Оптимизация циркуляционного потока охлаждающей воды на водоеме-охладителе БГРЭС-1

Введение. Водный фактор играет решающую роль при размещении новых производственных мощностей в нормальном функционировании практически всех видов производств, в том числе предприятий теплоэнергетики.

Водоемы-охладители при тепловых электростанциях представляют собой природнотехногенные системы, в которых необходим учет влияния на природную среду элементов технологических циклов. В водоем-охладитель осуществляется сброс охлаждающей тепло-агрегаты воды, поэтому в водоеме существуют участки акватории с различным температурным режимом.

При оборотной системе водоснабжения, которая принята на Березовской ГРЭС-1, основная масса сбросных вод движется по кругу, большая часть этой массы многократно проходит через конденсаторы систем охлаждения. Для обеспечения эффективной работы теплоэлектростанции в период сооружения и последовательного подключения к генерации трех блоков теплоэлектростанции необходим постоянный мониторинг не только термического, а еще гидрохимического и санитарно-биологического режимов водоема.

Загрязнение воды, связанное с тепловым сбросом, вызывает нарушение нормальной работы теплоэнергетического оборудования – происходит уменьшение проходных сечений трубок конденсаторов, это приводит к увеличению температурного напора и повышения коэффициента теплопередачи трубок, что ведет в свою очередь к большому пережегу топлива, в конечном итоге – снижению экономических показателей работы ГРЭС.

Непосредственно с работающей теплоэлектростанции в водоем-охладитель сбрасывается отепленная вода, охлаждающая конденсаторы турбин; вода системы гидрозолоудаления; обмывочные воды хвостовых поверхностей нагре- ва, отработанные растворы после очистки теплосилового оборудования, стоки от помещений с технологическим и теплосиловым оборудованием.

В проектировании тепловых электростанций [1] имеется ряд недостатков, в частности недоучет в проектах химических и биологических изменений в экосистеме водоемов-охладителей, проявляющихся со временем при эксплуатации в связи с нарушением естественного температурного режима, повышением среднегодовых температур в них.

Цель исследования : выявление особенностей формирования термического режима водоема-охладителя БГРЭС-1 для оценки и прогноза качества воды, а также корректировки установленной мощности ГРЭС - количества заложенных в проект энергоблоков.

Объекты и методы исследования. Водоем-охладитель Березовской ГРЭС-1 сооружен в 1986 г. зарегулированием стока р. Береш, принадлежащей бассейну Чулыма. Характер регулирования стока водоема сезонный; принята оборотная система технического водоснабжения с охлаждением воды в водоеме-охладителе.

Водоемы-охладители выполняют основную функцию - снижение температуры сбросной воды путем теплообмена инженерными средствами; они имеют специфический термический режим [2], обусловленный тепловым сбросом воды теплоэлектростанции. В открытом водосбросном канале происходит незначительное снижение температуры, основная отдача тепла происходит в водоеме, где она охлаждается за счет испарения и конвекции в акватории, в которой формируется циркуляционный поток охлаждающей воды.

В проектной документации БГРЭС-1 ошибочно предполагалось, что в естественных условиях до начала работы энергоблоков станции термический режим водохранилища должен был иметь более низкие значения температуры воды, так как формировался за счет притока рек Береш, Базыр, Кадат, берущих начало в горной системе Кузнецкого Ала-Тау. Результаты наших натурных наблюдений на водоеме свидетельствовали о величине температуры воды водоема в июне, июле, августе - на десять градусов выше проектных значений. Кроме того, шти- левая погода, характерная для данной местности в июле - августе, способствовала прогреванию верхних слоев воды водоема до 25–27 °С. Таким образом, проектная мощность БГРЭС-1, предусматривающая установку восьми турбин мощностью по 800 тыс. кВт и расчетным расходом охлаждающей воды - 73 000 м3/ч, не могла быть достигнута.

При сооружении водоема-охладителя БГРЭС-1 не были выполнены требования «Санитарных правил по подготовке ложа водохранилища и каналов к затоплению и санитарной охране их», и были затоплены древесные, кустарниковые остатки и торфяное месторождение, объем которого составлял 30,7 млн м3. Массовое всплывание торфа, блокирование водозаборных сооружений и сбросного канала, резкое ухудшение качества воды в водохранилище в течение первых лет - эти события потребовали принятия незамедлительных кардинальных мер по удалению торфа. На водохранилище была сооружена дамба, отсекающая район основного торфяного месторождения, что уменьшило рабочий объем воды и площадь акватории водоема-охладителя почти на 40 % [2]. Как следствие, вынужденно было скорректировано количество блоков - не более двух.

