. При этом си-

114

стема струегенераторов создает локальное течение (струю) от рабочего органа в без-

опасное место водоема, т. е. за пределы зоны влияния водозабора.

Гидравлический экран решает более локальную задачу, а именно отвод защи-

щаемой молоди из зоны действия рабочего органа, например, жалюзийного экрана.

В этом случае гидравлический экран выполняет функции не только рыбоотводящего,

но и потокоформирующего и рабочего элементов.

Отведение защищенной молоди рыб из зоны действия водозабора в рыбоотво-

дящих трактах - наиболее распространенный способ организации рыбоотвода прак-

тически на любых водозаборах, размещенных в слабопроточном водоеме. При этом

транспортирование молоди может осуществляться по трубопроводу, в открытом или

закрытом канале, в специально организованной в водоподводящем канале акватории.

Компактные трубопроводы целесообразно прокладывать от рыбозащитного се-

паратора обратно в водоисточник по дну непротяженных водозаборных ковшей или ка-

налов. При наличии более протяженных каналов на создание течения в трубопроводах

приходится затрачивать значительные энергетические ресурсы, что не всегда бывает

экономически приемлемым, поэтому в данном случае более целесообразным является

устройство в водоподводящем канале специальной акватории, отгороженной от водо-

забора, например, продольной стенкой. При этом специального течения в акватории

не создается, кроме как за счет поступающего в нее потока воды из оголовка рыбоот-

вода. В случае размещения рыбозащитного сепаратора на значительном удалении от

водоисточника целесообразно применение закрытых или открытых каналов, выбор ти-

па которых зависит от топографической характеристики местности. Кроме того, закры-

тый канал является сопрягающим звеном между оголовком рыбоотвода и открытым

каналом. В зависимости от топографической характеристики местности (наличие

больших уклонов поверхности земли, перепада между бьефами гидроузла и т. д.) те-

чение в рыбоотводящих трактах может быть самотечным. При отсутствии таковых те-

чение в рыбоотводящих трактах организуется специальными устройствами (эжектора-

ми, водогонами и т. д.). В этом случае рыбоотвод включает следующие элементы: ого-

ловок рыбоотвода, узел создания течения, рыбоотводящий тракт (трубопровод, канал

и т. д.).

Вспомогательные элементы РЗУ

Вспомогательные элементы РЗУ предназначены для повышения эффективности

защиты главным образом подросших, свободно перемещающихся в водоеме рыб пу-

тем проведения дополнительных рыбозащитных мероприятий, позволяющих более

115

полно и с большей эффективностью использовать «рыбозащитные» качества основ-

ных функциональных элементов, как всех в комплексе, так и каждого в отдельности.

При этом в конструкцию РЗУ могут быть включены как один, так и сразу несколько

вспомогательных элементов. Как правило, вспомогательные элементы оказывают на

рыбу физиологическое воздействие различного происхождения, обеспечивающее са-

мостоятельное активное движение рыб в локальные зоны с более комфортными усло-

виями обитания и одновременно удаленные от зоны влияния водозабора.

В зависимости от способа воздействия на защищаемых рыб вспомогательные

элементы делятся на три основные группы:

- ориентирующие (направляющие);

- привлекающие;

- отпугивающие.

Ориентирующие вспомогательные элементы предназначены:

- для ограничения зоны безопасного ската рыб вдоль рабочего органа (воздуш-

но-пузырьковая завеса, тактильный ориентир, электрорыбозаградитель, «световая до-

рожка»), что снижает вероятность контакта рыб с водоприемной поверхностью рабоче-

го органа РЗУ, их травмирования и гибели. В результате рыбозащитная эффектив-

ность всего устройства повышается;

- для улучшения условий отвода рыб из зоны действия водозабора (тактильный

ориентир, «световая дорожка»).

В результате применения ориентирующего вспомогательного элемента в систе-

ме рыбоотведения РЗУ удается значительно сократить протяженность рыбоотводящих

трактов и снизить энергозатраты на создание в них течения воды.

