Зимняя эксплуатация градирен и безаварийная работа

Российская Федерация, имея огромную территорию, располагается в 7-ми климатических зонах: от арктической до субтропической. Промышленность нашей страны, в основном, сосредоточена в 5-ти климатических зонах, которые стоит перечислить: умеренно-континентальная, континентальная, резко континентальная, муссонная и субтропическая. Это хорошо видно на прилагаемой карте.

Все климатические зоны России характеризуются отрицательными температурами зимнего периода (даже субтропическая). Для работы градирен это очень важный фактор. Причем продолжительность зимнего периода может составлять от 50 суток в субтропической зоне до 250 суток в резко континентальной. Среднее значение продолжительности зимнего периода в центральной части России (умеренно-континентальной зоне) 160 суток.

Поступление в градирни холодного атмосферного воздуха даже с температурой близкой к 0°С, приводит, как правило, к обледенению их конструктивных элементов, что значительно усложняет эксплуатацию.

Следует отметить, что на промышленных предприятиях в основном применяются две конструктивные схемы вентиляторных градирен: с верхним расположением осевого вентилятора (удаляющим воздух из градирни) и с нижним расположением осевого или радиального вентилятора (нагнетающим воздух в градирню). Характер обмерзания у этих конструкций различен. Редко используются вентиляторные градирни с поперечным ходом воздуха и воды.

Для градирен с верхним расположением вентилятора (секционным)

Особенно интенсивно происходит обмерзание входа окон градирен. Образующиеся в период низких минусовых температур наружного воздуха наледи во входных окна стесняют их проходное сечение, затрудняют, а иногда и прекращают проникновение воздуха в пределы градирен. В ряде случаев наледи распространяются внутрь градирен, что приводит к поломкам, а иногда и к обрушению оросителя.

При льдообразовании в проточной части градирни сокращается поверхность контакта охлаждаемой воды с воздухом, уменьшается расход воздуха и в результате ухудшается охладительный эффект этих сооружений. В вентиляторных градирнях уменьшение расхода воздуха, прокачиваемого через градирню, приводит к сдвигу «рабочей точки» на характеристике вентилятора влево, а следовательно, к использованию этого оборудования при низких значениях КПД. (Более правильно сказать, что аэродинамическое сопротивление градирни увеличивается и расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором, резко снижается.) Кроме того, наледи в оросителе, а также во входных окнах, могла быть причиной крайне неравномерной эпюры скоростей движения воздуха перед вентилятором, что может повлечь за собой повышенный износ и даже поломки ступицы и лопастей вентилятора. Нередко к этому нежелательному явлению приводит и образование наледей внутри градирни в конфузоре и диффузоре при эксплуатации градирни в зимнее время с неисправным водоуловителем. (Обмерзание вентилятора при неисправном (разрушенном) каплеуловителе более интенсивное, т. к. в вентилятор попадает не только водяной пар с потоком воздуха, но и что еще опаснее капли воды от форсунок -сопел).

Проблема предотвращения льдообразования является общей для градирен разных конструкций и средства борьбы с этим нежелательным явлением мог быть в некоторой мере похожими. В вентиляторных градирнях льдообразование может происходить интенсивнее так как температура охлажденной воды у этого типа устройств ниже, а скорость движения воздуха выше (относительный расход воздуха к больше), чем у прочих. Обобщение методов предотвращения льдообразования в градирнях по опыту эксплуатации и литературным данным показывает, что эти методы сводятся в основном к следующему (а так же приведем оценки этих методов):

Перераспределение воды по площади градирни — повышение плотности орошения в центральной части оросителя за счет полного прекращения подачи воды на его периферийную часть.
Создание повышенной плотности орошения — «водяной завесы» на периферии оросителя с уменьшением или полным прекращением подачи воды на его центральную часть.

Отметим, что первые два пункта несут кардинально противоречивые рекомендации и рекомендациями в сущности не являются.

Установка против входных окон на 0,5–0,7 м над уровнем земли на расстоянии 1,5–2 м от градирни разбрызгивающих устройств, через которые подается часть (25-30%) поступающей на градирню нагретой воды.
Установка разбрызгивающих устройств над верхней кромкой входных окон внутри градирни.
Прокладка трубопровода с разбрызгивающими устройствами на уровне верхней кромки входных окон снаружи градирни при подаче в него части (25-30%) нагретой воды.
Установка защитного экрана входных окон на расстоянии примерно 2 м от градирни при размещении верхней кромки экрана на уровне или несколько ниже (на 0,5–1 м) верхней кромки входных окон и при установке разбрызгивающих устройств по п. 5.

Следующие четыре рекомендации скорее всего приведут к существенному увеличению обледенения входных окон, а снижение гидравлической нагрузки внутри градирни на 25-30% к более вероятному обмерзанию оросителя.

