Циркуляционное водоснабжение тепловых электростанций в значительной степени определяет экономичность их эксплуатации. На электростанциях с конденсационными турбинами 50-60% всего выработанного тепла выносится циркуляционной водой и для повышения доли тепла, переходящего в электроэнергию, требуется, чтобы в турбину поступал пар высоких температур и давления, а выходил из нее с возможно низким давлением.
Если параметры пара, поступающего, в турбину, определяются ее конструкцией и остаются постоянными, то давление на выходе определяется вакуумом в конденсаторе и в большой степени зависит от работы охладителя циркуляционной воды, ее температуры и качества - временной жесткости, биологических примесей и т.п.
Так, например, для турбины. ПВК-200 повышение температуры поступающей в конденсатор воды только на I гр., в пределах ее от 25 до 30°С, связано с падением вакуума на 0, 005 ат. Эго вызывает увеличение расхода пара и топлива примерно на 0, 5% или при прежнем расходе пара снижение нагрузки турбина примерно на 0, 5% ее номинальной мощности-, т.е. на 1000 кВт.
В результате неудовлетворительного состояния водохранилища-охладителя или неправильной его эксплуатации неоправданное завышение температур циркуляционной воды может достигать нескольких градусов и соответственно ухудшать работу турбин. Все это в равной степени относится и к качеству воды: повышение теплового напора в конденсаторах турбин в результате биологических или минеральных отложений на их трубках сказывается на вакууме в конденсаторах так же, как и повышение температур воды.
Рис.6. Размыв и переработка берега водохранилища
Вакуум в конденсаторах однозначно зависит от температуры пара в горловине конденсатора tn, которая определяется следующим уравнением:
где tе - естественная температура воды, °С;
q - перегрев, равный разности температур охлажденной в водохранилище воды, поступающей в конденсатор, и естественной tе ;
t - нагрев охлаждающей воды в конденсаторе, равный разности температур воды на выходе из него t и на входе t1 ;
t1 - температурный напор, равный разности температур пара, поступающего в конденсатор, tn и воды на выходе из него t2 ; определяется по характеристикам конденсаторов или по обобщенному графику зависимости температурного напора от температуры охлаждающей воды и паровой нагрузки конденсатора.
Естественная температура вода определяется комплексом гидрометеорологических условий; остальные члены уравнения зависят от размеров водохранилища-охладителя, а также от состояния и условий его эксплуатации.
При заданных метеорологических условиях и режиме работы ГРЭС величина перегрева охлажденной воды является показателем достаточности размеров акватории, состояния и условий эксплуатации водохранилища как охладителя. Чем лучше работает охладитель, чем более совершенно используется его акватория, тем меньше величину перегрева воды.
Нагрев t циркуляционной воды в конденсаторе определяется кратностью охлаждения пара, т.е. отношением расхода циркуляционной воды к расходу пара, поступающего в конденсатор. Однако уменьшение t за счет включения в работу дополнительных насосов иди увеличения их производительности связано с ростом расхода электроэнергии, на собственные нужды. Последнее мотет быть оправдано только режимом экономического вакуума, что устанавливается расчетом, а также на основании специальных испытаний либо, более грубо и приближенно, опытным путем по приращению вакуума в конденсаторе по мере увеличения кратности охлаждения.
Необходимость увеличения кратности охлаждения (в пределах экономической кратности) вызывается высокой температурой циркуляционной воды, а следовательно, находится в зависимости от эффективности работы охладителя.
Рис.8. Зависимость вакуума в конденсаторе турбины от толщины и теплопроводности ( Л ) отложений на внутренней поверхности трубок (температура охлаждающей воды 27 С)
Последний член уравнения - тепловой напор dt' в конденсаторе зависит от многих факторов: удельной тепловой нагрузки на единицу площади конденсатора, его воздушной плотности, чистоты его трубок и температур циркуляционной воды.
Состояние и эксплуатация водохранилищ-охладителей сказывается в большой степени на чистоте трубок, так как даже незначительные отложения на них приводят к резкому ухудшению вакуума в конденсаторе (рис.8).
В представленной на рис. 8 зависимости меньше значения коэффициента теплопроводности соответствуют органическим и рыхлым минеральным отложениям, а больше - плотным отложения накипи.
Чистота трубок влияет и на гидравлическую характеристику конденсаторе. Это иллюстрируется зависимостью, приведенной на рис. 9 (по проработкам ХО ТУП), где расход воды через конденсатор дан в процентах от расчетного расхода; внутренний диаметр трубок конденсатора 22 мм.
Таким образом, качество циркуляционной веды является важным фактором экономичной эксплуатации турбин.
