Градирни в системах оборотного водоснабжения: типы, расчёт и эксплуатация

Оборотное водоснабжение промышленного предприятия принято описывать как замкнутый контур, и при таком описании градирня выглядит вспомогательным элементом схемы. На практике всё наоборот: градирня остаётся единственным сооружением оборотного цикла, через которое тепло технологического процесса физически уходит из системы, и именно её параметры определяют, какую температуру охлаждённой воды получит производство в августовскую жару и сколько подпиточной воды предприятие запросит у источника.

Градирня представляет собой самостоятельное инженерное сооружение со своим тепловым и гидравлическим расчётом и отдельным регламентом обслуживания, и ошибка в её подборе не компенсируется ни насосами, ни диаметрами трубопроводов, ни реагентной обработкой. Неверно принятая удельная тепловая нагрузка на орошаемую площадь, изношенный ороситель, отказавший водоуловитель или необдуманный зимний режим оборачиваются недоохлаждением технологического контура, перерасходом воды на подпитку и обледенением площадки.

Место градирни в цикле оборотного водоснабжения

Функция градирни в системе оборотного водоснабжения сводится к одному: сбросить избыточное тепло технологического процесса в атмосферу. Механизм сброса отличается от работы остальных теплообменных аппаратов цикла: охлаждаемая вода вступает в прямой контакт с атмосферным воздухом, и перенос тепла идёт не только за счёт разницы температур, но и за счёт испарения части воды с поверхности плёнки или капель. Такой контактный тепломассообмен позволяет охладить воду ниже температуры наружного воздуха по сухому термометру, поскольку пределом для испарительной градирни служит температура по смоченному термометру, что зафиксировано в пособии по проектированию градирен к СНиП 2.04.02-84.

Пластинчатые и кожухотрубные теплообменники, воздушные конденсаторы и сухие охладители работают иначе: среды разделены стенкой, испарения нет, и охлаждение ограничено температурой воздуха по сухому термометру. Разница между двумя пределами делает испарительную градирню безальтернативной там, где технологии нужна вода холоднее наружного воздуха. На охлаждение одного кубометра воды в ней приходится от шестисот кубометров воздуха и более, а испарение примерно одного процента циркулирующего расхода охлаждает остальные девяносто девять процентов приблизительно на 5,5–5,7 °C. Отсюда ориентир для оценки безвозвратных потерь: около 1–1,5% циркуляционного расхода на каждые 5,5 °C снижения температуры.

Градирня занимает позицию между технологическим аппаратом и всасывающим коллектором циркуляционных насосов: нагретая вода после теплообменника, конденсатора турбины, кристаллизатора или рубашки печи подаётся на водораспределительную систему, проходит ороситель, собирается в бассейне и возвращается насосами в производство. Общая схема оборотного водоснабжения включает также узлы подпитки и продувки, дозирование реагентов и при необходимости фильтрацию байпасного потока, но эти элементы обслуживают оборотную воду, а не участвуют в отводе тепла; полный разбор цикла содержится в материале о проектировании систем оборотного водоснабжения.

Отраслевое применение оборотных систем с градирнями охватывает всю тяжёлую промышленность. В чёрной металлургии они обслуживают охлаждение печей, машин непрерывного литья заготовок, прокатных станов и коксохимических производств, и на комбинатах Урала, Центрального Черноземья и Вологодской области это сооружения на тысячи кубометров в час. В нефтехимии и химии оборотная вода снимает тепло с реакторов, колонн и компрессоров, в энергетике градирни охлаждают конденсаторы паровых турбин. Справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 20-2016 «Промышленные системы охлаждения» относит оборотные системы к наиболее распространённому и экономически обоснованному решению для российской промышленности, противопоставляя их прямоточным системам с высоким водозабором. Вопросы экономии рассмотрены в материале о снижении затрат на воду в промышленности.

