Системы оборотного водоснабжения

Охлаждающим агентом в процессах конденсации и охлаждения технологических и энергетических потоков чаще всего является оборотная вода, поступающая из градирен. На предприятиях химического и нефтехимического комплексов 70-90 % общего объема воды систем оборотного водоснабжения используется на охлаждение и конденсацию технологических продуктов и рабочих агентов систем производства энергоносителей, а также в системах водяного или испарительного охлаждения конструктивных элементов технологических и силовых агрегатов.

Система оборотного водоснабжения представляет собой промежуточное звено между охлаждаемым источником сбрасываемой теплоты и окружающей средой. Это звено необходимо лишь для того, чтобы повысить интенсивность передачи теплоты от технологического оборудования наружному воздуху, поэтому вся тепловая энергия, отводимая оборотной водой, безвозвратно теряется. Кроме того, наносится ущерб экосистеме промышленного района, так как наряду с химическими выбросами в окружающую среду поступают и так называемые «термические выбросы», объемы которых на крупных производственных комплексах достигают гигантских масштабов.

В зависимости от изменения качества воды в процессе её использования схемы оборотного водоснабжения подразделяются на:

- "чистые" циклы для воды, которая при использовании только нагревается;

- "грязные" циклы для воды, которая при использовании только загрязняется.

В целях снижения объемов сточных вод, а также уменьшения затрат на водоподготовку и обезвреживание стоков на промышленных предприятиях целесообразно организовывать замкнутые системы оборотного водоснабжения, поскольку оборотная вода, отводимая от потребителей, только нагревается, и ее химическое загрязнение возможно в случаях возникновения аварийных ситуаций.

Системы оборотного водоснабжения широко используются, поскольку просты В эксплуатации, не требуют больших капиталовложений, а себестоимость технической воды как хладоносителя не идет ни в какое сравнение со стоимостью холода, вырабатываемого парокомпрессионными холодильными установками.

Системы оборотного водоснабжения разделяют на локальные, централизованные и групповые, объединяющие нескольких потребителей по территориальному признаку.

В локальных системах каждый потребитель охлажденной воды связан с индивидуальным водоохлаждающим устройством.

В централизованных системах обратная вода собирается от всех потребителей в единый коллектор и направляется в одну или несколько водоохлаждающих установок, размещенных на специально отведенной территории. Охлажденная вода распределяется между потребителями также по единому подающему коллектору (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Централизованная система оборотного водоснабжения:

П1-П6 – потребители охлажденной воды; Г – вентиляторная градирня; ПК – подающий коллектор; ОК – коллектор обратной воды; ПН, ОН – насосы подающей и обратной линий

Групповые системы занимают промежуточное положение между локальными и централизованными системами.

В настоящее время на крупных промышленных предприятиях получили распространение преимущественно централизованные системы, так как для них требуется наименьшее количество устанавливаемых водоохлаждающих устройств и транспортирующих насосов. Однако такие системы обладают недостатками, приводящими к чрезмерным материальным, энергетическим и эксплуатационным затратам.

1. При организации централизованных систем оборотного водоснабжения создается сложная разветвленная система водоводов, функционирование которой обеспечивается установкой высокопроизводительных насосов с электродвигателями высокого напряжения и большой установленной мощности. Известно, что общая установленная мощность оборудования в централизованных системах энергообеспечения оказывается существенно меньшей по сравнению с суммой установленных мощностей децентрализованных систем, предназначенных для обслуживания той же группы потребителей.

2. Производительность централизованных систем в реальных условиях не регулируется, т.е. при отключении или подключении ряда потребителей объем воды, циркулирующей в системе, не изменяется.

3. Температура в подающем и обратном коллекторах для всех потребителей одинакова, поскольку учесть эксплуатационные и режимные характеристики обслуживаемых объектов в данных условиях невозможно.

4. При остановке градирни для планового ремонта или возникновении аварийной ситуации всех потребителей необходимо переводить на водопроводную воду или полностью отключать от системы оборотного водоснабжения.

5. На химических и нефтехимических предприятиях достаточно высока вероятность местного загрязнения оборотной воды продуктами производства. Распространяясь по всей системе, оно может нанести ущерб потребителям, предъявляющим повышенные требования к качеству используемой воды. Замена всей оборотной воды в крупной централизованной системе требует больших экономических затрат, а в ряде случаев может оказаться неосуществимой.

6. Для обслуживания централизованной системы, которая включает в себя также и насосную станцию, нужно содержать специальный штат.