Для лучшего использования водохранилища-охладителя в процессе его эксплуатации необходимо осуществлять ряд мероприятий, регулирующих его работу.
Рис.9. Зависимость расхода воды через конденсатор от толщины отложений на внутренней поверхности трубок
Уравнение свободного расширения струи имеет вид
Условия выпуска воды, нагретой в конденсаторах, в водохранилище-охладитель в значительной степени определяют эффективность работы водохранилища. При этой следует иметь в виду, что чем большую площадь водной поверхности занимает теплый циркуляционный поток, тем ниже конечная температура воды. В свою очередь, площадь, занимаемая транзитным потоком при одном и том же расстоянии пути от водовыпуска до водоприемника зависит от начальной трины потока.
где в0 и вд - начальная и конечная ширина потока, и;
h 0 и hх - глубина потека в начальном и конечном сечении, м; е - основание натуральных логарифмов; д - ускорение силы тяжести, м/сек; п - коэффициент шероховатости ложа;
X - расстояние между рассматриваемыми поперечниками, м.
Эта формула применяется для водоемов с глубинами до 4-5 м.
На участках с глубинами больше 5 м расчет растекания дается только для верхнего 5-метрового слоя. Значения коэффициента шероховатости ложа, которые рекомендуется принимать в расчетах, приводятся в табл.4 [Л.7].
При построении плана течение в водохранилище-охладителе необходимо сначала наметить предполагаемое направление динамической оси транзитного потока на всем протяжении его пути от водовыпуска до водозабора, а затем следует рассчитать очертание границ транзитного потока по уравнение расширения струи.
Таблица 4
Еще более сложным является построение плана течений для глубокого водоема или в том случае, когда необходимо решение не плоской, а пространственной задачи. Построение такого плана течений требует специальной подготовки, а в ряде случаев может быть решено только путем моделирования в лаборатории.
Рис, 10. Фильтрующая струераспределительная дамба:
а - план; 5- разрез
Другим обстоятельством, влияющим на эффективность охлаждения циркуляционного потока, является конструкция водовыпуска. Наиболее благоприятно выпускать нагретую воду так, чтобы она широким фронт том, спокойно, без интенсивного перемешивания с придонной более холодной водой распространялась по акватории водохранилища.
а- водохранилище, схема циркуляции 5- эжектор
Рис.12. Коэффициент использования водохранилища.
Рис. 11. Эжектирующее устройство для активизации работы застойной зоны:
Этой цели могут служить, например, струераспределительные сооружения (рис.10) в виде гряд из камня, через которые вода фильтруется и переливается тонким слоем с малыми скоростями.
Таким образом, водовыпуск целесообразно располагать на мелком участке водохранилища.
Если условия для струераспределительного устройства неблагоприятны, ограничиваются сооружением отводящих и подводящих каналов, выпусков, приемлемых по местным условиям, а также струенаправляющих дамб.
При наличии на водохранилище больших площадей, занятых водоворотными или застойными зонами, необходимо их использовать для активного охлаждения воды. В качестве одного из таких мероприятий может быть использована предложенная И.К. Никитиным схема эжектора в струенаправляющей дамбе (рис.II).
В отдельных случаях активизация застойной зоны достигается дополнительным выпуском части нагретого циркуляционного расхода в эту зону.
Охлаждающая способность водохранилища определяется площадью активной зоны, учитывающей охлаждающую способность транзитного потока и смежных, с ним водоворотов [Л.8]. Величина площади активной зоны меньше площади водохранилища в зоне циркуляции и соотношение между ними характеризуется коэффициентом использования
где
- площадь активной зоны водохранилища;
- площадь водохранилища в зоне циркуляции.
Приближенно коэффициент использования водохранилища может быть определен по графику ЛоТШ (рис.12).
Площадь активной зоны при известном коэффициенте использования определяется по соотношению
Наиболее точное определение площади активной зоны может быть получено в результате проведения наблюдений над комплексом элементов, определяющих тепловой режим водохранилища. В этом случае площадь активной зоны (м2) определяется из уравнения теплового баланса 
Коэффициенты теплоотдачи испарением и конвекцией, входящие в уравнение теплового баланса водохранилища, принимаются равными:
где Мт - скорость ветра на высоте 2, 0 м над поверхностью воды, м/сек.
Разность теплосодержаний воды, поступающей в водохранилище и уходящей, определяется из уравнения
где Q, t, - количество тепла, поступающее от электростанции;
Qр tр - количество тепла, приносимое притоком реки;
Q1 t2 - количество тепла, забираемое электростанцией.