Устройство обогревающего трубопровода по периметру входных окон и по стойкам несущего каркаса при подаче в него части нагретой воды, поступающей на градирню.
Это может дать определенный эффект, но при условии, что подаваемая на градирню вода имеет высокую температуру выше +20С. Эта рекомендация может быть дополнена еще и электрическим обогревом окон и жалюзийных решеток.
Расположение крайних стоек опорной конструкции оросительного устройства внутри градирни на расстоянии 1,5–2 м от вертикальной плоскости входных окон.
Это несколько непонятная рекомендация, т. к. изменить конструкцию градирни в большинстве случаев не представляется возможным.
Устройство над входными окнами плотного козырька (навеса) для улавливания воды, стекающей по внутренней поверхности обшивки, и для отвода этой воды во внутрь градирни.
Стекающая по внутренней поверхности обшивки вода имеет, как правило, температуру близкую к температуре подаваемой на градирню воды, т. к. площадь контакта воды и воздуха у плоской поверхности меньше, чем у оросителя, а скорость воздуха в пристенном пространстве не велика, поэтому такие «конструктивные дополнения» могут привести только к экранированию части оросителя находящегося над этим козырьками — воздух в эту часть градирни не будет проходить, что отрицательно скажется на процессе охлаждения, а обдуваемый холодным воздухом козырек будет дополнительным центром обледенения.
Устройство наружных тамбуров перед входными окнами градирен, навесных щитов, перекрывающих часть входных окон, поворотных щитов во входных окнах и внутреннего экрана вытяжной башни.
Скорее всего это будет нарушать равномерность распределения воздуха по оростелю, что отрицательно скажется на процессе охлаждения и «положительно» на процессе льдообразования на оросителе.
Подача всей охлаждаемой воды на часть секций градирен с полным отключением остальных, т. е. работа части секций с повышенными удельными гидравлическими нагрузками.
Очень логичная рекомендация - при условии, что температура воздуха от летнего режима к зимнему меняется минимум на 50 градусов (+25С - -25С). охлаждающая способность градирни зимой возрастает в 2,5-3 раза.
Подача всей охлаждаемой воды на все секции, но с выключенными вентиляторами.
Эта рекомендация не выдерживает критики, т. к. ороситель вентиляторных градирен имеет достаточно высокое аэродинамическое сопротивление (для секционных градирен -140-160Па; для градирен с нагнетающими вентиляторами 180- 250 Па) воздух через него при неработающих вентиляторах в необходимых для охлаждения количествах не пойдет, а водяной пар будет выходить как из впускных окон, так и через обечайку вентилятора — конденсируясь и замерзая там и там.
Изменение режима работы вентиляторов — снижение их производительности посредством уменьшения частоты вращения электродвигателя, с помощью гидромуфт скольжения или изменения угла атаки лопастей вентилятора.
Логичная рекомендация, наверное обеспечивающая самое радикальное решение, но в купе с предложенным в п.11.
Реверс вентилятора — прокачка воздуха через ороситель в обратном направлении.
Эта рекомендация имеет место при попытках разморозить входные окна секционной градирни — работа в таком режиме кратковременна и скорее вызвана аварийной ситуацией.
При остановке градирни — подача воды по байпасу в peзервуар градирни.
Отключить градирню — не решение задачи охлаждения воды. Если такой вариант обеспечивает охлаждение это означает, что градирня подобрана с огромным запасом.
Дополнительно к основной водораспределительной системе, располагаемой выше оросителя, устройство нижней вспомогательной водораспределительной системы в воздух распределительном пространстве под оросителем с размещением сопел равномерно по площади живого сечения градирни для работы факелами разбрызгивания, направленными вертикально вверх. Для этого целесообразно применять центробежные или струйно-винтовые сопла. При холодном атмосферном воздухе в нижнюю вспомогательную систему подается не менее 50% нагретой воды от расчетного расхода на градирню. При подаче в эту систему всей воды верхняя система выключается из работы.
Переделка конструкции градирни с установкой второй системы водораспределения не самый хороший вариант решения задачи, а скорее всего и очень дорогой, но он всего лишь видоизмененный вариант отключения части градирен. Изменение объема оросителя только не уменьшая горизонтальный размер, а изменения эффективную высоту оросителя, т. е. вертикальный размер.

Эффективным методом ликвидации наледей во входных окнах градирен является работа вентилятора в режиме реверса при полной или половинной скорости вращения лопастей. В этом случае воздух всасывается через верх градирни и выбрасывается через входные окна. При низкой температуре атмосферного воздуха каждый вентилятор должен работать в режиме реверса в течение 15–20 мин в каждые 2–3 ч. Если вентиляторы работают в реверсивном режиме более 30 мин, льдообразование может начаться на лопастях вентилятора, ступице и водоуловителе. При реверсе необходимо учитывать, что выбрасываемый из входных окон теплый воздух может образовывать туман в районе расположения градирен и при прекращении реверса возможно образование инея и наледей на расположенных вблизи градирни сооружениях. (Т. е. пользоваться этим методом следует аккуратно и постоянно контролируя ситуацию).

