Comment convertir son eau fermée ?


Tours de refroidissement dans une centrale électrique en Pennsylvanie

Par Mo Massoudi et Miro Cerha , URS

L’ alinéa 316b) de la Loi sur l’eau propre de l’EPA exige que l’emplacement, la conception, la construction et la capacité des structures de prise d’eau de refroidissement reflètent la meilleure technologie disponible pour réduire au minimum les effets négatifs sur l’environnement. Ces impacts comprennent la mortalité et l’entraînement des poissons, des larves de poissons et des œufs de poisson.

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Les centrales électriques dotées de systèmes de refroidissement à passage unique utilisent des structures d’admission avec des écrans rotatifs pour empêcher les débris de pénétrer dans le système. Cependant, avec les débris, des poissons plus gros sont piégés sur les écrans. La plupart des grillages sont équipés de systèmes de collecte de poissons qui retournent les poissons dans l’environnement, mais une partie des poissons mourra dans le processus. Comme la taille de maille typique des écrans d’admission est sur l’ordre de 3/8″, les très petits poissons, les larves de poissons et les œufs de poisson passeront à travers les grilles et seront hachés à mesure qu’ils passent à travers les roues des pompes à eau circulante (CW). Les organismes qui survivent à l’action de hachage des pompes peuvent mourir du choc thermique lorsqu’ils traversent les condensateurs de la centrale électrique qui chauffent l’eau de l’ordre de 20°F.

Pour satisfaire aux exigences de l’alinéa 316b) de la Clean Water Act, de nombreuses centrales électriques conçues pour le refroidissement à passage unique effectuent des études visant à évaluer des solutions de rechange qui réduiront les impacts de la GI&E. L’une des options pour réduire l’IM&E est la conversion du système de refroidissement à passage unique en système en circuit fermé utilisant des tours de refroidissement. Les tours de refroidissement par évaporation et par voie humide sont l’option préférée car elles produisent des températures d’eau plus froides et nécessitent un encombrement plus faible que les tours de refroidissement à sec. Les condenseurs refroidis à l’air sont généralement éliminés dès le début car ils ont une grande empreinte et nécessitent l’installation d’un grand conduit de vapeur de l’échappement de la turbine vers le condenseur refroidi par air, ce qui n’est pas pratique, sinon impossible, à moderniser dans une installation existante. Ainsi, la discussion dans le présent document se limitera aux tours de refroidissement par voie humide. Les tours de refroidissement par voie humide réduiront le prélèvement d’eau d’environ 90 %. Le prélèvement d’eau restant comprend la composition de la tour de refroidissement et, dans certains cas, le refroidissement auxiliaire. La composition de la tour de refroidissement remplace l’évaporation de la tour et le soufflage de la tour, ce qui est nécessaire pour maintenir la chimie de l’eau de la tour.

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DÉFIS DE CONVERSION EN BOUCLE FERMÉE

La conversion d’un système unique en boucle fermée présente de nombreux défis.

Trouver un site approprié

Les empreintes de la tour de refroidissement sont importantes et trouver un site approprié peut être un défi. Les tours en ligne devraient être situées presque parallèlement aux vents dominants de l’été afin de minimiser la recirculation du panache. La recirculation du panache augmente la température du bulbe humide à l’entrée de la tour, ce qui entraîne une température plus élevée de l’eau froide, un condenseur plus élevé pression et sortie de turbine à vapeur inférieure.

Le brouillard et le givrage sur les structures adjacentes, les chantiers d’aiguillage, les routes et les zones résidentielles avoisinantes doivent être pris en compte lors du choix du site de la tour et de sa relation avec le vent dominant. Les zones disponibles contiennent souvent des milieux humides et peuvent constituer un habitat pour les espèces menacées ou en voie de disparition. L’implantation de tours dans ces zones posera des défis en matière de permis.