Морфометрические особенности строения водоема таковы, что площадь мелководий не более трех метров превышает половину акватории; объем и удлиненность чаши влияют на скорость движения водных масс. Рассчитанный нами коэффициент глубоководности составляет величину 1,05, что характеризует водоем, как незначительно глубоководный. Комплексный морфометрический показатель, или коэффициент открытости акватории составляет величину 0,92, что характеризует большую открытость акватории. В водоемах-охладителях с подобными параметрами гидрометеорологические факторы влияют в решающей степени на гидрологические и гидрофизические процессы [3].

Водоемы-охладители при теплоэлектростанциях расположены в различных физикогеографических условиях, но нормативы, принятые для всех водоемов-охладителей, «объединяют» водоемы разного ландшафтногеографического положения, трофического уровня и хозяйственного назначения. Они предусматривают недопустимость превышения температуры воды в водоеме в зимнее время на 5 °С, а в летнее – на 3 °С выше естественной максимальной температуры [3]. Повышение температуры по отношению к естественному фону и отсутствие замерзания акватории водоема зимой приводят к увеличению испарения воды, усилению растворимости химических соединений.

Натурные наблюдения проводились в соответствии с принципами комплексности, систематичности наблюдений в характерные гидрологические фазы по методикам, обеспечивающим точность определения, качество и надежность информации в соответствии с рекомендациями Госкомгидромета.

Программа контроля качества воды включала определение гидрофизических, гидрохими- ческих, гидробиологических, санитарногигиенических показателей; периодичность проведения контроля и выполнения анализа воды. Отбор проб проводился в характерные гидрологические фазы. Результаты мониторинга гидрохимических и гидробиологических параметров свидетельствуют о высоких концентрациях растворенного органического вещества и биогенных соединений, поступающих с загрязненным стоком р. Кадат и из затопленного торфа [2].

Небольшой объем воды водоемов-охладителей по сравнению с водохранилищами ГЭС, тепловой сброс, повышенное содержание органических и биогенных соединений в воде способствовали созданию условий для существования биофонда «цветения», реализации условий для эвтрофирования водной системы.

Рис. 1. Схема расположения точек отбора проб воды на водоеме и изображение Landsat-8 водоема-охладителя

Результаты исследования и их обсуждение. Тепловой сброс неоднозначно влияет на кислородный режим водоема; в зоне интенсив- ного подогрева наблюдается инвазия кислорода из поверхностных слоев воды; в зоне умеренного и минимального подогрева интенсифициру- ются процессы деструкции автохтонного и аллохтонного органического вещества, что видно по повышению величин перманганатной и би-хроматной окисляемости, свидетельствующему об увеличении растворенных органических веществ в воде за счет разложения гуминовых веществ затопленного торфа и притока загрязняющей органики со стоками КОС г. Шарыпово, попадающими с водой р. Кадат.

Под действием теплового сброса на водоеме в зимние периоды образовывалась незамерзающая полынья; в аномально теплые зимы полынья имела максимальные размеры. Зеркало чистой воды распространялось от устья р. Кадат до приплотинной части с удалением от береговой линии более чем на 500 м. В суро- вые зимние периоды с температурами ниже – 20 °С размеры полыньи сокращались от устья сбросного канала (точка 4) до водозабора ГРЭС (точка 7). Тепловой сброс изменил термический режим на большей части акватории, центральная часть (точка 6) покрывалась льдом мощностью от 10–20 см, мощность ледового покрытия вблизи ГРЭС составляла до 0,8–1,5 м. Введение в строй второго блока ГРЭС, совместная работа обоих увеличили тепловую нагрузку на водоем, о чем свидетельствует повышение линии тренда в районе устья сбросного канала (рис. 2), а также в центральной и приплотинной части, но в верховьях водоема изменение температур почти не заметно, о чем свидетельствует ход многолетнего тренда (рис. 3).

Рис. 2. Сезонные колебания и многолетний тренд температуры в устье сбросного канала

Рис. 3. Сезонные колебания и многолетний тренд температуры в устье р. Базыр

Температурный режим водоема-охладителя формируется под действием процессов теплообмена с атмосферой, испарения, переноса тепла течением и турбулентным перемешиванием. Сброс охлаждающей воды способствует образованию участков акватории с различной температурой. В программе наблюдений была предусмотрена расстановка точек отбора проб воды с учетом существования циркуляционного потока, а также специфики термического режима водоема-охладителя с оценкой части акватории, которая вовлечена в тепломассообмен.