Типы градирен и критерии выбора

Классификация градирен в отечественной нормативной практике строится по трём независимым признакам: способу отвода тепла (испарительные, радиаторные сухие, смешанные), способу создания тяги (вентиляторные, башенные, открытые атмосферные) и конструкции оросителя (плёночные, капельные, брызгальные).

Вентиляторные градирни с принудительной тягой остаются рабочей лошадкой промышленности. Воздух прогоняется через ороситель осевыми вентиляторами, нагнетательными в нижней части или вытяжными в верхней. Конструкция компактна, не зависит от направления и скорости ветра, допускает секционирование и точное регулирование глубины охлаждения частотой вращения рабочего колеса. Типоразмерный ряд российских комплектных градирен покрывает диапазон от сотни до нескольких тысяч кубометров в час на секцию: габарит 4×4 м рассчитан примерно на 100–300 м³/ч при мощности привода 9–22 кВт, а габарит 12×16 м на 1200–3000 м³/ч при мощности до 160 кВт. Пособие к СНиП 2.04.02-84 рекомендует включать в один цикл от двух до двенадцати секций (оптимально 4-8), что позволяет менять число работающих секций вслед за тепловой нагрузкой.

Башенные градирни с естественной тягой применяются там, где циркуляционные расходы измеряются десятками тысяч кубометров в час, прежде всего в большой энергетике. Тяга создаётся разницей плотностей тёплого влажного воздуха внутри башни и наружного, электропривод не нужен вовсе. Платой за это становятся капитальные затраты и габариты: железобетонная оболочка высотой в десятки метров строится индивидуально и ремонтируется тяжело, а перепад температуры воды скромнее, чем в вентиляторных градирнях, и составляет порядка 5–10 °C.

Открытые (атмосферные) и брызгальные градирни, а также брызгальные бассейны представляют собой упрощённое решение без вентиляторов и часто без развитого оросителя: охлаждение идёт за счёт ветра и естественной конвекции. Удельная тепловая нагрузка у них на порядок ниже, чем у вентиляторных, и такие сооружения занимают большие площади при скромном эффекте. Отдельную нишу занимают эжекционные градирни, где вода распыляется под давлением 0,3–0,4 МПа с образованием капель около 0,2 мм: они работают с водой температурой 60 °C и выше, но дают повышенный унос.

Сухие и гибридные градирни с закрытым контуром исключают прямой контакт оборотной воды с воздухом: вода или водогликолевая смесь проходит через оребрённый теплообменник, обдуваемый вентиляторами. Безвозвратных потерь на испарение нет, вода не загрязняется атмосферной пылью, парового факела не образуется, обмерзание оросителя как класс проблем исчезает. Ограничение принципиальное: предел охлаждения определяется температурой воздуха по сухому термометру, поэтому в жару сухая градирня проигрывает испарительной по глубине охлаждения и дороже по капитальным затратам на единицу отведённого тепла. Гибридные конструкции включают орошение только при повышении наружной температуры.

Критерии выбора типа градирни на конкретной площадке сводятся к нескольким практическим вопросам:

• располагаемая площадь и допустимая высота застройки в границах предприятия;
• требуемая глубина охлаждения и расчётная летняя температура воздуха в районе строительства;
• доступность и стоимость подпиточной воды, ограничения на водозабор;
• допустимый унос капель и требования к видимому парению у границы санитарно-защитной зоны;
• затраты электроэнергии на привод вентиляторов и ремонтопригодность конструкции.

Комплектные вентиляторные градирни заводской сборки поставляются как типовое изделие с подобранным оросителем, водоуловителем и вентиляторным узлом, а проектная работа сводится к привязке; башенные и крупные многосекционные сооружения проектируются индивидуально. Промежуточным вариантом служит реконструкция существующей градирни с заменой оросителя, водоуловителя и водораспределения на современные полимерные блоки при сохранении каркаса и бассейна.