Lignes d’eau circulantes de grand diamètre

De nouvelles conduites d’eau circulante (CW) doivent être installées entre la tour de refroidissement et le condenseur existant. Selon la taille de la plante, ces lignes peuvent être très grandes. Pour une usine typique de 1 000 MW, vous aurez besoin d’environ 600 000 gpm d’eau en circulation. Pour maintenir une vitesse typique de 10 pi/s dans le tuyau, le diamètre intérieur du tuyau serait d’environ 13 pieds (ID = sqrt (0,408 * GPM/vitesse) = sqrt (0,408 x 600 000/10) =~156″ = ~13′). Le plus grand diamètre intérieur du tuyau en béton disponible dans le commerce est de 12 pieds. Pour l’usine de 1 000 MW, afin de maintenir une vitesse de 10 pi/s, vous aurez besoin de deux lignes CW d’un diamètre intérieur d’environ 9 pieds chacune. L’excavation typique requise pour deux tuyaux de 9 pieds de diamètre intérieur est illustrée à la figure 1. Il n’est pas facile de faire fonctionner ces grandes lignes à travers les zones encombrées d’une centrale électrique existante, d’autant plus que de nombreux services publics souterrains peuvent être rencontrés en cours de route.

Permettre les défis

Les défis liés aux impacts du panache, aux impacts visuels et au bruit peuvent être énormes et, dans certains cas, insurmontables, en particulier pour les usines situées à proximité de zones résidentielles. Dans certaines conditions atmosphériques, en particulier les jours froids et humides, l’ensemble de l’usine et les zones résidentielles adjacentes peuvent être mis dans le brouillard par le panache déchargé des tours de refroidissement mécaniques à profil bas. Les tours abatées de panache sont disponibles à un coût plus élevé. Le bruit est généré par les éclaboussures d’eau dans le bassin de la tour et par la tour de refroidissement fans. Le bruit devient un problème particulièrement la nuit. Pour atténuer les niveaux sonores, il peut être nécessaire de construire des barrières acoustiques sous forme de murs autour des tours de refroidissement. Il faut veiller à ne pas obstruer l’entrée d’air vers les tours.

Réduction du rendement net de l’usine

La puissance nette de l’usine est réduite en raison d’une pression plus élevée du condenseur, particulièrement en été, lorsque les températures de l’eau froide de la tour sont les plus élevées, et en raison de la charge auxiliaire associée aux pompes CW et aux ventilateurs de la tour de refroidissement.

Coût d’investissement élevé

Le coût en capital associé à l’installation de tours, de nouvelles pompes de W, de tuyauterie de CW, etc. est élevé. Le coût de la tour elle-même est souvent relativement faible par rapport au coût total de conversion.

Zone de mise en place pour la construction

Une grande surface de pose de matériel sera nécessaire à proximité de l’usine, ce qui, selon l’emplacement de l’usine, entraîne souvent le déboisement, l’empiètement sur les terres humides, encombrement de la circulation, bruit, etc.

DÉFIS ET ENJEUX SUPPLÉMENTAIRES, MOINS ÉVIDENTS

Les défis et les questions abordés ci-dessus sont relativement bien connus et apparents au premier coup d’œil. Cependant, il y a des questions moins évidentes qui seront spécifiques à une plante particulière, selon la topographie et la conception de la plante, qui nécessitent un examen attentif. Certaines de ces questions sont abordées ci-dessous.