В большинстве случаев для создания водовоздушной завесы (ВВЗ) перфориро-

ванным оголовком воздуховода - эрлифтом доукомплектовывается потокоформиру-

ющий элемент РЗУ. При этом шлейф ВВЗ располагается по границе между транзитным

течением, транспортирующим защищаемую рыбу в рыбоотвод, и зоной растекания по-

тока по рабочему органу РЗУ. Являясь визуальной и акустической преградой для

большинства активно перемещающихся в потоке рыб, ВВЗ предотвращает выход рыб

из транзитной зоны потока в зону действия рабочего органа РЗУ. Это обеспечивает

бесконтактную защиту не только покатной молоди рыб, устойчиво сносящейся в пото-

ке, но и подросших рыб, способных к более самостоятельным перемещениям в водо-

токе.

Тактильный ориентир (продольные лотки, стенки и т. п.) устраивается в омывае-

мой транзитным течением периферийной зоне действия рабочего органа РЗУ.

116

Он предназначен для обеспечения возможности подросшим рыбам восстанавливать

тактильную ориентацию и самостоятельно выходить из «высокоскоростной» зоны

транзитного течения, не подходя при этом к водоприемной поверхности рабочего орга-

на РЗУ для отдыха, дальнейшего ската в зонах с пониженными скоростями течения

или устойчивой тактильной ориентации.

Электрорыбозаградитель - система электродов, создающих отпугивающее рыб

электрическое поле, предназначенное для стимулирования ухода рыб от водоприем-

ной зоны рабочего органа РЗУ в транзитную периферийную зону с последующим ска-

том в ней в оголовок рыбоотвода. Как правило, размещается электрорыбозаградитель

параллельно или под углом к водоприемной поверхности рабочего органа РЗУ либо ею

собственно и является.

«Световая дорожка» предназначена для восстановления ориентации рыб в по-

токе или стимулирования их движения в необходимом для целей рыбозащиты направ-

лении. В зависимости от назначения «световая дорожка» может располагаться как в

водоприемной, так и в транзитной зоне рабочего органа РЗУ. Она может быть движу-

щейся - «бегущая волна», образованная поочередным включением рядов электриче-

ских ламп, и стационарной, выполненной из постоянно светящихся ламп или черно-

белой разметки - «зебра».

Апеллентные вспомогательные элементы предназначены:

- для привлечения и удержания мигрирующих рыб в безопасных, уда ленных от

зоны влияния водозабора участках водоема (аэратор, места оптимального обитания,

световой маяк и звуковой манок). Это позволяет замедлить на продолжительное время

или вообще полностью прекратить скат рыб в зону действия водозабора. В связи с

этим применение апеллентных вспомогательных элементов в ряде случаев можно

рассматривать как самостоятельные рыбозащитные мероприятия и альтернативу обо-

рудованию водозаборов рыбозащитными сооружениями;

- для привлечения и стимуляции движения рыб по РЗУ в оголовок рыбоотвода

(световой маяк и звуковой манок);

- для сокращения протяженности рыбоотводящих трактов и энергозатрат на ор-

ганизацию в них течения воды (аэратор, места оптимального обитания, световой маяк

и звуковой манок).

Аэратор целесообразно использовать в водоемах с пониженным содержанием

кислорода в воде. В этом случае при размещении различного рода аэрационных уста-

новок (плавучих и стационарных аэраторов, перфорированных трубопроводов, под-

ключенных к напорному воздуховоду и т. д.) в удаленных от водозабора участках за-

117

морного водоема, можно добиться самостоятельного перехода рыбного стада и кормо-

вой базы водоема из зоны действия водозабора в зону действия аэратора. При этом

целесообразно применять мобильные плавучие аэрационные установки, позволяющие

более оперативно реагировать на изменение гидрологической, водовоздушной и гид-

рохимической ситуации в водоеме и концентрировать рыбу на оптимальных в данный

момент участках водоема. Аэратор может быть размещен также в протяженных рыбо-

отводящих трактах РЗУ для улучшения кислородного режима, созданного в них тече-

ния, а также на входе в оголовок рыбоотвода для привлечения к нему защищаемых

рыб.

Места оптимального обитания рыб - участки акватории с оптимальными для

обитания рыб рельефом дна, гидрологическим, температурным, кислородным и кормо-

вым режимами, предназначены для улучшения условий обитания и нагула рыб, а так-

же для задержки и полного прекращения ската молоди рыб ранних возрастных групп

вниз по течению в зону опасности, например, к водозаборным сооружениям.

