Сопутствующие энергетические проекты

Как отмечено в начале данного раздела, хотя, в основном, вода используется для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях, она также необходима для производства термоэлектрической энергии. Ниже приводятся руководящие материалы по количеству и качеству воды, необходимой для различных процессов выработки термоэлектрической энергии.

Производство электроэнергии с использованием ископаемого и ядерного топлива. Виды использования воды при производстве электроэнергии с применением ископаемого или ядерного топлива сходны между собой. На всех тепловых электростанциях вода используется для выработки пара, в охлаждающей системе и, в меньшей мере, для удовлетворения основных служб, например в питьевых системах водоснабжения. Источниками воды для охлаждения цикла Карно являются реки и озера.

Объем используемой воды преимущественно зависит от характеристик системы, применяемой для охлаждения-конденсации и отвода тепла. Использование воды в качестве охладителя в конденсаторе является самым важным видом ее применения, а количество воды, требуемое для этих целей, обычно находится в пределах 0,032-044 м³ х с^-1.МВт^-1 при условии роста температуры воды на 8 °С. Основными средствами отведения остаточного тепла являются сухие градирни и непосредственный сброс вод из теплообменника в реки.

Применение правил, направленных на уменьшение избыточного нагрева речных вод, обеспечило ограничение прямых сбросов в реки. Мокрые градирни являются самыми крупными потребителями воды, сбрасывающими в реки только конденсированную воду. Сухие градирни рассеивают излишнее тепло станции непосредственно в атмосферу посредством теплообменников, охлаждаемых воздухом, без дополнительного отвода тепла в естественные водоемы и без безвозвратного водопотребления. Поэтому станции, использующие такую систему, требуют большого количества топлива и дополнительных инвестиций.

Если в качества топлива на станции применяется угольная пыль, то вода также нужна для транспортировки золы. На это требуется 0,00095 м³ х с^-1.МВт^-1, а для десульфурации топочных газов — около 0,0000019 м³ х с^-1.МВт^-1.

Атомная электростанция, как и любая другая комплексная система, подвергается воздействию многочисленных, не поддающихся прогнозированию проблем, которые могут препятствовать ее нормальной работе, а в экстремальных случаях могут представлять угрозу здоровью и безопасности людей.

Вероятность возникновения серьезных ситуаций, несомненно, крайне низка, поскольку строжайшие требования безопасности и меры предосторожности учитываются при проектировании атомных электростанций (IAEA, 1981). ВМО (1981 г.) характеризует различные типы атомных электростанций и анализирует проблемы, связанные с гидрологией и водными ресурсами, которые следует рассматривать при планировании, проектировании, эксплуатации и остановке атомных электростанций.

В данной публикации содержатся несколько примеров технологий, используемых для решения важных вопросов различного уровня сложности. Как высокий, так и низкий сток имеют существенное значение для управления и безопасности на атомных электростанциях. Чрезвычайно важно, чтобы аварийное охлаждение активной зоны реактора, охлаждение использованного топлива и окончательное теплопоглощение имели надежное водообеспечение.

Защита от наводнений также очень важна независимо от типа электростанции, поскольку они способны нарушить нормальное функционирование электростанции, особенно если это касается повреждения двух или нескольких систем, и таким образом снизить успешность действия систем безопасности в экстремальных ситуациях.

В этой связи, как правило, необходимо применять, возможно, более точную систему гидрологического прогнозирования для верхнего бьефа водохранилища гидроузла и осуществлять периодические проверки гидрологического анализа и допущений, сделанных на стадии проектирования станции.

В большинстве проектов, связанных с выработкой электроэнергии, вопросы качества воды не лимитируют возможности осуществления проекта, но они могут оказывать влияние на габаритные размеры сооружения, характер эксплуатации, выбор места расположения и прочие факторы. Состав подземных вод из различных источников существенно изменяется с точки зрения количества растворенных в них солей и газов.

Поверхностные воды обычно содержат взвешенные наносы и часто растворенные или взвешенные органические вещества, поступающие при гниении растений или из сточных вод. Широкое использование синтетических моющих средств, часть из которых невозможно с легкостью разложить в процессе очистки сточных вод, приводит к попаданию измеримых количеств этих химикатов даже в резервуары с водами, используемыми для питьевого водоснабжения.

В промышленных зонах дождевые воды имеют низкий уровень pH и могут потенциально вызывать коррозию из-за содержащихся в них частиц угольной пыли и нефти. Переносимые ветром, они могут оказывать существенное влияние даже на значительном удалении от источников выбросов.

Большая часть вод, однако, может быть очищена для дальнейшего использования в конденсаторах охлаждения, при транспортировке золы и десульфурации топочных газов. Тем не менее, для производства пара требуется исключительно чистая вода, не содержащая никаких следов растворенных солей. Затраты на подготовку такой воды обычно зависят от общего содержания растворенных в природной воде солей.

В значительной степени радиоактивные сточные воды имеют место при производстве электроэнергии на атомных электростанциях из-за таких процессов, как просачивание, продувание, техническое обслуживание и перезагрузка топлива. Циркулирующая в реакторе вода используется как источник тепла, а продукты коррозии, образующиеся в системе, являются первичным источником радиоактивных изотопов в этой воде.