Conception du condenseur existant

Les condenseurs conçus pour un fonctionnement unique, en particulier dans les climats plus froids, sont souvent conçus avec une différence de température terminale élevée (TTD). Condenseur TTD est la différence entre la température de saturation côté vapeur et la température de l’eau chaude circulant quittant le condenseur. Plus la TTD du condenseur est élevée, plus la pression du condenseur est élevée. La raison pour laquelle la TTD est plus élevée pour les condenseurs conçus pour fonctionner dans un système à passage unique est la suivante : les systèmes à passage unique fonctionnent à basse température de circulation de l’eau et peuvent développer des pressions relativement faibles des condensateurs, particulièrement en hiver. À mesure que la température de l’eau d’entrée du condenseur et, par conséquent, la pression du condenseur diminue, la sortie du générateur de turbine à vapeur (STG) augmente. Toutefois, à une faible pression du condenseur, la sortie STG atteint des pics et peut même commencer à diminuer avec une réduction supplémentaire de la pression du condenseur (figure 2). Le fonctionnement à des pressions de condenseur inférieures aux pressions auxquelles les pics de sortie STG n’est donc pas souhaitable. Afin de minimiser les coûts des condensateurs et des systèmes d’eau de circulation et d’éviter de fonctionner à ces très faibles pressions d’échappement, les condenseurs conçus pour fonctionner dans des systèmes à passage unique sont souvent conçus avec des TTD plus élevés que les condenseurs conçus pour fonctionner dans des systèmes en boucle fermée avec tours de refroidissement. Ainsi, alors que vous pouvez voir 7°F TTD pour un condenseur conçu pour une tour de refroidissement, vous pouvez voir une TTD de 20 °F et plus pour un condenseur refroidi à une seule fois. Cela pose des défis pour une conversion à un refroidissement en boucle fermée avec tours de refroidissement, car les pressions résultantes du condenseur (contre-pressions de turbine à vapeur) peuvent s’approcher ou atteindre le point d’alarme de contre-pression de la turbine à vapeur existant pendant les mois chauds de l’été. Un fonctionnement prolongé au point d’alarme ou au-dessus du point d’alarme n’est pas souhaitable, car les pales du dernier étage de la turbine peuvent devenir instables et sujettes à des vibrations et à d’éventuels dommages. Pour cette raison, le fonctionnement près du point d’alarme n’est pas souhaitable. Une marge suffisante devrait être accordée pour éviter de dépasser les pressions d’alarme pendant et après les perturbations, par exemple après un déclenchement d’une pompe CW.

Lorsque la pression du condenseur résultant de la conversion en tours de refroidissement se trouve près du point d’alarme de contre-pression de la turbine à vapeur pendant les hautes températures estivales, les mesures suivantes peuvent être appliquées : Réduire la charge ou augmenter la surface de la surface du condenseur (re-tube) afin de réduire la pression du condenseur. Remplacer les pales du dernier étage de la turbine à vapeur par des pales conçues pour des gaz d’échappement plus élevés pression.

Certains ont suggéré de convertir un condenseur à un seul passage en condenseur à deux passes, mais ce n’est pas une option viable. Voici pourquoi : Dans un condenseur à passage unique, l’eau froide pénètre d’un côté du condenseur et de l’eau chaude existe de l’autre côté. Dans un condenseur à deux passages, l’eau froide et l’eau chaude entrent et sortent du même côté du condenseur ; l’eau partiellement chauffée faisant un tour en U du côté opposé du condenseur. À mesure que l’eau pénètre et existe du même côté, le débit d’eau circulant devrait être considérablement réduit puisque maintenant seulement la moitié de la surface du tube du condensateur serait disponible pour l’eau froide entrant. Cela entraînerait une augmentation de la pression du condenseur, et non une diminution. Pour que le condenseur à deux passes fonctionne, les dimensions du condenseur devraient être augmentées, ce qui, dans une usine existante, pourrait s’avérer impraticable, car cela impliquerait des défis de construction, y compris l’excavation autour du condenseur et éventuellement la structure changements à la hotte d’échappement de la turbine à vapeur. De plus, la boîte d’eau d’admission du condenseur devrait être remplacée par une nouvelle boîte d’eau avec une cloison qui séparerait l’eau froide de l’eau chaude et aurait des buses de sortie supplémentaires pour l’eau chaude. Une tuyauterie supplémentaire devrait être installée pour amener l’eau chaude de l’avant du condenseur à l’arrière du condenseur pour le brancher dans la tuyauterie de décharge existante. Tout cela est presque impossible à réaliser dans l’espace disponible autour du condenseur existant.

Nouvelle pression du condensateur avec tour de refroidissement

Pour estimer correctement les pressions des condensateurs résultant de la conversion au refroidissement en boucle fermée, les modèles de performance suivants doivent être développés : (1) modèle de condenseur utilisant la méthodologie standard Heat Exchange Institute (HEI) et les fiches techniques originales du fournisseur de condenseur ; (2) modèle de performance des turbines à vapeur basé sur le kit thermique du fournisseur de turbines à vapeur ; et (3) modèle de tour de refroidissement basé sur les courbes de correction des performances du fournisseur de tours de refroidissement. Les pressions du condenseur à n’importe quelle température ambiante du bulbe humide sont ensuite calculées par un processus itératif entre ces modèles. Les variables en cause sont illustrées à la figure 3.

