Градирня - что это такое? Виды, характеристики, устройство и принцип действия

Эксплуатация промышленных энергетических станций сопряжена с множеством технологических процессов, часть из которых выполняют тепловые и охлаждающие сооружения. Они предназначены для регуляции температур рабочих сред и коммуникационной инфраструктуры в системах ТЭЦ и АЭС. Наиболее заметным и производительным объектом такого типа является градирня. Что это такое? В общем понимании это башенное сооружение, внутри которого происходят микроклиматические процессы обработки различных сред посредством направления атмосферного воздуха. На практике встречаются разные виды данной конструкции, отличающиеся и техническим устройством, и функциональностью.

Конструкция башенной градирни

Наиболее распространенная формация градирни, которая чаще выполняется на железобетонной основе в виде конуса. Внутри размещаются обязательные функциональные блоки – система водоснабжения, ороситель, емкость и сопутствующая запорно-регулирующая арматура. Классическая башенная градирня, фото которой представлено выше, может обслуживать не только воду как рабочий ресурс энергоблока, но и технические жидкости с топливными элементами. Активной средой воздействия является наружный воздух, для поступления которого предусматриваются отверстия в нижней части (подошве) сооружения. Через вентиляционные каналы воздушная масса поднимается вверх и благодаря естественной тяге охлаждает целевые жидкости в резервуарах.

Плюсы и минусы башенной градирни

Среди преимуществ башенных конструкций можно отметить отсутствие потребителей электроэнергии. То есть функциональные системы и агрегат не нуждаются в специальной подводке источников питания и действуют автономно. На это же сделан акцент и в реализации воздухозаборного устройства градирни, принцип действия которого основывается на естественном замещении теплого воздуха холодным. Впрочем, реализация вентиляционных и охлаждающих систем может быть разной. Если говорить о недостатках башенной градирни, то на первый план выйдет дороговизна строительства и низкий потенциал охлаждающего эффекта. Причем в зимнее время требуются специальные обслуживающие мероприятия по защите коммуникаций от переохлаждения.

Конструкция эжекторной градирни

Главным отличием этой разновидности градирни является применение стали в корпусе. Причем не частично, а в качестве основного материала. Внутри конструкции устанавливается высоконапорный трубопровод с эжекторами – распределительными патрубками. В процессе работы функционального блока происходит распыление воды через сопла эжекторов с последующим поднесением воздушных потоков в зону разрежения. Контакт с холодными потоками охлаждает мелкодисперсинонные капли жидкости, что обуславливает высокую эффективность данной системы с точки зрения выполнения целевой задачи. Но, производительность металлической градирни с эжекторами обеспечивается не сама собой путем естественных физических процессов как в случае с башенными конструкциями, а за счет работы насосов. Благодаря насосным станциям в распыляющих механизмах поддерживается достаточное давление, что в итоге упрощает процесс охлаждения.

Принцип работы градирни

Как видно, задачи охлаждения целевых жидкостных сред выполняются благодаря продуву потоками холодного воздуха. В то же время могут выполняться и дополнительные, а также промежуточные функции наподобие испарения. Каждый раз по мере выделения конденсата через контуры подачи воды происходит ее восполнение в рабочей зоне. Или наполняются емкости эжекторов, или происходит подача жидкости на стенки поверхности оросителя. Важно подчеркнуть и наличие фильтрационных барьеров, которые отделяют водопроводный канал от резервуара градирни. Принцип действия очистительных мембран определяется назначением обслуживаемой жидкости – как минимум, реализуется грубая крупнофракционная задержка механических примесей, но в современных системах может присутствовать и комплексная тонкая обработка воды с элементами биохимической фильтрации.

Что же происходит с жидкостью после охлаждения? Это тоже зависит от характера общего технологического процесса, в котором косвенно участвует градирня. Как правило, горячая вода является использованным продуктом производства, поэтому ее сбрасывают в подключенные очистительные или сточные каналы. Также применяется схема и постоянной циркуляции жидкости, при которой охлажденная среда возвращается на первичный технологический участок для температурной регуляции оборудования ТЭЦ и АЭС.

Характеристики градирни

К основным эксплуатационным параметрам можно отнести производительность и температурные режимы, с которыми в принципе может работать конкретная станция. Что касается первого значения, то крупные градирни могут охлаждать ресурс на скорости порядка 200 м³/ч. Высота таких сооружений составляет 150-170 м при диаметре основы около 150 м. Температурные величины, как уже отмечалось, напрямую зависят от принципа работы станции. Например, конструкции с естественной циркуляцией воздуха работают с теплой жидкостью на 30-40 °C. В таком состоянии она поступает в резервуар, а после охлаждения ее температура понижается до 15-20 °C. Не делает воду ледяной и эжекторный комплекс. Его преимущество скорее заключается в возможностях работы с входящими температурами свыше 60 °C. Степень понижения может достигать 20 °C. На работоспособность эжекторов влияет и величина плотности орошения градирни. Что это за показатель? Он определяет удельную величину жидкостного расхода на 1 м² орошаемой площади. Оптимальные значения приходятся на диапазон от 6 до 12 м³/ч.