Для эффективного управления и эксплуатации систем оборотного водоснабжения на крупных промышленных предприятиях, занимающихбольшие земельные пространства, целесообразно отказаться от ИХ централизации. Более предпочтительным представляется вариант, при котором потребители объединяются в группы по территориальному признаку и режимным характеристикам. Для обеспечения каждой группы оборотной водой используются локальные водоохладители, режим работы которых ориентируется на требования, предъявляемые конкретной группой потребителей.

Локальные системы могут быть включены в технологическую схему потребителя охлажденной воды, размещаться в непосредственной близости от него, и не требуют дополнительного обслуживающего персонала. Водоохладители небольшой мощности в случае нехватки производственных площадей могут быть установлены как внутри здания, так и снаружи - на крышах, антресольных площадкax и т.п. Они позволяют обеспечить оптимальный режим работы индивидуального потребителя в отношении расхода, температуры и качества оборотной воды.

Централизованные системы могут использоваться на небольших предприятиях при условии незначительных отклонений от требований потребителей к качеству и параметрам используемой оборотной 'воды. На крупных предприятиях из-за большого расхода охлаждающей воды в системах оборотного водоснабжения в качестве водоохлаждающего устройства используются градирни башенного и вентиляторного типов производительностью более 1000 м³/ч. При эксплуатации систем оборотного водоснабжения с водоохладителями такого типа возникают потери воды, зависящие от технологических условий их функционирования. Объем подпиточной воды Q_п, м³/с, определяется из материального баланса системы

Q_П=Q_ун+Q_Т+Q_пр+Q_исп (2.9)

где Q_ун – потери воды с капельным уносом в градирнях (0,3-0,5 % суммарного объема циркулирующей воды), м³/с;

Q_T – потери воды в технологических процессах (l % общего объема), м³/с;

Q_пр – продувка воды в системе (8-10 % суммарного объема), м³/с;

Q_исп – потери воды, испарившейся в градирне (2-3 % объема циркулирующей воды), м³/с.

Для снижения удельных материальных и эксплуатационных затрат служат водоохладители эжекционного типа, которые относятся к прямоточным распылительным аппаратам. Вода впрыскивается в аппарат через форсунку 1 (или систему форсунок) под избыточным давлением 0,2-0,4 МПа (рис. 2.14). Максимальной энергетической эффективности распыления соответствует перепад давления на форсунке 0,2-0,3 МПа. Воздух эжектируется потоком капель и вовлекается в область зоны контакта 2. Достигнув стенок в зоне сепарации 3, капли воды теряют импульс и стекают в виде пленок в нижнюю часть аппарата.

Рис. 2.14. Водоохладитель эжекционного типа с выносным сепаратором:
1 – зона контакта; 2 – зона сепарации; 3 – форсунка; 4 – закручивающие лопатки

Учитывая, что организация систем оборотного водоснабжения сопряжена с большими капитальными вложениями и высокими эксплуатационными затратами на их содержание, крупные предприятия химического и нефтехимического комплексов заинтересованы в росте эффективности их работы. Наилучших результатов можно достичь, комбинируя следующие методы.

1. Интенсификация процессов охлаждения воды в градирнях. В частности, при установке устройств вторичного дробления капель воды за счет роста поверхности контакта с воздухом эффективность охлаждения возрастает на 10-40%. К методам интенсификации водоохлаждающих устройств относятся:

- оптимизация систем орошения насадки градирен с учетом аэродинамических условий контакта;

- увеличение производительности градирни при сохранении температурного перепада;

- организация подачи дополнительного объема воздуха в приосевую область градирни.

2. Переход от централизованных систем оборотного водоснабжения к групповому и индивидуальному водоохлаждению на базе эффективных и компактных устройств, в том числе и эжекционного типа, позволяющих обеспечить оптимальный режим совместной эксплуатации технологического и энергетического оборудования.

3. Интенсификация теплообменного оборудования, обеспечивающего отвод теплоты от технологического продукта. В настоящее время в системах охлаждения и конденсации промышленных предприятий применяются в основном поверхностные теплообменники кожухотрубного, змеевикового и погружного типов. Для таких аппаратов хорошие результаты дают инерционные интенсификаторы различных форм и геометрических размеров.
4. Снижение нагрузки водоохлаждающих устройств за счет утилизации ВЭР охлаждаемых продуктов и конструкционных элементов.