Места оптимального обитания рыб подразделяются на:

- русловые, предназначенные для задержки ската ранней молоди рыб с нерести-

лищ. Они устраиваются в русле водотока, непосредственно ниже по течению нерести-

лищ или выше опасной зоны (водозабора). Локальными стационарными или передвиж-

ными русловыми местами оптимального обитания рыб могут быть дооборудованы вы-

ходные оголовки рыбоотводов в целях сокращения протяженности рыбоотводящих

трактов РЗУ;

- береговые ловушки-рыбонакопители, размещаемые в естественных или искус-

ственных заливах и предназначенные как для задержки ската ранней молоди с нере-

стилищ, так и, главным образом, для предупреждения попадания молоди рыб в водо-

заборные и водосбросные сооружения путем удержания рыб в комфортных условиях

обитания. В них также могут быть направлены и рыбоотводящие тракты РЗУ.

Места оптимального обитания рыб можно рассматривать как самостоятельные

рыбозащитные сооружения, особенно в тех случаях, когда необходимо задержать или

полностью прекратить скат рыб в водосбросные сооружения крупных гидроузлов или

водоприемники ГЭС. В связи с этим они включают весь комплекс основных функцио-

нальных элементов и оборудованы входным потоко- и рыбонаправляющим оголовком,

рабочей рыбонакапливающей акваторией и системой (гидравлической, механической,

рельефной и т. д.) удержания рыбы в акватории, т. е. противорыбоотводом. Входной

оголовок мест оптимального обитания рыб целесообразно оборудовать вспомогатель-

ным рыбонаправляющим устройством.

118

Световой и звуковой манки целесообразно использовать в рыбоводных хозяй-

ствах для перераспределения рыб из зон действия водозабора или водосброса в уда-

ленные от них, желательно кормовые, зоны водоема. Манки могут быть различной кон-

струкции при условии, чтобы их сигнал хорошо воспринимался рыбой и подавался во

время ее кормления. Манки могут размещаться также в оголовке рыбоотвода для ори-

ентации и привлечения в него защищаемых рыб и на безопасных участках водоема,

расположенных за выходным оголовком, как правило, укороченного рыбоотвода для

организации самостоятельного движения рыб по намеченной трассе рыбоотведения.

Репеллентные вспомогательные элементы предназначены для отпугивания рыб

от водоприемной зоны рабочего органа РЗУ в целях предотвращения попадания их в

водозабор.

В большинстве случаев в собственно РЗУ они конструктивно и функционально

схожи с ориентирующими вспомогательными органами. Однако при определенных

условиях (малая производительность водозабора, незначительный ущерб, наносимый

им рыбному хозяйству, и т. д.) репеллентные вспомогательные элементы возможно ис-

пользовать и как самостоятельные рыбозащитные сооружения.

Водовоздушная завеса (пневмобарьер) устраивается перед водозабором в ин-

дифферентной зоне его влияния, т. е. там, где скорости течения воды в водозабор

не превышают пороговых скоростей плавания защищаемых рыб. Весьма желательно,

чтобы вдоль ВВЗ существовало транзитное течение водотока. Конструктивно и функ-

ционально репеллентная ВВЗ схожа с ориентирующей ВВЗ. Принцип ее действия за-

ключается в отпугивании рыб, соприкасающихся с визуально непроницаемой, движу-

щейся «стенкой». Кроме того, поскольку репеллентная ВВЗ расположена в зоне пони-

женных скоростей течения воды, то ее факел поднимается практически вертикально

вверх. При этом вдоль факела формируется восходящее водное течение, увлекающее

за собой молодь рыб. Растекаясь по поверхности, оно способствует выносу рыб в по-

верхностном слое от водозабора обратно в водоем, что можно рассматривать как про-

явление рыбоотводящих функций. Однако наиболее целесообразной является сов-

местная работа ВВЗ с защитно-водоприемной поверхностью рабочего органа иного ти-

па, например, переформирующего, с направлением водовоздушного факела спутно

транзитному течению в оголовок рыбоотвода, т. е. использование ВВЗ в качестве ори-

ентирующего вспомогательного элемента РЗУ.