Тепловой и гидравлический расчёт градирни

Расчёт вентиляторной градирни начинается со сбора исходных данных, и их полнота определяет качество результата больше, чем выбор расчётного метода. Требуются циркуляционный расход воды, температуры воды на входе и выходе и требуемый перепад, тепловая нагрузка в киловаттах или гигакалориях в час, расчётные параметры наружного воздуха для района строительства по СП 131.13330.2020 «Строительная климатология» — температура по сухому и смоченному термометру и относительная влажность, а также категория ответственности охлаждаемого процесса.

Расчётные параметры воздуха берутся не «по среднему лету», а по обеспеченности, и этот выбор прямо влияет на стоимость сооружения. Пособие по проектированию градирен связывает обеспеченность с последствиями недоохлаждения: для процессов, где нарушение температурного режима недопустимо, принимают 1% обеспеченности за летний период, что соответствует примерно одному дню в году; для допускающих кратковременные отклонения принимают 5%, а там, где временное снижение эффективности терпимо, 10%. Разница между первой и третьей категорией выливается в дополнительные секции и установленную мощность вентиляторов.

Центральным показателем, вокруг которого строится подбор, служит удельная тепловая нагрузка на орошаемую площадь. Пособие к СНиП 2.04.02-84 в пункте 1.11 задаёт для вентиляторных градирен диапазон 335–419 МДж/(м²·ч), то есть 80–100 тыс. ккал/(м²·ч), и допускает более высокие значения для современных оросителей. Для башенных градирен приведён диапазон 251–419 МДж/(м²·ч), для открытых атмосферных — всего 29,3–62,6 МДж/(м²·ч). Разделив расчётную тепловую нагрузку на принятую удельную, проектировщик получает первое приближение требуемой орошаемой площади.

Далее в расчёт входит плотность орошения, она же удельная гидравлическая нагрузка, в кубометрах воды на квадратный метр орошаемой площади в час. Пункт 1.12 пособия для условий средней полосы даёт значения по типам оросителя: плёночный допускает 8–12 м³/(м²·ч), капельный 6–10, брызгальный 5–6, открытые атмосферные градирни — не более 3–5 м³/(м²·ч). Плёночный ороситель обеспечивает наибольшую поверхность соприкосновения воды и воздуха и потому допускает максимальную плотность орошения, но он же наиболее чувствителен к загрязнению взвесью и к биообрастанию.

Тепловой расчёт в строгой постановке сводится к решению системы уравнений тепломассообмена между плёнкой воды и потоком воздуха с переменными по высоте оросителя параметрами. В проектной практике она решается по табличным и номографическим данным пособия либо в программных комплексах, использующих экспериментальные характеристики оросительных блоков со стендов ВНИИГ имени Б. Е. Веденеева и НИИ ВОДГЕО. Поэтому оросители нельзя считать взаимозаменяемыми: блоки разных производителей с близкой геометрией дают разные коэффициенты тепломассообмена, и подстановка «аналога» при ремонте без пересчёта приводит к потере расчётной глубины охлаждения.

Гидравлическая часть расчёта включает подбор водораспределительной системы с напором перед соплами порядка 1–5 м водяного столба, проверку равномерности орошения и подбор вентиляторной установки по требуемому расходу воздуха и сопротивлению тракта. Отдельно проверяется скорость воздуха перед водоуловителем: пособие ограничивает её величиной не более 3 м/с, поскольку при превышении унос капель растёт скачком. Перепад температуры воды рекомендуется принимать не менее 4–5 °C, в обоснованных случаях допускается 2–2,5 °C, но тогда площадь оросителя растёт непропорционально быстро.

Проверочный расчёт при частичной загрузке обязателен для любой многосекционной градирни с переменной по году нагрузкой. Он отвечает на два вопроса: какую температуру охлаждённой воды даст сооружение при отключении части секций и при каком минимальном расходе плотность орошения на оставшихся в работе останется в допустимых пределах. Без этого расчёта служба эксплуатации зимой действует наугад.