Следующий метод особенно рекомендуется для тех случаев, когда градирня работает периодически или при малых нагрузках в холодное время года. Он предусматривает при плотно закрытых входных окнах рециркуляцию воды в системе через водосборный бассейн, не прокачивая ее через ороситель градирни при пуске до тех пор, пока температура воды не достигнет примерно 27°С. Затем байпас закрывается полностью или частично и поток воды прокачивается через градирню, как это делается при нормальной эксплуатации.

Для градирен с нижним расположением вентилятора (моноблочным)

Нагнетательные вентиляторы подвержены обмерзанию. Это может вызываться двумя причинами: попаданием на вентилятор водяных капель изнутри градирни, если он не отнесен на достаточное расстояние от оросителя, и рециркуляцией уходящего из градирни воздуха, содержащего мелкие капли воды (унос) и пар, который конденсируется при смешении с холодным наружным воздухом.

Хочется отметить, что рециркуляция влажного воздуха, как правило, вызывается не конструктивными особенностями градирен этого типа, а неправильным размещением градирен. При ее правильной установке согласно «розе ветров» и отсутствии препятствий паровой шлейф от градирен уходит вверх и быстро рассеивается ветром.

В случае попадания водяных капель можно избежать обледенения лопастей вентилятора, выключив на зиму ближайшие к входным окнам сливные трубки или сопла водораспределительного устройства; в случае попадания пара (рециркуляции) может быть применена смазка лопастей каким-либо составом, предохраняющим от обледенения. Следует указать, что неравномерное образование льда на лопастях может приводить к дисбалансу, вибрации и в конечном счете разрушению вентилятора.

Для нагнетательных осевых вентиляторов необходимо использовать два основных способа предотвращения замерзания — обогрев обечайки, который можно осуществить гибкими электронагревателями, намотав такой нагреватель на обечайку вентилятора или подавая часть теплой воды поступающей на охлаждение в трубку, которой обернут вентилятор. Обмазывание лопастей пригодно, но любая смазка постепенно «уходит» и ее приходится наносить снова. Отключать форсунки (сопла) мало перспективно, т. к. это нарушает равномерность прохода воздуха и следовательно в областях с малым количеством воды приводит к большему обледенению (мало воды, много холодного воздуха).

В малогабаритных градирнях «Росинка» нагнетательный осевой вентилятор расположен в специальной трубе — воздуховоде, являющейся одновременно его обечайкой, что исключает обледенение лопастей.

При наличии у градирен нескольких нагнетающих вентиляторов работающих на одну установку (градирни ГРД — Тепломаш, МГ- Этерна, ВМГ- Метера, Ветерок- Тула и др.) основной сложностью будет согласование рабочих характеристик двух, а то и трех вентиляторов подающих воздух в один объем. Зимняя эксплуатация еще более усложняется. т. к. при выходе из стоя одного из вентиляторов через его окно вся вода, находящаяся в градирне, выплескивается и замерзает.

Для градирен с нижним расположением осевого вентилятора однозначно существует возможность обеспечить нормальную безаварийную работу в зимний период. Эти градирни могут быть использованы даже для получения «ледяной воды», что позволяет в зимний период исключить из процесса охлаждения дорогостоящую и энергозатратную холодильную технику. Безаварийная работа достигается комплексным применением следующих технических решений:

увеличение гидравлической нагрузки градирни за счет отключения части градирен из процесса, для чего при подборе (выборе) градирен тепловую и гидравлическую нагрузки делят на 2-3 установки.
электрический обогрев обечайки осевого вентилятора в области вращения лопастей рабочего колеса.
применение системы регулирования подачи воздуха в градирню с помощью частотного регулятора с обратной связью по температуре охлажденной воды.
смазка лопастей рабочего колеса вентилятора консистентной силиконовой или силиконовой спрей-смазкой.

Поперечно-точные градирни в большей мере подвержены обледенению, чем градирни с противоточным движением воды и воздуха. Для предупреждения обмерзания жалюзи входных окон поперечно-точных вентиляторных градирен может быть целесообразным выключение на зимний период крайних рядов насадков или сопел водораспределительного устройства и закрытие верхней части жалюзи. Градирни этой конструкции, по всей видимости, мало приспособлены для работы в условиях отрицательных температур, т. к. имеют большую продолжительность стекания воды по оросителю и большую неравномерность прохода через ороситель воздуха, это все может вызывать локальное образование льда.

к.т.н., Цимбалист А.О. (baltenergomash.pro)

Скачать эту статью в формате PDF Вы можете по ссылке Зимняя эксплуатация градирен и безаварийная работа