Электрорыбозаградитель также устраивается в индифферентной зоне влияния

водозабора и конструктивно и функционально схож с ориентирующим электрорыбоза-

градителем. Однако поскольку при его работе не формируются никакие рыбоотводя-

119

щие течения, то его можно использовать только на водотоках или дооборудовать им

транзитные участки рабочих органов РЗУ.

Световой и звуковой барьеры - системы пульсирующих ламп, гидрофонов, зву-

ковых вибраторов и т. д., устанавливаемые в индифферентной зоне влияния водоза-

бора, служащие для дооборудования рабочих органов РЗУ и предназначенные для

оказания на рыб отпугивающе-ориентирующего воздействия, препятствующего их за-

ходу в опасную зону.

Эффективность акустических барьеров, в первую очередь, для молоди рыб,

не превышает 60 % - 70 %. По этой причине рекомендуется использование комбини-

рованных (акустико-механических, акустико-пузырьковых, акустико-электрических

и т. д.) РЗУ, обеспечивающих одновременное воздействие на несколько каналов вос-

приятия информации у рыб об окружающей обстановке (слуховые, зрительные, так-

тильные и др. рецепторы). Сообщается, что эффективность акустико-пузырьковых РЗУ

на крупных водозаборах составляет 90 % - 95 %.

При создании оптимальных конструкций РЗУ для конкретных объектов осу-

ществляется выбор типа каждого из функциональных элементов - потокоформирую-

щего, рабочего и рыбоотводящего, а также вспомогательных элементов - с учетом

следующих основных факторов:

- существующая в водоеме в зоне действия водозабора ихтиологическая обста-

новка (размерно-видовой состав подлежащих защите рыб, характер их покатных, кор-

мовых и других миграций и т. д.) влияет в основном на выбор потокоформирующего

элемента и рабочего органа;

- топографический, гидрологический, климатический и другие факторы - на все

три функциональных элемента РЗУ;

- капитальные и эксплуатационные затраты - на все три функциональных эле-

мента и главным образом на рабочий орган и рыбоотвод;

- обеспечение требуемой рыбозащитной эффективности - на все три функцио-

нальных элемента РЗУ и главным образом на потокоформирующий элемент;

- обеспечение отвода защищенной молоди рыб в жизнеспособном состоянии в

безопасное место рыбообитаемого водоисточника - на рыбоотвод.

120

3.5 Тепловое воздействие на окружающую среду

3.5.1 Влияние ПСО на температуру воды водных объектов

Объем тепла, отводимого от производственного объекта в окружающую среду,

определяется общей эффективностью использования энергии объектом. Поэтому

ПСО, обеспечивающие наивысшие значения энергоэффективности охлаждаемых тех-

нологических процессов и потребляющие наименьшее количество энергии, обеспечи-

вают наименьший объем тепла, отводимого в окружающую среду.

Все тепло, отводимое ПСО от производственных объектов, независимо от их ти-

па и конструкции в итоге оказывается в атмосфере. В то же время некоторые типы

водных ПСО отводят все (прямоточные системы, оборотные системы с водоемами-

охладителями) или часть тепла (водные оборотные системы с различными градирня-

ми, брызгальными бассейнами) в поверхностные водные объекты, которые можно рас-

сматривать как промежуточные приемники тепла. Изменение естественного темпера-

турного режима водных объектов может при некоторых условиях приводить к неблаго-

приятным изменениям в водных экосистемах, создавать препятствия для пользования

водными объектами для других водопользователей. В связи с этим законодательством

Российской Федерации установлены меры и механизмы регулирования теплового воз-

действия на водные объекты.