Таблица 5
Расходы воды в этом уравнении приняты в кубических метрах в сутки, а теплоемкость и удельный вес воды - равными единице.
При отсутствии притока речной воды и сбросов в нижний бьеф и при равенстве расходов воды, забираемой и сбрасываемой электростанцией, уравнение принимает вид 
Наблюдения над тепловым режимом водохранилища проводятся при устойчивых и близких к номинальным нагрузках турбин.
Продолжительность наблюдений обычно составляет от 5 до 15 сут. в зависимости от размеров водохранилища, устойчивости режима работы электростанции и изменчивости погоды.
Измерения температур воды и воздуха, скорости ветра и радиационного баланса производятся ежечасно, а расходов воды - при их изменениях.
Наблюдения и обработку полученных материалов рекомендуется проводить, руководствуясь Типовой программой исследований водохранилищ-охладителей, составленной совместно ВНЙИГ имени Б.Е Веденеева и Южным отделением ОРГРЭС (Н.Н. Терентьевым).
Такие наблюдения над тепловым режимом водохранилища-охладителя сопровождаются температурными съемками, т.е. измерением по ряду поперечников, температур воды у поверхности и по глубине. Материалы этих замеров позволяют получить план водохранилища с изотермами поверхностного слоя воды, а также поперечные профили с изотермами воды по глубине водоема.
Очертания изотерм дают возможность проследить путь транзитного потока от водовыпуска до водозабора и оценить степень участия отдельных зон водохранилища в охлаждении воды. Кроме того, изотермы поперечных сечений дают картину температурной стратификации водоема и направлений глубинных течений воды.
Руководствуясь результатами наблюдений над тепловым режимом водохранилища и материалами температурных съемок, определяется площадь его активной зоны и коэффициент использования, а также выявляются причины неудовлетворительного участия отдельных зон водохранилища в охлаждении воды. В зависимости от полученных результатов назначаются те или иные мероприятия.
Детальные исследования такого рода проводятся для получения характеристики водохранилища как охладителя и обычно выполняются специализированной организацией или персоналом ГРЭС при наличии надлежащей консультации и приборов.
В обычных условиях ежегодно по данным эксплуатационных наблюдений производится проверка охлаждающей способности водохранилища, причем площадь активной зоны принимается такой, какая была получена при. проведении детальных исследований.
В этом случае по осредненным данным стационарных наблюдений (в 5-10-дневный период устойчивого режима), используя номограмму (рис.13, см.вклейку), определяют температуры охлажденной воды.
Если отклонения вычисленных температур охлажденной воды от наблюдающихся не превышают одного градуса, это значит, что охлаждающая способность водохранилища соответствует ранее определенной. При больших отклонениях необходимо выяснить причины ухудшения охлаждения воды (развитие водной растительности, нарушение работы гидротехнических сооружений и т.п.) и принять меры к их устранению.
В зимний период года тепловой режим водохранилища определяется поддержанием температур охлажденной воды у водоприемника ГРЭС на уровне 2-5°С и обеспечением условий, исключающих занос сеток у водоприемника или подводящих каналов шугой и снегом.
Для поддержания необходимых температур воды используются зимние водовыпуски для пропуска циркуляционного расхода по более короткому пути, а также подача теплой воды непосредственно к водозабору.
Расчет необходимого расхода теплой воды для обогрева решеток может быть выполнен по формуле И.А. Денисова
где
Практически температура воды, охлажденной. в водохранилище, даже при ее переохлаждении не падает ниже минус 0, 04-0, 06°С, т.е. при расчетах может быть принята равной 0°С.
Содержание снега к льда в потоке воды, по данным ряда исследований, может быть принято в- 0, 4.
Коэффициент полноты плавления льда, в зависимости от условий подвода теплой воды и продолжительности контакта льда с подогретой водой, может быть принят в пределах 0, 8-1, 0.
Коэффициент, оценивающий условия подвода к водоприемнику теплой воды, в зависимости от наличия проточности при заборе воды из реки или при подводе каналом колеблется в широких пределах.
При подводе воды к водоприемнику каналов или прорезью рекомендуется принимать н = 0, 9-1, 0; при расположении водоприемника на берегу водохранилища 0, 7-0, 8; при расположении водоприемника на берегу реки и ковша с заборами воды по течению и против течения соответственно 0, 6-0, 9. Практически для подогрева необходимо подавать от 20 до 40% циркуляционного расхода, в зависимости от условий поступления к решеткам теплой воды.
Регулирование расхода воды для подогрева производится по температура воды у водоприемника или что то же самое - по температурам воды перед конденсаторами.