Потери воды: испарение, унос, продувка

Баланс потерь в оборотной системе водоснабжения складывается из трёх статей: одна безвозвратна по физике процесса, вторая устраняется конструктивно, третья задаётся химией воды.

Испарение составляет основную и неустранимую статью безвозвратного расхода. Доля испарившейся воды растёт с глубиной охлаждения и температурой наружного воздуха, а ориентир составляет около 1–1,5% циркуляционного расхода на каждые 5,5 °C перепада. Для градирни производительностью 2000 м³/ч с перепадом 10 °C это порядка 40–50 м³/ч, и эта величина формирует нижнюю границу потребности предприятия в подпиточной воде. Снизить испарение нельзя, поскольку оно и есть механизм охлаждения; сократить его можно только переходом на сухую или гибридную схему.

Унос капель с потоком воздуха, в отличие от испарения, относится к конструктивным потерям и устраняется водоуловителем. Пособие к СНиП 2.04.02-84 приводит характеристики разных конструкций: деревянные двухрядные дают унос 0,1–0,2% циркуляционного расхода, пластмассовые уголковые, криволинейные и трёхрядные, а также асбестоцементные криволинейные — около 0,05%. Без водоуловителя унос достигает 0,5–0,8% расхода, а через открытые воздуховходные окна ветром выносится ещё 0,02–0,05%. Современные секционные полимерные водоуловители снижают унос до 0,001–0,02%. Унесённые капли содержат всю минерализацию оборотной воды, оседают на конструкциях и дорогах, а зимой превращаются в наледь.

Продувкой называют целенаправленный сброс части оборотной воды, без которого система работать не может. Испарение уносит чистую воду, оставляя соли в контуре, и минерализация растёт до порога выпадения карбоната кальция на поверхностях теплообмена и на оросителе. Отношение минерализации оборотной воды к минерализации подпиточной называется коэффициентом упаривания и определяет требуемый объём продувки: при коэффициенте N она составляет приблизительно 1/(N−1) от объёма испарения. Работа при коэффициенте 2 требует продувки, равной объёму испарения, переход к коэффициенту 4 снижает её втрое, а к 6 — впятеро. Суммарные потери на испарение и продувку справочник ИТС 20-2016 оценивает в 3–5% циркулирующего объёма.

Экономика продувки двусторонняя. Каждый кубометр продувочной воды означает такой же объём подпитки с платой за водозабор — по водному налогу, договору водопользования или тарифу водоканала — и сброс с платой за отведение по правилам, установленным постановлением Правительства РФ № 644 от 29.07.2013, либо нагрузку на собственные очистные сооружения. Продувочная вода несёт повышенную минерализацию и остатки реагентов, поэтому при сбросе в водный объект попадает под нормативы допустимых сбросов, а превышение оборачивается платой за негативное воздействие на окружающую среду. Степень замыкания цикла подробнее рассмотрена в материале о сокращении водозабора через оборотное водоснабжение.

Глубина допустимого упаривания не является свободным параметром теплового расчёта градирни: её задаёт отдельная программа стабилизационной обработки оборотной воды, которую готовит химик-технолог совместно со службой эксплуатации. Подбор ингибиторов отложений и коррозии, их дозирование и связанный с ними допустимый коэффициент упаривания относятся к самостоятельной реагентной программе, а не к тепловому расчёту сооружения.

Работа в зимних условиях и защита от обмерзания

Обмерзание градирни зимой остаётся самой характерной эксплуатационной проблемой испарительных сооружений в российском климате, и возникает она не от мороза самого по себе, а от сочетания низкой температуры воздуха с пониженной тепловой нагрузкой. Зимой технологическая нагрузка часто падает, перепад между температурой воды и воздуха растёт, а воздуха через ороситель при прежней частоте вращения вентиляторов проходит столько же. Вода на периферии оросителя, у воздуховходных окон и на кромках водоуловителя охлаждается до нуля и намерзает слоями.