Необходимо отметить, что по характеру воздействия на водные объекты тепло, в

силу своей природы, существенно отличается от воздействия загрязняющих веществ:

- тепло не способно накапливаться в водных объектах или гидробионтах (как,

например, некоторые загрязняющие вещества) из-за постоянного теплообмена водного

объекта и атмосферы и поверхности земли (дна, берегов водного объекта). В связи с

этим тепловое воздействие на водные объекты всегда имеет ограниченный во времени

характер, локализовано в пределах определенной зоны, размеры которой определяет-

ся соотношением интенсивности процессов поступления тепла в водоем и его рассеи-

вания в окружающей среде. При прекращении сброса тепла в водный объект он доста-

точно быстро возвращается к своему естественному тепловому состоянию;

- тепло само по себе не оказывает неблагоприятного воздействия на экосистему

водоема и водные организмы. Травмирующим фактором может стать повышение тем-

пературы воды выше определенных уровней, зависящих от видового состава экоси-

стемы и жизненной фазы водных организмов. Чувствительность к температурному ре-

жиму воды различна для разных видов организмов и для разных фаз их развития.

В связи с этим законодательные ограничения для техногенного теплового воздействия

121

касаются именно температуры отводимого тепла и его влияния на температуру воды

водного объекта, при этом общий объем тепла, сбрасываемого в водный объект,

не ограничивается и не регулируется.

Температура воды оказывает прямое влияние на гидробионтов и их физиологию,

а также косвенное воздействие через влияние на содержание в воде кислорода и дру-

гих растворенных газов. Повышение температуры в водоемах может привести к увели-

чению объемов потребления кислорода и росту биомассы (эвтрофикация), сокращает

величину насыщения воды кислородом, что приводит к снижению концентрации кисло-

рода. Рост температуры воды также ускоряет микробное разложение органических ве-

ществ, вызывая увеличенное потребление кислорода. Известны случаи аномально вы-

сокого повышения температур воды в водных объектах, как правило, небольших. Эти

инциденты связаны с аномально высокими температурами окружающей среды,

не характерными для данной местности, или условиями маловодности, засухи, когда

охлаждающая способность водного объекта резко снижается. Кроме того, если один

поверхностный водоем используется несколькими промышленными объектами, требу-

ется учитывать возможность влияния сбросов тепла на эксплуатацию производствен-

ных процессов, расположенных ниже по потоку.

Так как рыбы не имеют своей постоянной температуры тела и относятся к пойки-

лотермным животным, то температура тела их только на десятые доли градуса отли-

чается от температуры воды. Рыбы могут жить при различной температуре воды, неко-

торые виды рыб выдерживают значительные колебания ее температуры. Так, щука,

окунь, карп, карась, лещ, сазан, линь живут в водоемах, в которых температура воды в

течение года изменяется в широких пределах, а другие виды - треска, камбала, рыбы

полярных и тропических широт - переносят лишь небольшие температурные колеба-

ния, не более 5 °C - 7 °C.

Исходя из оптимальных температурных условий жизни, все виды рыб условно

подразделяются на холодноводных и тепловодных.

К тепловодным относятся семейства карповых, осетровых и др. Некоторые виды

тепловодных рыб нерестятся при температуре 13 °C - 20 °C, а другие при температу-

ре воды в пределах 17 °C - 22 °C. Питание и рост тепловодных рыб происходит

наиболее интенсивно при температуре воды в пределах 18 °C - 25 °C и выше. При

температуре 22 °C - 28 °C тепловодный карп значительно лучше принимает корм и

усваивает пищу, чем при температуре 18 °C.

К холодноводным относятся: лосось, семга, форель, белорыбица (семейство ло-

сосевых), сиг, рипус, ряпушка (сиговые) и др. Они нерестятся при температуре воды

122

ниже 10 °C и наиболее интенсивно питаются и растут при температуре в пределах

8 °C - 16 °C.

В зависимости от биологического состояния (икра, личинки, мальки, годовики

и т. д.), рыбам необходимы определенные оптимальные температуры (табл. 3.4).

Таблица 3.20 - Оптимальные температуры воды для развития икры, личинок и рыбы

некоторых видов, С°

Виды рыб

Икра

Личинки

Взрослая рыба

Карп

12,5-30

17-32

10-30

Лещ

8-23

8-28

Голавль

8-28

Линь

20-26

Плотва

5-20

8-25

Щука

7-16

8-23

9-25

Окунь

8-25

Судак

12-18

12-26

Ручьевая форель

4-6

12,4

10-17,6

Радужная форель

6-14,4

8-14

10-18

Голец

8,0

16,0

14-16

Кумжа

4-6

5-14

Хариус

8-14

12-18

Сиг

0-3

У холодноводных рыб при высоких температурах резко снижается активность и

уменьшается интенсивность питания. Наоборот, у тепловодных рыб интенсивность об-

мена веществ в организме протекает при более высоких температурах, но не выше

30 °C. Холодноводные рыбы - форель, сиг, лососевые хорошо развиваются в относи-

тельно холодной воде. Для радужной форели оптимальным является температура во-

ды в пределах 16 °C - 18 °C.

