Pregled tehnologij hladilnih stolpov za JEK2
V spodnjem prispevku objavljamo povzetek pregleda tehnologij hladilnih stolpov za JEK2. Na dnu strani je na voljo povezava do celotnega tehničnega poročila.
Vsak elektroenergetski objekt, ki deluje na osnovi rankinovega cikla, potrebuje za svoje obratovanje ponor toplote. V jedrski elektrarnah se približno dve tretjini toplote generirane v reaktorju odvede v okolje skozi hladilni sistem, le ena tretjina se je pretvori v koristno mehansko delo na turbini. Kvalitetno delovanje hladilnega sistema omogoča ustrezni entalpijski potencial za pridobivanje dela na turbini, vendar pa je ta na eni strani omejen s parametri okolice. V jedrski elektrarni pa je pomemben tudi sistem bistvene oskrbne vode, ki je poskrbi za varno odvajanje zaostale toplote iz sistema reaktorskega hladila v času zaustavitve elektrarne.
Pregled hladilnih tehnologij
S hlajenjem kondenzatorja v jedrskih elektrarnah in ostalih termo elektrarnah se v okolico odvaja velika količina toplote, ki je ni možno pretvoriti v koristno delo. V sekundarnem krogu jedrske elektrarne se približno dve tretjini toplote generirane v reaktorju odvede v okolje skozi hladilni sistem, le ena tretjina se je pretvori v koristno mehansko delo na turbini. Če je elektrarna tik ob morju, veliki reki ali velikem jezeru, lahko odvod zagotovimo s pretočnim hladilnim sistemom, kjer velike količine vode v enem prehodu krožijo skozi kondenzator in odvajajo toploto nazaj v morje, jezero ali reko. Voda je lahko slana ali sladka. Takšen način hlajenja je uporabljen v obstoječi jedrski elektrarni v Krškem – NEK.
Če elektrarna nima na voljo dovolj vode, se lahko hlajenje izvede s hladilnim stolpom. Najbolj pogosto je mokro hlajenje, kjer se največ toplote odvede predvsem z izhlapevanjem. V mokrih hladilnih stolpih izhlapi približno 3 do 5% vode in jo je treba nenehno nadomeščati. Voda se v njih lahko podhladi pod temperaturo suhega termometra. Najnižjo temperaturo, ki se jo lahko doseže je temperatura mokrega termometra.
Obstajajo tudi suhi hladilni stolpi, ki delujejo v zaprti hladilni zanki, kjer se preko prenosnika toplote odvaja toploto v ozračje. Pri slednjih ni vodnih izgub vendar imajo omejeno možnost hlajenja saj ni procesa izhlapevanja. Nobena komercialna jedrska elektrarna na svetu ne uporablja takega hlajenja.
Opis procesa hlajenja hladilne vode v jedrskih elektrarnah
-
Sistem za hlajenje kondenzatorja (CW):
Sistem za hlajenje kondenzatorja (Condensor Water) je odgovoren za odvajanje latentne toplote nekondenzirane pare v kondenzatorju. Toploto, ki jo je potrebno odvesti v okolje je približno 2/3 tiste, ki je proizvedena v reaktorju.
-
Sistem bistvene oskrbne vode (SW):
Sistem bistvene oskrbne vode (Service Water) je varnostno klasificiran in mora neprestano delovati, tudi med zaustavitvijo elektrarne. Preko sistema za hlajenje komponent je SW odgovoren za odvajanje toplote iz opreme varnostnih in nevarnostnih sistemov v vseh fazah obratovanja elektrarne (npr. odvod zaostale toplote med zaustavitvijo itd.). Toploto, ki jo mora SW odvesti v okolje je precej manjša od sistema CW.