Первыми обмерзают воздуховходные окна и нижний ярус оросителя по периметру секции, затем лёд нарастает на жалюзи, на кромках водоуловителя и на лопастях вентилятора, если он расположен внизу. Опасность не столько в потере производительности, сколько в механике: масса намёрзшего льда измеряется тоннами, лёд обрывает элементы оросителя и водораспределительные трубопроводы, а отрывающиеся куски повреждают лопасти. Отказ одной секции перекладывает её нагрузку на оставшиеся, что запускает цепную реакцию.

Конструктивные меры защиты закладываются на стадии проектирования:

• наклонный ороситель со смещением нижнего яруса к центру градирни выводит зону максимального охлаждения воды из-под прямого потока холодного воздуха и снижает вероятность образования льда по периметру воздуховходных окон;
• регулируемые жалюзи с фиксацией створок в нескольких положениях позволяют дозировать приток воздуха, не останавливая секцию;
• водоотбойные козырьки препятствуют выносу воды на обмерзающие конструкции;
• кольцевой трубопровод с подачей горячей воды по периметру оросителя, который пособие к СНиП 2.04.02-84 предусматривает наряду с допустимым повышением гидравлической нагрузки в периферийной зоне оросителя.

Эксплуатационные меры не менее действенны. Базовым инструментом служит снижение расхода воздуха через частотное регулирование приводов вентиляторов: частотные преобразователи предотвращают переохлаждение и сокращают потребление электроэнергии на 20–40% по сравнению с работой на постоянной частоте. Байпасирование с подачей 50–100% расчётного расхода воды ниже оросителя создаёт тепловую завесу в зоне воздуховходных окон. Практикуется и кратковременный реверс вентилятора, но приём допустим не для всех конструкций; для небольших градирен с металлическим поддоном применяют греющий кабель на чаше.

Для многосекционных градирен ключевое правило зимнего режима состоит в поочерёдной остановке отдельных секций при снижении общей тепловой нагрузки, а не в равномерном снижении расхода воды на всех секциях сразу. Причина в плотности орошения: если распределить сниженный расход по всем секциям, плотность падает ниже порога, при котором плёнка воды прогревает ороситель, и обмерзают все секции одновременно. Отключив часть секций и перераспределив поток на оставшиеся, эксплуатация удерживает плотность орошения на рекомендуемом для зимы уровне 15–20 м³/(м²·ч). Типовые инструкции дополнительно рекомендуют не допускать снижения температуры воды в контуре ниже 16–18 °C: переохлаждённая оборотная вода провоцирует обмерзание и нарушает технологический режим.

Зимний режим требует ежедневного внимания персонала, а не разовой настройки в ноябре: тепловая нагрузка меняется вместе с загрузкой производства, наружная температура меняется вместе с погодой, и положение жалюзи, число работающих секций и частота вращения вентиляторов должны меняться следом. Автоматизация управления средствами АСУ ТП с обратной связью по температуре охлаждённой воды и наружного воздуха снимает основную часть риска.

Эксплуатация, обслуживание и типичные отказы

Регламент обслуживания градирни строится на двух уровнях. Визуальные осмотры с проверкой равномерности орошения, состояния жалюзи, уровня воды в бассейне и отсутствия посторонних шумов в вентиляторном узле проводятся раз в две-четыре недели, а в зимний и наиболее жаркий периоды чаще. Полное сервисное обслуживание с разборкой узлов, очисткой бассейна и фильтров, ревизией водораспределения, проверкой оросителя и водоуловителя и диагностикой привода выполняется не реже одного-двух раз в год.