Температура воды в водоеме имеет важное значение для размножения рыб. Так,

холодноводные рыбы мечут икру поздно осенью (лососевые породы, сиги и др.), а теп-

ловодные рыбы (карповые породы, сомы, осетровые и др.) приступают к размножению

весной и в начале лета.

С изменением температуры воды в водоеме меняется процесс газообмена у

рыб, а также изменяется концентрация в воде свободного кислорода. Так, для карпов

123

при температуре воды в водоеме в пределах 1 °C минимальная концентрация кисло-

рода должна составлять 0,8 мг/л, а при температуре воды 30 °C-1,3 мг/л.

В связи с изменением температуры воды в водоеме происходит изменение ток-

сического действия некоторых веществ на организм рыб. Например, при температуре

воды в пределах 1 °C летальная концентрация углекислоты СО2 для карпа составляет

в количестве 120 мг/л, а при температуре воды 30 °C-55-60 мг/л.

Начиная со второй половины 20-го века, было проведено достаточно большое

количество, в том числе многолетних и комплексных, исследований влияния теплых

сбросных вод ТЭС и АЭС на экосистемы водных объектов ([22])-([42]).

В [42] приведены результаты многолетних наблюдений за воздействием Ко-

стромской ГРЭС на экосистему Горьковского водохранилища. По результатам иссле-

дований был сделан вывод о том, что отчетливо выраженное воздействие тепловых

сбросов Костромской ГРЭС на мейобентос (мелкие водные донные организмы) прояв-

лялось у некоторых животных только в смещении фаз жизненного цикла. В остальном

различия между зонами с повышенной и нормальной температурами четко

не прослеживались.

Влияние нагрева воды на бентос обычно завуалировано другими, более значи-

мыми факторами, например, типом донных отложений. Видимо, по этой причине лите-

ратурные данные о влиянии сбросов подогретых вод на мейобентос противоречивы.

Мейобентос глубоководных участков Мошковичского залива Иваньковского водохрани-

лища, принимающего в себя подогретые воды из системы охлаждения Конаковской

ГРЭС, и других частей водоема сходен по видовому составу, в то время как количе-

ственные показатели сообщества наиболее высоки в заливе. Максимальные значения

численности и биомассы отмечены в зоне умеренного подогрева. За вегетационный

период численность и биомасса мейобентоса в подогреваемой части водного объекта

в среднем были примерно вдвое выше, чем вне зоны влияния теплых вод.

В глубоководной зоне Новотроицкого водохранилища, служащего водоемом-

охладителем Ставропольской ГРЭС, на участке влияния подогретых вод мейобентос

значительно богаче, чем в естественных условиях.

По результатам исследований ([24]) влияния Назаровской ГРЭС на экосистему

реки Чулым были сделаны следующие основные выводы.

1) Исследования гидрологического режима реки Чулым в районе действия Наза-

ровской ГРЭС показали наличие изменений, возникающих под воздействием сточных

вод ТЭС, выражающихся в увеличении температуры воды в районе впадения сбросно-

го канала на 11 °C в течении марта и октября, а также на 8 °C в летние месяцы, в

124

уменьшении прозрачности воды и отсутствии ледяного покрова на участке реки протя-

женностью около 60 км.

2) Установлено увеличение количества растворенного в воде кислорода на

станциях, подверженных влиянию сбросных вод электростанции до 9,0 мг/л против

7,5 мг/л на фоновой станции.

3) На участках сброса теплых вод и их перемешивания с речным стоком отмеча-

ется повышенная биомасса фитопланктона (в 2,0-2,5 раза выше по сравнению фоно-

вым участком реки) и увеличение его видового разнообразия (с 46 видов на фоновом

участке до 69). Смены доминирующих видов на участке реки, подверженном влиянию

Назаровской ГРЭС, по сравнению с фоновым не происходит.