Особенности «сухих» конструкций

В таких системах предусматриваются теплообменные конструкции с радиаторами, которые выводят потоки уже нагретого воздуха. Их отвод за пределы рабочей площадки по специальным каналам обеспечивают вентиляторные установки. При компоновке подобных конструкций инженеры стараются минимизировать или вовсе исключить прямой контакт процессов охлаждения (обдува) с тепловой передачей и циркуляцией горячих потоков. К плюсам «сухой» градирни относят высокое качество охлажденной воды (отсутствие загрязнений, сохранение объема и т. д.), возможность работы с высокими температурами и долговечность конструкционных поверхностей. Минимальная степень увлажнения воздушной среды снижает риски коррозийного поражения металлических элементов сооружения, поэтому продлевается и эксплуатационный ресурс оборудования.

Особенности «мокрой» градирни

Также подобные станции называют испарительными, так как принцип их работы основывается на передаче тепловой энергии от жидкости воздуху в результате непосредственного контакта сред. Как же функционирует «мокрая» градирня и что это такое с точки зрения технического устройства? Внутренняя компоновка функциональных блоков так же предусматривает наличие вентиляторных установок (отдельно стоящих или секционных), которые выводят оставшийся воздух, но главную функцию испарения выполняет конденсационный змеевик. Это контур, в котором циркулирует жидкость под воздействием высоких температур. Завершается движение воды ее распылением через мелкоформатные форсунки под интенсивным обдувом вентиляторами.

Система орошения градирни

Один из ключевых компонентов градирни, от которого зависит охлаждающая способность сооружения. Собственно, задача оросителя заключается в обеспечении максимальной площади мелкодисперсионного (капельного) распределения воды для контакта с потоками воздуха. Этот элемент инфраструктуры может иметь разное конструкционное исполнение – например, встречаются брызгальные, пленочные, капельные и другие типы устройств. В качестве материала для изготовления чаще применяют легкие пластиковые сплавы на основе полипропилена и полиэтилена. В частности, пленочный ороситель градирни выполняется из высокотехнологичных полимеров, обеспечивающих эффективное охлаждение при минимальных ресурсах. Но, эти же устройства имеют ряд недостатков, среди которых забивание разделительных секций мелкими взвесями и примесями. Опять же, стоит подчеркнуть значимость предварительной фильтрации воды не только для качества жидкости как таковой.

Система водораспределения

Если ороситель отвечает непосредственно за распыление, то водораспределители выполняют равномерную регуляцию потоков по соплам и патрубкам. На сегодняшний день чаще используются напорные водораспределительные агрегаты, базирующиеся на системе трубопроводов и подсоединенных к ним форсунок. Для изготовления такого коллектора применяются металлические и композитные материалы, а также пластмассовые сопла. На этапе распределения воды работа градирни может обеспечиваться автономными факелами с радиусом действия порядка 150-200 см. Интенсивность подачи воды к оросителю будет зависеть от принципа действия сопла – это может быть центробежная, ударная или струйная установка.

Вентиляционная система

Параметры вентилятора будут определяться площадью орошения. Стандартная система предусматривает использование вытяжных и нагнетательных установок с разными мощностными потенциалами. Например, если рабочая площадь составляет не более 15 м2, то тяга нагнетательного вентилятора может полностью обслуживать функции воздуховода. Конструкция таких агрегатов обычно формируется двумя элементами – диффузором и рабочим колесом. Для изготовления корпуса применяются композитные материалы, позволяющие интегрировать ребра жесткости под корпус. Диффузор может выполнять задачи регуляции давления, которое возникает при интенсивном охлаждении градирен на выходе по направлению воздушного потока. В свою очередь, рабочее колесо формируется комбинацией лопастей и ступицы, а в процессе работы создает постоянный охлаждающий поток. Диаметр такого колеса имеет от 2,5 м до 20 м в зависимости от масштабов сооружения.

Заключение

За исключение отдельных технико-конструкционных решений внутри станции конструкция градирни как промышленного объекта может показаться принципиально устаревшей. Но есть ли альтернатива таким сооружениям? Задачи охлаждения различных технических жидкостей в больших объемах также решаются с помощью брызгальных бассейнов и прудов-охладителей. Но и в этих случаях наблюдаются те же проблемы в виде низкой производительности, которые дополняются и спецификой использования естественных рабочих сред. В том же пруду регулярно цветет вода, что требует выполнения специальных мер по биологическому обслуживанию объекта.

И на этом фоне не так уж плоха градирня. Что это с точки зрения самих эксплуатирующих предприятий? Как минимум оптимальное по финансовым и трудовым затратам технологическое средство для поддержки вспомогательных процессов охлаждения рабочего оборудования. Причем в некоторых случаях такая переработка технической жидкости является единственно оправданным способом, так как производительность в плане температурной регуляции вполне укладывается в нормативы отвода производственных стоков.