Pour une charge unitaire donnée et dans des conditions ambiantes, l’entrée de chaleur du cycle thermique (Q), le débit d’eau circulante (GPM) et la température du bulbe humide d’entrée de la tour de refroidissement (Tw) sont des valeurs connues. Comme toutes les autres variables dépendent de la pression du condenseur, une solution itérative pour la pression du condenseur est nécessaire.

Tour sur une colline

Aux endroits où le seul espace disponible pour la nouvelle tour de refroidissement se trouve à des altitudes plus élevées que l’altitude de la centrale, on peut employer l’agencement semblable à celui illustré à la figure 4. L’eau de la tour serait dirigée vers la structure d’admission existante, qui serait isolée de l’entrée de la rivière par une barrière ou des billes d’arrêt. Le niveau d’eau dans la structure d’admission serait contrôlé par une vanne de régulation de niveau. Pour tirer parti de l’énergie dans l’eau qui circule de la tour de refroidissement, une turbine hydraulique pourrait être installée dans la conduite d’eau froide pour aider à faire fonctionner la nouvelle pompe d’appoint. L’eau froide de la tour est ensuite pompée à travers le condenseur à l’aide des pompes CW d’origine. Pour s’assurer que la boîte d’eau du condenseur n’est pas exposée à une pression plus élevée que sa pression nominale, un tuyau de support serait installé en aval du condenseur comme indiqué. Ce tuyau de support empêcherait la pression excessive côté eau du condenseur pour tous les transitoires postulés. Enfin, une pompe d’appoint fournit la tête nécessaire pour ramener le débit d’eau chaude circulant vers la tour de refroidissement.

Le contrôle des trois éléments actifs de ce système (turbine hydraulique, pompe de circulation d’origine et pompe d’appoint) doit être ajusté pour assurer un fonctionnement équilibré.

L’ utilisation d’une turbine hydraulique et d’un tuyau de support dépend des spécificités de l’usine, des installations avec une élévation du bassin de tour qui n’est que de plusieurs pieds au-dessus du niveau d’admission initial n’utiliseraient généralement pas de turbine hydraulique, tandis que les usines dont l’élévation de la tour dépasse la pression de conception potentielle résultante de la boîte à eau du condenseur auraient souvent à la fois le tuyau d’arrêt et la turbine hydraulique.

Fonctionnalité multimode

La capacité multimode d’un système d’eau de refroidissement en boucle fermée de mise à niveau désigne la capacité du système de revenir au fonctionnement unique d’origine lorsque l’impact sur la vie marine est minime. C’est généralement en hiver, de sorte que cet arrangement élimine également les problèmes de buée, d’ombrage et de givrage en hiver. Il y a aussi un accroissement des avantages de la production en hiver, bien qu’il ne puisse pas compenser la perte de production en été. L’agencement multimode typique est illustré à la figure 5.

Il y a quelques inconvénients à l’arrangement multimode. Le passage d’un mode à l’autre implique le démarrage et l’arrêt de pompes CW à grand volume avec un potentiel d’eau marteau. Des schémas de contrôle appropriés doivent être développés pour assurer un passage sans heurt. Pendant le mode de passage unique, il y aura de l’eau stagnante dans le système. La plus grande partie possible de l’eau stagnante doit être drainée ; l’eau restante doit être traitée. La mise en place d’une tour de refroidissement pour l’hiver peut comprendre des activités d’entretien comme le changement d’huile dans les boîtes d’engrenages d’entraînement des ventilateurs et les paliers de moteur, le nettoyage des passages d’air des moteurs électriques et la lubrification des roulements. Les appareils de chauffage des locaux devraient être utilisés pour les moteurs dans les climats humides. Des couvercles temporaires pour moteurs peuvent être nécessaires pour éviter l’exposition à l’humidité. Pendant la période d’arrêt, les moteurs doivent être actionnés pendant environ 20 minutes chaque mois. Les niveaux d’huile doivent être vérifiés dans les boîtes de vitesses et les paliers de roulement et ajouter de l’huile si nécessaire.

Impact sur le système d’eau de refroidissement auxiliaire

L’ eau de refroidissement est nécessaire non seulement pour refroidir le condenseur principal, mais aussi pour refroidir divers échangeurs de chaleur dans l’usine, tels que les refroidisseurs du générateur principal, générateur refroidisseurs de stator, compresseurs intercoolers, différents refroidisseurs d’huile pour pompes et ventilateurs, refroidisseurs CVC, etc.