4) В период с 1979 года по 2001 год на участке реки Чулым, подверженном влия-

нию сбросных вод теплоэлектростанции, произошло уменьшение количества видов

фитопланктона с 93 в 1979 году до 70 в 2001 году. С 1991 года отмечаются новые виды

водорослей, встречающиеся в летнее время повсеместно, но наиболее массовое раз-

витие отмечено на участке реки, где происходит смешивание водных масс реки и

Назаровской ГРЭС.

5) На участках реки Чулым, подверженных влиянию сточных вод ТЭС, происхо-

дит опережение развития зоопланктона в весенний период.

6) Величина продукции органического вещества, значения коэффициентов про-

дуктивности фитопланктона и деструкции органического вещества имеют наибольшие

значения в течение вегетационного сезона в постэкстримальный температурный пери-

од. Это свидетельствуют о стимулирующем действии температуры на указанные про-

цессы. Кроме того, полученные данные позволяют сделать заключение о том, что тем-

пература воды в реке выше 25 °C оказывает подавляющее действие на рассматривае-

мые процессы.

7) Анализ полученных результатов свидетельствует о стабильном состоянии

экосистемы реки Чулым, и отсутствии в ней выраженных признаков теплового загряз-

нения.

В монографии ([25]) представлены результаты многолетних исследований техно-

экосистемы АЭС. На примере Хмельницкой атомной электростанции рассмотрена кон-

цепция техно-экосистемы, особенности ее элементов, характер техногенных и биоти-

ческих факторов. Приводятся данные по гидрохимическому режиму, гидродинамиче-

ским характеристикам водоема-охладителя, гидробиологии основных группировок -

планктона, бентоса, перифитона, а также рыбному населению. Рассмотрены концепту-

125

альные положения различных подходов к оценкам техногенного воздействия на вод-

ные экосистемы.

В [43] приведены результаты многолетнего мониторинга гидрологических, гидро-

химических и гидробиологических характеристик Беловского водохранилища. Анализ

данных показывает, что динамика его экосистемы соответствует, установленным ранее

для других малых водохранилищ умеренных широт, закономерностям. Постоянное по-

ступление дополнительного тепла в результате использования водохранилища в каче-

стве водоема-охладителя ГРЭС, определяет его тепловое эвтрофирование и создает

повышенный потенциал самоочищения воды. Изменение качества воды вследствие

использования водоема для выращивания рыбы, рекреации, в результате сельскохо-

зяйственного производства и разработки угольных месторождений на водосборном

бассейне имеет локальный характер и ограничено во времени. Адаптивный потенциал

экосистемы водохранилища достаточен для самосохранения и самовосстановления ее

состава, структуры и функционирования.

В результате информационного обмена не было получено сведений о случаях

превышения НДС по температуре при эксплуатации ПСО. Превышение НДС по темпе-

ратуре возможно только для ПСО, предполагающих отведение нагретой воды в вод-

ные объекты:

- прямоточные системы;

- водные оборотные системы с водоемами-охладителями;

- водные оборотные системы с испарительными градирнями различного типа,

брызгальными бассейнами, отводящие продувочные воды в природные водные объек-

ты.

Прямоточные системы и оборотные водные системы с водоемами-охладителями

характеризуются наибольшими объемами сброса тепла в водоемы, поскольку все от-

водимое ими тепло отводится в атмосферу через водные объекты. Температуры теп-

ловой воды, отводимой этими ПСО в водные объекты или водоемы-охладители, как

правило, превышают температуру воды на водозаборах на 7 °C - 10 °C.

Охлаждающая вода в оборотных системах с градирнями передает большую

часть своего тепла через градирню непосредственно в атмосферу, а небольшая часть

тепла поступает с продувочными водами в водные объекты и только затем - в атмо-

сферу. Объем тепла, сбрасываемого с продувочными водами градирен, составляет

приблизительно до 1,5 % всего отводимого ими объема тепла.

Знание поведения потока теплой воды в поверхностном водоеме будет ценно

не только для защиты принимающей среды, но также и для того, чтобы выбрать пра-

126

ПРОМЫШЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ (ИТС 20—2016) - часть 2