-
Hlajenje NEK – Pretočno hlajenje
Pretočno hlajenje je primarni hladilni sistem za hlajenje kondenzatorja NEK. Ta tip hlajenja uporablja za hlajenje kondenzatorja vodo iz reke Save. Elektrarne črpajo velike količine vode iz vodnega vira, ki se po ohlajanju kondenzatorja ogreta vrne nazaj v vir. Elektrarne, ki se hladijo z rečno vodo morajo upoštevati okoljske omejitve, kot so omejitve največje temperature, do katere se sme reka ogreti (v primeru NEK do 28oC) in za koliko stopinj lahko elektrarna reko segreje (v primeru NEK za največ 3oC). Te omejitve največkrat nastopijo v suhih in vročih obdobjih, katerih posledica je tudi nizek pretok reke Save. V ta namen ima NEK dodatne mehanske hladilne stolpe.
Tipi hladilnih stolpov
Poročilo zajema širok nabor opisov hladilnih stolpov. Spodaj so predstavljeni tipi hladilnih stolpov, ki so predlagani kot najbolj primerni za hlajenje JEK2:
-
Naravni vlek
Glavna značilnost mokrega hlajenja je izhlapevanje vode v ozračje, kar odločilno vpliva na odvod toplote iz hladilne vode. Mokri hladilni stolpi so pol odprti sistemi. Zrak v stolpu se segreje in ima posledično nižjo gostoto, zato ga izpodriva zrak iz okolice ki je hladnejši in ima večjo gostoto. Voda iz kondenzatorjev se črpa do pršil, kjer se prši po polnilih, ki se nahajajo pod njimi. Polnila ustvarjajo ogromno prenosno površino, kjer se izvede največji del prenosa toplote in izhlapevanja. Iz stolpov navadno piha nasičena vodna para oz. megla. Ker je izpust visoko v zraku, ima minimalen vpliv na okoliške zgradbe strukture in komponente (vlažnost v okolici se poveča za 0,5%). Zaradi spreminjajočih zunanjih pogojev se spreminja tudi pretok skozi stolp kar vpliva na njihovo delovanje.
Sam stolp nima nobenih premikajočih delov in obratuje pasivno. Potrebna je samo energija za črpalke, ki črpajo hlajeno vodo do pršil. Zaradi tega so vzdrževalni in obratovalni stroški nizki.
Stolpi na naravni vlek so ogromne strukture, ki so lahko visoke tudi preko 200m. Trenutno je največji stolp z 202 m višine v Indiji. Hladilni stolpi na naravni vlek so hiperbolične oblike, saj se s tem doseže največja stabilnost strukure. Zaradi strukture in velikosti je investicija v takšen stolp velika.
-
Mehanski vlek
Stolpe na mehanski vlek najdemo v vseh vrstah industrije, kjer je potreba po odvajanju toplote v okolje. Kot stolpi na naravni vlek pa so pogosti tudi pri proizvodnji elektrike. Kot pove njihovo ime je tok zraka v njih ustvarjen mehansko, z ventilatorji, ki jih poganjajo elektromotorji. Njihova prednost je predvidljivo obratovanje neodvisno od vremenskih pogojev. Porabljajo pa za to precej električne energije, ki zmanjšuje izkoristek elektrarne. Mehanski sklop stolpa je podvržen obrabi in okvaram, zato so vzdrževalni stroški precej večji napram stolpom na naravni vlek. Stolpi na mehanski vlek so nizki in vizualno minimalno degradirajo okolico. Zasedejo pa precej veliko tlorisno površino. Problematičen je njihov izpust nasičenega zraka (megle) pri nizkih višinah, kar ima lahko negativne posledice na bližnje stavbe oz. komponente. V NEK se poleg pretočnega hlajenja, v primeru da reka Sava ne nudi zadostnega ponora, uporabljajo za hlajenje CW vode hladilne stolpe z mehanskim vlekom.
-
Hibridni stolp z mokrim in suhim hlajenjem
Ta tip hibridnega stolpa združuje mokro in suho hlajenje. V osnovi je stolp s prisilnim vlekom, saj ima nameščene ventilatorje na vhodu v mokri in suhi del. Največja prednost takega stolpa je, da iz njega ne izhaja para.