О состоянии оросителя в первую очередь говорит падение глубины охлаждения при неизменной тепловой нагрузке. Блоки зарастают отложениями солей жёсткости при недостаточной стабилизационной обработке, забиваются взвесью, тополиным пухом, пылью и листвой, обрастают биоплёнкой, и каждое из этих явлений сокращает площадь эффективного тепломассообмена и увеличивает аэродинамическое сопротивление. Плёночный ороситель чувствителен к загрязнению сильнее капельного и сетчатого, поэтому на производствах с высоким содержанием взвеси сетчатые и капельно-плёночные конструкции предпочтительнее. Отдельное ограничение накладывает температура: плёночный ороситель из ПВХ деформируется при температуре воды выше 60 °C, из полипропилена- выше 80°C. Подача перегретой воды при аварийном режиме выводит блоки из строя необратимо.

Состояние водоуловителя проверяется по факту выноса капель за габариты сооружения. Деформация пластин, трещины и расхождение секций ведут к росту уноса на порядок и более, и последствия выходят за пределы водного баланса: летом это осаждение минерализованной воды на соседних конструкциях и ускоренная коррозия, зимой обледенение площадки и дорог с риском травматизма. Скорость воздуха, превышающая нормируемые 3 м/с из-за частичного забивания оросителя, даёт тот же эффект при формально исправном водоуловителе.

Чаще всего внеплановый простой вызывает вентиляторный узел. Дисбаланс рабочего колеса из-за неравномерного износа или налипания отложений на лопастях, износ подшипников, ослабление креплений редуктора и рассогласование углов установки лопастей проявляются ростом вибрации и шума задолго до отказа. Контроль вибрации и периодическая балансировка колеса обходятся несопоставимо дешевле замены привода и остановки секции в разгар летней нагрузки.

Коррозия каркаса, стояков водораспределительной системы, опорных балок и крепежа развивается тем быстрее, чем выше минерализация оборотной воды и коэффициент упаривания, а зона переменного смачивания на границе уровня воды в бассейне страдает сильнее всего. Контроль включает осмотр несущих элементов, проверку защитных покрытий и оценку толщины металла в критических узлах; при реконструкции градирен советской постройки замена стальных элементов водораспределения на полимерные снимает проблему.

Биологическое обрастание оросителя опасно не только потерей эффективности охлаждения. Тёплая аэрируемая циркулирующая вода служит благоприятной средой для развития Legionella pneumophila, а градирня с её аэрозольным выбросом отнесена санитарными правилами к потенциально опасным водным системам. СанПиН 3.3686-21 «Санитарно-эпидемиологические требования по профилактике инфекционных болезней», действующий с 1 сентября 2021 года, относит системы охлаждения воды промышленных предприятий — в том числе градирни — к объектам периодического лабораторного контроля на наличие легионелл и требует проведения дезинфекционных мероприятий при выявлении возбудителя; конкретные дозы и режимы обеззараживания предприятие устанавливает в собственной программе производственного контроля. Для эксплуатации градирни это оборачивается регулярной биоцидной обработкой по согласованному графику и синхронным контролем состояния оросителя и водоуловителя. Подбор конкретных реагентов, их дозирование и связь с коэффициентом упаривания относятся к отдельной программе стабилизационной обработки оборотной воды, а не к регламенту обслуживания самой градирни. Вопросы защиты оборудования от накипи и коррозии подробно рассмотрены применительно к водоподготовке для котельных, где контур закрытый и химия воды строится иначе.

Нормативной опорой проектирования и реконструкции остаётся действующий свод правил СП 31.13330.2021 «СНиП 2.04.02-84* Водоснабжение. Наружные сети и сооружения», введённый в действие 28 января 2022 года; собственной методики теплового расчёта градирен свод правил не содержит, и в проектной практике по-прежнему используют пособие по проектированию градирен к СНиП 2.04.02-84, документ справочного, рекомендательного характера, а не самостоятельный норматив. Отраслевые ориентиры по выбору системы охлаждения даёт информационно-технический справочник ИТС 20-2016 «Промышленные системы охлаждения». Совокупность этих документов задаёт рамку, внутри которой решения по типу градирни, её расчётной нагрузке и режимам эксплуатации становятся обоснованными, а не унаследованными от предыдущего поколения оборудования.