Гидравлические контуры градирен

А. Сандалевский

Cпарительные градирни открытого типа широко применяются как в гражданском, так и в промышленном строительстве, поскольку при весьма умеренном энергопотреблении обеспечивают приготовление воды, используемой в целях охлаждения при температуре на 4-5 К ниже температуры наружного воздуха по сухому термометру. Такие градирни применяются при кондиционировании воздуха в гражданском секторе для охлаждения конденсаторов холодильных агрегатов, реже – для охлаждения аварийных электрогенераторных агрегатов большой мощности. В промышленном секторе градирни используются в технологических операциях широкого профиля, требующих эффективного и неэнергоемкого рассеяния тепла, создаваемого во время рабочего цикла.

Контуры отдельной градирни

Самый простой гидравлический контур отдельной градирни, используемой для охлаждения одного участка обслуживания (например, конденсатора холодильного агрегата), приведен на рис. 1. Циркуляционный насос, который следует устанавливать внизу напорного ствола на уровне ниже уровня градирни, должен рассчитываться с учетом потери нагрузки в контуре для обеспечения минимального остаточного давления в соплах порядка 20-30 кПа, а также чтобы преодолеть разность высот между соплами и поверхностью воды в резервуаре градирни.

Рисунок 1 Гидравлический контур градирни для одного потребителя

В случае, если градирня используется и в зимний период, следует предусмотреть защиту резервуара градирни от заморозков, установив противоморозные электрические воздухонагреватели.

Как известно, производительность градирни увеличивается, если снижается температура наружного воздуха по сухому термометру, тогда как потребности обслуживаемого участка либо остаются неизменными, как это чаще всего бывает в промышленности, либо уменьшаются, что происходит в системах кондиционирования. Кстати, для последних необходимо следить, чтобы давление конденсации в холодильных агрегатах не опускалось ниже установленного значения во избежание риска возврата жидкости в компрессор.

Рисунок 2 Схема регулирования мощности установки посредством байпаса градирни

Существуют следующие способы регулирования производительности градирен, применяемые по отдельности или в различных сочетаниях:

• запуск и остановка двигателя вентилятора (регулировка Вкл/Выкл);

• предустановка регулирующей заслонки на воздухозаборной горловине градирни (только при использовании центробежных вентиляторов);

• применение электродвигателя, частота вращения которого регулируется посредством устройства типа “Инвертер” - такое решение, представлявшееся одно время весьма дорогостоящим, находит ныне все более широкое применение благодаря постоянно растущей надежности и снижению цен статических электронных блоков регулирования скорости

• применение трехходового клапана, регулирующего объем воды, подаваемой в градирню (см. рис. 2), данную технологию следует применять с некоторой долей осторожности, поскольку функционирование градирен на малых объемах может привести к закупориванию форсунок из-за заморозков в зимний период;

•  установка циркуляционного насоса, оборудованного устройством регулирования частоты вращения типа “Инвертер”, при этом следует учитывать обстоятельства, указанные для функционирования градирен на малых объемах воды;

• применение трехходового клапана, регулирующего объем воды, подаваемой потребителю (см. рис. 3), допустимый диапазон регулировки определяется характером потребителя, то есть если в условиях промышленного производства объем охлаждающей воды может, в крайнем случае, снижаться до нуля, то для конденсатора холодильного агрегата такой вариант, естественно, допустимым считать нельзя.

Рисунок 3 Схема регулирования мощности установки посредством байпаса терминала потребителя

 Гидравлические контуры двух и более градирен

В контуре, представленном на рис. 4, две градирни Т-1 и Т-2 вляются независимыми друг от друга и обслуживают каждая отдельный потребительский терминал. Насос Р-3 может использоваться в качестве резервного вместо Р-1 или Р-2 в случае, если один из них останавливается из-за поломки или на техобслуживание. Такая схема очень проста, однако отличается негибкостью. Ведь в случае поломки одной из градирен подключенный к ней потребительский терминал обслуживаться не будет. Кроме того, для них требуется четыре стояка труб (двух подающих и двух возвратных), соединяющих градирни и насосную станцию.

При этом следует учитывать все обстоятельства, приведенные нами выше, касающиеся защиты градирен от заморозков и регулирования их мощности.

Рисунок 4 Соединение двух градирен раздельным трубопроводом

Контур, приведенный на рис. 5, предусматривает параллельное соединение градирен Т-1 и Т-2. Четыре запорных дроссельных клапана V1, V2, V3 и V4 позволяют отключать необслуживаемые потребительские терминалы и неработающие градирни, обеспечивая наибольшую функциональную гибкость, поскольку путем несложных манипуляций четырьмя клапанами можно получить целых двенадцать различных функциональных комбинаций насосных агрегатов, потребительских терминалов и градирен.

Обе градирни обязательно должны быть оборудованы компенсационной трубой, позволяющей поддерживать одинаковый уровень в обоих резервуарах. Кроме того, как показано на рисунке, гидравлические контуры обеих градирен должны иметь равную длину, чтобы потери давления в них компенсировались. Одно из преимуществ такого решения – необходимость лишь одной пары стояков труб, соединяющих насосную станцию и градирни. Отсюда снижение веса конструкции. В случае, если имеются две градирни мощностью 1 МВт каждая при температурном перепаде “вход-выход” 5 К, экономия составляет около 30 %. Впрочем, следует учитывать дополнительные расходы на приобретение и установку клапанов с пневмо- или электроприводами, пневмати ческой или электропроводки и управляющего оборудования.