Исследование термического режима в зимний период 2000–2001 гг. после ввода в эксплуатацию второго блока обнаружило, что в районе водозабора в полынье не происходило выравнивания температуры по глубине, наблюдалось образование областей микроциркуляции отепленной воды.

При обследовании температурного поля в районе водосбросного канала было также обнаружено, что на распределение теплового потока влияет участок твердого наноса на выходе из сбросного канала, поэтому циркуляция воды осуществлялась по минимальной траектории от сбросного к водозаборному каналу. При этом в тепломассообмен не вовлекалась достаточная для эффективного охлаждения воды часть акватории, что приводило к повышению температуры воды на водозаборе.

Кроме того, распределению теплового потока препятствует встречное естественное течение зарегулированной реки Береш, русло которой проходит по дну водоема и в верхней части водоема достаточно ощутимо [4]. По мере движения от сбросного канала к водозабору температурные различия в потоке воды на глубине составляли 17–20 °С, что свидетельствует о влиянии потока речных вод р. Береш в придонном горизонте, уменьшаясь до 1–2 °С в районе водозабора, где влияние речных вод несущественно.

Распределение и возникновение на акватории пространственных температурных полей связаны не только с циркуляционным движением водных масс, но и влиянием гидрометеорологических факторов, особенно ветров. В районе водоема-охладителя преобладают ветра юго-западного направления, при штормовых погодных условиях чаще повторяются северо- западные ветра; структура течений под действием этих ветров изменяется в верхнем слое воды. При юго-западных ветрах взаимодействие стокового течения с ветровым приводит к торможению подогретых вод в зоне сбросного канала и «прижимает» поток отепленной воды к правому берегу, не изменяя общего характера циркуляции потока.

В программу мониторинга качества воды водоема-охладителя были включены наблюдения с оценкой части акватории, вовлеченной в тепломассообмен, что необходимо для обеспечения эффективной работы ГРЭС. Для этого были организованы наблюдения температуры воды от поверхностного до придонного горизонта с шагом измерения в 1 м в радиальных от сбросного канала направлениях. Съемка проводилась путем измерения глубины и температуры в полынье на шлюпке. Под действием теплового сброса на водоеме в зимние периоды образуется незамерзающая полынья, размеры которой значительно изменяются в зависимости от условий погоды. При исследовании термического режима в зимние периоды в полынье обнаружено, что в акватории возникали температурные поля, образование которых связано не только с циркуляционным потоком, но и с влиянием гидрометеорологических факторов, особенно ветра; структура течений под действием ветра изменяется преимущественно в верхнем слое.

Авторами разработаны практические рекомендации для мероприятий по удалению участков заиления в районе устья сбросного канала, которые были проведены на водоеме-охладителе с помощью плавкрана с ковшом, что способствовало повышению экономической эффективности работы теплоэлектростанции.

Для восстановления веерного распределения отепленной воды между сбросным и водозаборным каналами рекомендована установка на дно водоема-охладителя специальных барьеров, которые перенаправят естественный поток циркуляционной воды от берега к центру водоема [5]. Это обеспечит веерное распределение теплового потока и, соответственно, эффективное охлаждение за счет удлинения траектории движения циркуляционной воды в водоеме и увеличения продолжительности времени естественного охлаждения воды. Это кон- структивное предложение является не единственным вариантом решения проблемы, поэтому исследования особенностей термического режима водоема-охладителя продолжаются.

Выводы. Таким образом, определено, что формирование циркуляционного потока отепленной воды проходит под воздействием следующих трех факторов: сужение потока за счет сформировавшегося скопления взвешенных и седиментрованных частиц на выходе из сбросного канала; взаимодействие потока отепленной воды из сбросного канала и потока речной воды, проходящей по дну водоема в районе сброса; воздействие преобладающих ветров, имеющих противоположное направление. Предложены рекомендации по преодолению этих факторов.

Морфометрические особенности строения водоема, гидрометеорологические условия и тепловой сброс способствовали созданию условий для существования «биофонда» цветения, реализации условий для эвтрофирования водоема-охладителя. Повышение среднегодовой температуры воды привело к «термическому» эвтрофированию водоема-охладителя БГРЭС-1 уже в первоначальный период существования.