Предписано, чтобы вода, используемая для целей охлаждения и как источник пара, была исключительно чистой, так как любые соли или другие примеси в воде могут захватить нейтроны и стать радиоактивными. Другим потенциальным источником радиоактивных изотопов в охлаждающей воде является расщепление продуктов, образованных внутри топливных элементов.

Следовательно, количество изотопов, содержащихся в реакторной воде, зависит от скорости коррозии, частоты нарушения покрытия, а также интенсивности удаления изотопов посредством конденсации и использования очистительных деминерализаторов реактора. Возможное присутствие радиоактивных изотопов в воде требует осторожности при очистке отработанных стоков.

В главной циркуляционной системе требуются большие усилия, чтобы снизить нарастание чрезмерной радиоактивности, вызванной либо радиоактивными примесями, либо продуктами коррозии. Первоначально забранная вода не сбрасывается, но часть ее удаляется, очищается и повторно используется в реакторе. Опасность коррозионного воздействия требует, чтобы кипящая вода содержала очень низкие концентрации кислорода и хлоридов.

Это достигается деаэрированием и выпариванием воды, используемой в главной циркуляционной системе, для снижения уровней кислорода и хлоридов до значений соответственно меньших чем 0,003 и 0,3 мг х л^-1.

Добыча и переработка угля. Очень мало воды используется при открытом либо подземном способе добычи угля. Действительно, применение фильтрующей воды обычно нежелательно, и могут потребоваться значительные усилия и затраты для удаления ее из шахт. Производство продуктов дробления угля требует для их удаления больших объемов воды, но она обычно находится в замкнутой системе.

Шламовый способ добычи угля известен с начала двадцатого века. Шламовый трубопровод может быть экономичным при больших размерах и значительной протяженности, но при последующем отделении раздробленного угольного продукта вода, перед сбросом в естественный водоток, должна быть очищена.

Средства очистки будут зависеть от качества угля (т. е. от содержания серы, золы и минеральных веществ), предложенного для транспортировки; химических добавок, необходимых для предотвращения коррозии в трубопроводе и сопутствующих установках, а также от химических коагулирующих веществ, используемых при обезвоживании.

Сток с территорий угледобычи содержит большое количество металлов, взвешенных веществ и сульфатов от серного колчедана (пирита) и/или марказита, которые в основном сопутствуют угольным пластам, глинистым сланцам и песчано-каменистым осадкам. При взаимодействии с атмосферой эти минералы образуют серную кислоту и соединения гидрокиси трехвалентного железа.

Кислые рудничные воды могут образовываться за счет фильтрации через донные отложения прудов, терриконы отработанной породы и складированный уголь. Эти воды могут обладать высокой кислотностью (pH от 2 до 4) и содержать высокие концентрации алюминия, сульфатов, железа и следы тяжелых металлов.

Добыча и переработка урана. При добыче урана открытым или подземным способом требуется небольшое количество воды, главным образом для питьевого водоснабжения. Количество воды, используемой непосредственно при добыче урана, является незначительным, т. к. она применяется в основном при влажном дроблении руды.

При обогащении руды образуются сточные воды и происходят выбросы как радиоактивные, так и нерадиоактивные. Твердые, жидкие и газообразные выбросы в окружающую среду в большей или меньшей степени зависят от процедуры, применяемой для проверки и контроля регулирования сточных вод.

Производство нефтяных продуктов. Водоснабжение и доступность водных источников, стоимость воды, сохранение энергии и вопросы окружающей среды — все это имеет отношение к нефтепереработке. Современные способы переработки нефти разработаны с целью снижения водозабора до 2 процентов части водозабора более старых одноконтурных систем и технологий.

Предпочтение сейчас отдается воздушному охлаждению, нежели водному, и многократному использованию воды (оборотная система производственного водоснабжения). Степень использования воды зависит от сложности очистки, которая напрямую связана с мощностью нефтеперерабатывающего производства: чем глубже степень перегонки нефти, тем сложнее очистка сточных вод. Удельный водозабор может измеряться в пределах от 0,1 до 3 м³ х баррель^-1 в зависимости от размера, сложности и используемых для переработки технологических процессов.

Воды, участвующие в процессе добычи нефти и ее переработки, должны быть очищены перед их сбросом в естественные водотоки. Процессы очистки обычно включают использование отстойных баков и отделение нефти от воды. Из-за больших объемов воды, необходимых для осуществления таких процессов, разработка оборотных циркуляционных систем становится насущной необходимостью для новых нефтеперегонных заводов.

Производство метанола. КПД установок по производству метанола из древесины или природного газа составляет приблизительно 60 процентов. Таким образом, значительная часть тепла, содержащегося в богатых углеродом естественных природных образованиях, должна быть удалена в процессе преобразования их в метанол. Приблизительно половина всех потерь тепла может быть устранена за счет испарения с охладителей, которые испаряют приблизительно 3 м³ воды на каждую тонну выработанного метанола.

Если используется прямое охлаждение и допускается повышение температуры на 10 °C, тогда 170 м³ воды будут проходить через теплообменник для удаления этого тепла, обусловив потери на испарение в размере 1,5 м³ х т^-1 продукции. Очевидно, если вода в дефиците или дорого стоит, проектировщик должен выбирать водосберегающий метод для удаления тепла.