Рисунок 5 Соединение двух градирен общими подающим и обратным трубопроводами

 Разделение контуров приготовления и потребления

В области промышленного строительства часто используется схема, приведенная на рис. 6. Здесь обратная вода, поступающая от пользователей, отстаивается в накопительных ваннах соответствующей емкости (как правило, примерно на 10 минут работы установки). Из нее насосы контура приготовления рабочей воды (см. на рис. Р-1 и Р-2) откачивают воду на испарительные градирни. Из градирен охлажденная вода поступает в аналогичную ванну. Работа градирен и насосных агрегатов регулируется по показаниям термостата, установленного в накопительной ванне охлажденной воды. Термостат, в частности, регулирует одну либо обе пары насос-градирня в зависимости от общей нагрузки установки.

В накопительной ванне охлажденной воды установлены насосы контура потребления (на рис. Р-3 и Р-4), оснащенные, как правило, устройством регулирования частоты вращения, что позволяет регулировать расход воды в точном соответствии с потребностями. Клапаны V1 или V2 могут быть типа “Вкл/Выкл”, либо с плавной регулировкой в зависимости от запросов потребителей.

Рисунок 6 Система охлаждения с градирнями, имеющими раздельные контуры приготовления и потребления

Следует, прежде всего, отметить основную отличительную черту такой схемы – это полная гидравлическая независимость контура приготовления рабочей воды и контура потребления, обеспечиваемая наличием компенсационной соединительной трубы между двумя ваннами. Вследствие этого совершенно необязательно постоянно регулировать мощность градирен в соответствии с требованиями пользователя. Вентиляторы градирен могут работать в режиме просто “Вкл/Выкл” либо их скорость может переключаться с низкой на высокую по показаниям датчика температуры выходящей воды. Кроме того, каждая такая градирня всегда работает с полной нагрузкой, следовательно, проблем, связанных с особенностями работы градирен на малых объемах, описанных выше, у них просто не бывает.

И, наконец, схема такого типа в значительно меньшей степени чувствительна к заморозкам, поскольку градирни здесь не оснащаются водосборником и полностью дренируются в нижнюю ванну.

 Особые предосторожности

Следует помнить, что гидравлические контуры градирен это контуры открытого типа. С этим связан целый ряд проблем технического характера, которые не встречаются в контурах закрытого типа вентиляционно-отопительных систем. Если градирни располагаются выше уровня потребителей, как показано на рис. 1-6, такие проблемы вряд ли возникнут при условии, что установленный насос имеет достаточный напор, и проектировщики не забыли включить в расчет разность высот Z.

Рисунок 7 Гидравлический контур, где потребитель расположен выше уровня накопительной ванны

Если, однако, потребители располагаются выше уровня градирен или накопительных ванн, как показано на рис. 7 (на рисунке приведен лишь пользовательский контур), во избежание серьезных проблем необходимо предпринять определенные шаги.

Прежде всего следует учитывать, что давление в точке А всегда должно быть выше давления насыщенных водяных паров при рабочей температуре. Если давление ниже, часть жидкости будет испаряться, что приведет к росту шумности работы агрегатов,  неэффективности теплообмена и быстрой эрозии.

Во-вторых, в таком случае давление в точке Б будет равняться разнице статической высоты между точками А и Б за вычетом потери давления между данными двумя точками, таким образом жидкость будет вытекать из точки Б с большой скоростью и турбулентностью.

Для регулировки давления в точке А, чтобы оно не опускалось ниже давления насыщения, а также для рассеяния избытка давления между точками А и Б, необходимо установить баростатический клапан V3 (в англоязычной технической литературе – back pressure valve) в указанном месте. Клапан должен быть высокоскоростной и хорошо откликаться на все изменения давления, - время хода от 15 до 30 секунд. Регуляторы обязательно должны быть типа P + I, смещения между установленным значением давления и рабочим давлением недопустимы.

Необходимо также установить в наиболее высокой точке обратной трубы компенсационный резервуар объемом около 30-60 секунд рабочего расхода системы. Его функции:

• не допускать гидравлического удара при быстром закрытии клапана;

• поглощать колебания давления, обусловленные запаздыванием баростатического клапана и изменением мощности насосных агрегатов с регулируемой скоростью.

Необходима, наконец, установка антивакуумного клапана (обычно это обратный пружинный клапан, установленный в нужном направлении) в наиболее высокой точке подающей линии. Его функция – обеспечить доступ воздуха в систему в случае, когда закрыты автоматические заборные клапаны V1 и V2, чтобы опорожнить систему, если насосный агрегат стоит и не держат обратные клапаны подающей линии. В противном случае понижение давления может привести к разрушению  конденсатора холодильного агрегата или обслуживаемого теплообменника.

Минимальный напор насосов Р3-4 должен составлять:

H = Hr + Z + (Pv – Po +C),

где

Hr – потери давления в сети;

Z – разность уровней поверхности воды в накопительной ванне и у самого высокого потребителя;

Pv – давление насыщения водяных паров при рабочей температуре;

Po – атмосферное давление;

C – предел безопасности.

Следует отметить, что в данном случае давление в точке А ниже атмосферного давления, следовательно через имеющиеся соединения и прокладки в систему может проникать воздух. Если требуется, чтобы давление в точке А было положительным, необходимо, чтобы Pv + C > Po.

 

Перепечатано из журнал RCI, май1999 г.

Перевод с итальянского С.Н.Булекова