Dans certaines usines fossiles, les pompes de refroidissement auxiliaires prennent l’aspiration de la décharge de la pompe CW (figure 6A). Lorsque cette disposition est convertie en un système à boucle fermée, le système d’eau de refroidissement auxiliaire recevra une température d’eau froide plus chaude que celle pour laquelle il avait été initialement prévu. Par conséquent, le système de refroidissement auxiliaire doit être évalué pour voir s’il existe une marge suffisante pour tenir compte des températures plus élevées de l’eau de refroidissement, ou si des modifications telles que des améliorations ou des remplacements d’échangeurs de chaleur sont nécessaires. Si cela s’avère trop difficile, voire impossible, le système de refroidissement auxiliaire devra peut-être être converti en mode « passage unique » (Figure 6B). Cela est coûteux, car de nouvelles pompes de refroidissement auxiliaires, ayant à peu près la même tête que les pompes CW, devraient être installées pour prendre l’aspiration de la rivière (lac, océan). S’il n’y a pas de place dans la structure d’admission existante, il faudrait construire une nouvelle structure d’admission pour les nouvelles pompes de refroidissement auxiliaires. L’eau rejetée par le système de refroidissement auxiliaire pourrait servir de nouvelle composition de la tour de refroidissement. Cela réduirait la taille du nouveau système d’eau de composition de la tour de refroidissement ou éliminerait la nécessité d’en avoir. Le flux de maquillage sera plus chaud que le maquillage provenant de la rivière (lac, océan) et ajoutera une légère augmentation de la fonction thermique de la tour de refroidissement.

Dans certaines usines, les pompes de refroidissement auxiliaires sont séparées des pompes CW. L’avantage de cette disposition est que pendant l’arrêt de la centrale, les pompes à haute consommation d’énergie peuvent être coupées, tandis que les pompes de refroidissement auxiliaires à faible consommation d’énergie fournissent le refroidissement nécessaire pour éliminer la chaleur résiduelle et/ou diverses tâches de refroidissement pendant l’arrêt. Dans ce cas, le débit du système auxiliaire peut être utilisé comme composition de la tour de refroidissement. Cependant, une cloison doit être installée dans la structure d’admission existante pour séparer les pompes CW du refroidissement auxiliaire pompes.

Si cela n’est pas possible, les pompes CW existantes devront peut-être être réinstallées dans le bassin de la tour de refroidissement, à condition que leur tête soit suffisante pour le nouveau service, ou de nouvelles pompes peuvent devoir être installées dans le bassin de la tour de refroidissement. Dans ce cas, la structure d’admission existante ne servira que le système d’eau de refroidissement auxiliaire.

Il peut aussi être nécessaire de construire une nouvelle admission pour les pompes de refroidissement auxiliaires.

De plus, il se peut que les pompes CW existantes soient réinstallées dans le bassin de la tour de refroidissement ou dans les nouvelles pompes installées là si l’alimentation par gravité de la tour vers la structure d’admission existante n’est pas pratique en raison de la différence d’élévation insuffisante, de la longue distance ou de la difficulté d’amener la grande quantité d’eau dans le sans affecter le fonctionnement des pompes CW existantes.

Étant donné que le système de refroidissement auxiliaire fournit de l’eau pour le dissipateur thermique ultime pour évacuer la chaleur des composants liés à la sécurité lors d’accidents postulés par l’usine et , le système auxiliaire est lié à la sécurité et doit demeurer dans la configuration à passage unique, distinct du système de circulation d’eau non lié à la sécurité. L’eau de refroidissement auxiliaire peut être utilisée comme maquillage de tour de refroidissement.

La solution finale dépendra des marges de conception et de l’agencement du système auxiliaire d’eau de refroidissement dans l’installation en question.

Tours d’eau salée

Les tours de refroidissement ont besoin d’eau de maquillage pour reconstituer l’eau perdue dans l’atmosphère sous forme d’évaporation et de dérive et pour reconstituer le soufflage.