По условиям эксплуатации градирни могут обеспечить снижение температуры оборотной воды не более чем на 8-15 °С. В конструктивных элементах в целях предотвращения образования застойных зон организуют проточное охлаждение. При этом фактический нагрев воды не превышает 5-10 °С. Данные условия ограничивают потенциал ВЭР теплового сброса на уровне 30-40 °С, утилизация которого в ощутимых объемах на крупных промышленных производствах невозможна. Кроме того, на стадиях выделения и разделения продуктов нефтехимических производств часто организуется ступенчатое охлаждение верхних продуктов (рис. 2.15). Для повышения температурного напора и удельных нагрузок теплообменников на верхних ступенях в качестве рабочего агента используются аммиак, фреон и прочие хладагенты данной группы. В результате температура отводимой теплоты значительно снижается и приближается к температуре окружающей среды, что лишает ее какой-либо ценности.

Возможность эффективного использования ВЭР появляется при организации замкнутой утилизационной системы, связывающей источник ВЭР (рис. 2.16), потребителя теплоты, а также, при необходимости, установку для повышения температуры ВЭР (теплонасосные установки, компрессоры, догреватели и пр.) и водоохлаждающee устройство. Для повышения тепловой и термодинамической эффективности системы целесообразно использовать высокоэффективные теплообменники на термосифонах или тепловых трубах, позволяющие обеспечить теплосъем при очень низких температурных напорах (менее Δt_н= 5 °С).

5. При низких температурах наружного воздуха в целях экономии энергоресурсов и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду следует переходить на воздушное охлаждение. В этот период испарение влаги сосредоточивается в приземной области, вызывая обмерзание сооружений.

Объединение локальных схем водоснабжения в единую систему с каскадным использованием воды открывает возможности для снижения потребления свежей воды и создания бессточных систем водоснабжения предприятия. В этих системах продувочная вода "чистых" циклов используется для подпитки "грязных" циклов и сокращает потребление ими свежей воды. Если продувка "чистых" циклов превышает оборот "грязных" циклов в свежей воде, то её избыток может отправляться на ХВО для умягчения и использования её в котлах и аналогичных установках, безвозвратно потребляющих воду. Продувочную воду "грязных" циклов следует использовать для грануляции шлаков, тушения кокса и аналогичных нужд безвозвратного водопотребления.

Разработка бессточных схем водоснабжения пром. предпр. и комплексов становится основным направлением в решении задач предотвращения загрязнения водоёмов и экономного расходования свежей воды.

Особое внимание при выборе систем технического водоснабжения на крупных пром. предпр. необходимо обращать на сочетание локальных и общезаводских систем, на объединение их с целью повторного использования стоков, так как использование очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения является центральным вопросом общей проблемы перевода предприятий на бессточный режим.

В сточных водах могут содержаться шламы, кислоты, масла, органические вещества и т.п. Наиболее целесообразно проводить очистку стоков от специфических загрязнений данной установки или производства, а затем − централизованную от общих для большинства установок загрязнений.

Очистку от механических примесей природных и сточных вод осуществляют в специальных сооружениях для осветления воды.

В системах технического водоснабжения в качестве первой ступени осветления используются горизонтальные и радиальные отстойники, гидроциклоны, крупнозернистые фильтры, очищающие воду от частиц определённой крупности. При необходимости очистки воды и от мелкодисперсной взвеси используются в качестве второй ступени осветители и фильтры.

Горизонтальные отстойники − железобетонные прямоугольные бассейны воды. Для выравнивания потоков в бассейнах через 5÷6 м вертикальные продольные перегородки. Удаление осадка гидравлическое или механическое. Глубина горизонтально отстойника 1,5÷3 м.

Радиальные отстойники − круглые бассейны. Вода через водораспределительный полый дырчатый цилиндр 4÷8 м, размещённый в центре, поступает в бассейн и движется к его периферии и сливается в щели.

В зависимости от местных условий и особенностей отдельные сооружения, относящиеся к разным объектам и системам водоснабжения, могут быть объединены, а некоторые элементы систем размещены в общих сблокированных зданиях. Это объединение и блокирование способствует снижению стоимости строительства и эксплуатации.

В зависимости от выполняемой функции воды системы ее использования подразделяются на:

- технологические, в которых вода используется в качестве промышленного сырья, растворителя и реакционной среды;

- экстрагентные, в которых вода используется для извлечения из полупродукта или товарного продукта нежелательных примесей, очистки газообразных выбросов, воздуха аспирационных систем, очистки твердых отходов от водорастворимых компонентов, мойки оборудования;

- охлаждающие и транспортирующие, в которых вода используется соответственно в качестве охлаждающего и транспортирующего агентов.