Voda iz kondenzatorja se najprej ohladi v suhem delu hladilnega stolpa (zgornji del, kjer so nameščeni zaprti toplotni prenosniki). Zunanji zrak, ki jih ohlaja se segreje in njegova relativna vlažnost se zmanjša. Voda iz toplotnih prenosnikov se nato dovaja v mokri del, kjer se prši preko polnil. Tukaj poteka proces mokrega hlajenja, kjer z izhlapevanjem povečamo zmožnost ohlajanja. Niz mešalnih kanalov zagotavlja, da se mokri in suhi zračni tokovi temeljito premešajo, tako da zrak, ki zapušča hladilni stolp, ne ustvari vidne megle v vnaprej znanih pogojih okolja in obremenitvi elektrarne. V stolpu se povzroča precej hrupa ki ga ustvarjajo ventilatorji tako suhe kot mokre sekcije, hkrati pa dodaten hrup ustvarja padanje oz. pršenje vode.
Zaradi kompleksnosti ima takšen stolp visoke investicijske in vzdrževalne stroške.
Hlajenje JEK2
Najbolj ugodna in učinkovita varianta za hlajenje kondenzatorja je pretočno hlajenje, vendar ker je hladilni potencial reke Save v dobršni meri že izkoriščen z NEK, moramo za hlajenje JEK2 uporabiti hladilni stolp. Glede na to, da je v reki Savi na voljo dovolj vode za pokrivanje izgub izhlapevanja, je naslednja najboljša izbira mokro hlajenje. Zaključek poročila je, da so protitočni hladilni stolp na naravni vlek, protitočni stolp z induciranim mehanskim vlekom in hibridni stolp z mokrim in suhim hlajenjem sistemi, primerni za hlajenje JEK2. Vsak od njih ima svoje prednosti in slabosti.
Med zgoraj omenjenimi tipi hladilnih stolpov je najbolj optimalna izbira za hlajenje kondenzatorja JEK2 hladilni stolp na naravni vlek. Čeprav je njegova postavitev draga, je njegovo obratovanje najcenejše in najbolj učinkovito. Problematična je njegova velikost oz. višina, ki bi spremenila podobo okolice. Naslednja alternativa so protitočni hladilni stolpi z induciranim mehanskim vlekom – celice. Njihova izgradnja je malenkost ugodnejša napram stoplom na naravni vlek, vendar imajo poleg velike porabe energije še velike obratovalne stroške. Hibridni stolp z mokrim in suhim hlajenjem je prava izbira takrat, ko se želimo izogniti proizvajanju megle, kar ima visoko ceno. Tak stolp ima namreč daleč najdražjo izgradnjo, hkrati pa ga spremljajo visoki obratovalni stroški. Tako celice kot hibridni stolpi oddajajo več hrupa.
Glede hlajenja bistvene oskrbne vode (SW) je najboljša izbira protitočni stolp z induciranim mehanskim vlekom.
Preračun hladilnih stolpov
V tehničnem poročilu je predstavljen tudi razvoj poenostavljenega modela preračuna hladilnih stolpov za hlajenje hladilne vode JEK2. Obravnavana sta hladilna sistema protitočnih hladilnih stolpov z induciranim vlekom ter stolp na naravni vlek.
Narejena je tudi primerjava obratovalnih stroškov (brez stroškov vzdrževanja) za hlajenje mehanskih celic in stolpa na naravni vlek. Namen je prikaz osnov hlajena s hladilnimi stolpi, prikaz različnih tehnologij na trgu ter razvoj računskih modelov hladilnih stolpov za JEK2 na naravni vlek ter na mehanske celice.
Pri izračunih se je ugotavljalo sposobnosti zadostitve obratovalnim in okoljskim parametrom za sistem glavne hladilne vode (CW) in sistem bistvene oskrbne vode (SW). Na podlagi podatkov za JEK2, smo izdelali empirična modela, ki z dobro natančnostjo povezujeta odvisnost moči JEK2 s potrebnimi dimenzijami hladilnih stolpov.