Blowdown est nécessaire pour maintenir la chimie de l’eau de la tour. Pour les plantes situées au bord de la mer, souvent la seule eau de maquillage disponible est l’eau de mer salée. En de rares occasions, l’eau provenant d’une station d’épuration des eaux usées municipales locales peut être disponible.

Avec la composition de l’eau salée, l’eau de l’ensemble du système d’eau en circulation devient concentrée, la concentration typique de sel augmentant jusqu’à 1,5 à 2 fois celle de l’eau de mer, ou plus. Mer la salinité de l’eau est d’environ 35 grammes de solides pour 1 000 grammes d’eau de mer, soit 35 000 ppm.

Parmi les principaux problèmes liés à l’utilisation de l’eau salée dans les tours de refroidissement, mentionnons :

  • Effet sur les matériaux de construction. Les tours d’eau salée nécessitent de nombreuses dispositions pour accommoder l’atmosphère salée corrosive.
  • Effet sur les performances thermiques. L’eau de mer est un liquide de refroidissement moins efficace pour le système.
  • Impacts environnementaux associés aux dépôts de sel

Les composants métalliques en contact avec l’eau salée doivent être en matériaux résistants à la corrosion.

Un mélange de béton spécial et un revêtement époxy de toutes les barres d’armature sont nécessaires pour les structures en béton en contact avec l’eau salée afin d’éviter la corrosion de l’acier d’armature.

La faible chaleur spécifique de l’eau salée entraîne une réduction des performances thermiques du système de refroidissement. La chaleur retirée du condenseur est approximative par l’équation suivante :

Q = 500 GPM dT cp sg

où : GPM = eau en circulation écoulement

dT = élévation de la température de l’eau en circulation cp = chaleur spécifique à l’eau en circulation sg = gravité spécifique à l’eau en circulation Par exemple, l’eau salée à deux cycles de concentration (la concentration est deux fois supérieure à celle de l’eau de mer normale), à la température de l’eau de 60 °F, la chaleur spécifique cp = ~ 0,92 et la gravité spécifique sg = ~ 1,05. Le produit de cp et sg est d’environ 0,97. Pour l’eau douce, ce produit est égal à 1,0. Ainsi, pour la même élévation de température, environ 3 pour cent de débit d’eau circulante supplémentaire est nécessaire pour enlever la même chaleur du condenseur avec la tour d’eau salée par rapport au même condenseur fonctionnant avec une tour d’eau douce.

En outre, l’eau salée de haute densité nécessite plus de puissance de pompage. Si le débit d’eau circulant est maintenu le même que l’original, la hausse de température augmenterait d’environ 3 %, entraînant une augmentation de la pression du condenseur.

Au-delà des problèmes d’écoulement avec l’eau salée, le caractère de transport thermique de l’eau salée dans le le remplissage de la tour de refroidissement dégrade quelque peu les performances de la tour par rapport à une tour d’eau douce.

Les préoccupations environnementales liées aux tours d’eau salée sont principalement la dérive et la dérive de la tour de refroidissement.

La dérive et le soufflage contiennent la même concentration de solides dissous totaux que celle de l’eau en circulation. Dans certaines conditions météorologiques, la teneur en sel de la dérive se dépose sur les structures adjacentes et causera la corrosion des composants métalliques. Avec des concentrations typiques de 1,5 à 2 cycles, le déversement vers l’océan ne devrait pas causer de problèmes, à condition qu’aucune substance toxique n’ait été ajoutée à l’eau en circulation dans le cadre du traitement de l’eau et qu’une dilution suffisante de l’abattage soit assurée.

CONCLUSION

L’ installation de tours de refroidissement offre l’une des options les plus efficaces pour réduire l’IM&E de la vie marine, car elle réduit la prise d’eau d’environ 90 %.

Le but de ce document était d’identifier certains des moins évidents les problèmes qui découlent de la conversion d’un système de refroidissement en boucle ouverte en un système de refroidissement en boucle fermée et suggèrent des solutions possibles. Ces problèmes, avec leurs impacts associés et les solutions finales, varieront d’un site à l’autre et nécessiteront une analyse minutieuse compte tenu de toutes les conditions propres au site.

Auteurs

Mo Massoudi est directeur du Power Group chez URS. Miro Cerha est ingénieur performance au sein du groupe Power chez URS.

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