Расчет водного баланса градирни: коэффициент упаривания, испарение, унос, продувка, подпитка

Введение

Расчет водного баланса градирни определяет точное количество подпиточной воды, необходимое для устойчивой работы системы оборотного водоснабжения. Баланс сводится к простому правилу: сколько воды теряется, столько и необходимо добавлять. Если этот баланс будет нарушен, система либо израсходует воду, либо начинает накапливать соли и терять эффективность охлаждения. Вода в оборотном цикле теряется по трём каналам: испарение, капельный унос и продувка. Каждый из них рассчитывается отдельно, а затем сводится в общее уравнение материального баланса. Грамотный расчёт позволяет выполнить расчет материально тепловых балансов, обоснованно принять оптимальный коэффициент упаривания, снизить расход подпиточной воды, уменьшить сбросы и защитить теплообменное оборудование от накипи и коррозии.

Для предприятий, где используются промышленные системы охлаждения, системы холодоснабжения, оборотный цикл водоснабжения, градирни для охлаждения оборотной воды, закрытые и двухконтурные градирни, вентиляторные и гибридные градирни, расчёт водного баланса становится частью базового инжиниринга. Он связан с проектированием градирни, проектированием холодоснабжения, подбором насосной станции оборотного водоснабжения, обвязкой градирни, установкой реагентной обработки, промышленной водоподготовкой, фильтрацией и автоматизацией.

Почему расчет водного баланса критически важен при проектировании градирен

Испарительная градирня отводит тепло за счёт испарения части циркулирующей воды. Чистая вода уходит из системы в виде пара, а растворённые соли, хлориды, сульфаты и взвешенные частицы остаются в контуре циркуляции. Их концентрация растёт до тех пор, пока не будет произведена продувка. Если этим процессом не управлять, вода достигает предела насыщения, и начинается выпадение осадка (образование отложений).

Нарушение водного баланса приводит к нескольким взаимосвязанным проблемам:

• Накипь. Карбонат кальция и другие минералы откладываются на поверхностях теплообмена. Даже тонкий слой накипи работает как теплоизолятор и снижает эффективность охлаждения.
• Коррозия. Низкий pH, высокое содержание растворённого кислорода, хлориды и нестабильный водно-химический режим ускоряют разрушение металла.
• Биологическое обрастание. Тёплая, насыщенная кислородом вода подходит для роста бактерий, водорослей и грибков. Биоплёнка снижает теплопередачу и способствует коррозии под отложениями.
• Перерасход воды. Избыточная продувка увеличивает потребление подпиточной воды и сбросы, что напрямую повышает эксплуатационные затраты.
• Загрязнение взвесями. Пыль, песок, продукты коррозии накапливаются в резервуарах, в теплообменниках и в оросителях градирен.

Расчёт водного баланса связывает все эти факторы в единую систему и позволяет реализовать контролируемое управление.

Для стабильной работы оборотного цикла требуется промышленная водоподготовка, которая обеспечивает необходимое качество подпиточной воды, снижает концентрацию примесей и помогает поддерживать заданный режим работы градирни.

Нормативная база в Российской Федерации

В России нет единого нормативного документа, который регламентировал бы расчёт водного баланса градирен для всех сфер применения. Однако основные требования и справочные данные содержатся в нескольких документах.

СП 90.13330.2012 «Электростанции тепловые» (актуализированная редакция СНиП II-58-75). Приложение Е содержит прямое указание: «Для систем оборотного циркуляционного водоснабжения должен составляться баланс воды, учитывающий потери, необходимые сбросы и поступление воды в систему для компенсации убыли из неё». В состав общей убыли воды включаются безвозвратное потребление, потери на испарение, потери вследствие уноса ветром, потери на фильтрацию и сброс воды из системы (продувка). В таблице Е.1 приведены значения коэффициента k для градирен в зависимости от температуры воздуха по сухому термометру: при 0 °С = 0,001; 10 °С = 0,0012; 20 °С = 0,0014; 30 °С = 0,0015; 40 °С = 0,0016. В таблице Е.3 указаны нормативные значения потерь на унос ветром: для вентиляторных градирен с водоуловительными устройствами 0,1–0,2% (при отсутствии токсичных веществ) или 0,05% (при наличии токсичных веществ); для башенных градирен с водоуловителями 0,01–0,05%.

РД 34.02.401 «Методика разработки норм и нормативов водопотребления и водоотведения на предприятиях теплоэнергетики» устанавливает нормативы потерь на капельный унос и потери в градирнях.

ВСН 25-80 «Инструкция по натурным испытаниям и исследованиям башенных градирен большой производительности» содержит конкретные значения: потери на капельный унос через верх башни составляют в градирнях с водоуловителем не более 0,05% от общего расхода воды на градирню.

Научные исследования ВТИ и МЭИ

Актуальные данные по коэффициентам испарения и уноса для современных градирен содержатся в работах Всероссийского теплотехнического института (ВТИ) и Национального исследовательского университета «МЭИ» , что используется при выполнении инженерных расчётов и разработке систем холодоснабжения для промышленных объектов.

В 2026 году специалисты АО «ВТИ» внедрили уникальное программное обеспечение для технологического расчёта башенных испарительных градирен. Программа позволяет моделировать работу градирни при различном количестве слоёв оросителя и различных метеорологических параметрах, что даёт возможность точно прогнозировать температуру охлаждённой воды и оптимизировать конструкцию. Использование собственного программного продукта позволяет ВТИ оперативно проводить технологические расчёты и выдавать рекомендации, адаптированные под конкретные климатические условия и параметры оборудования заказчика, что особенно важно при проектировании холодоснабжения промышленных предприятий.

В статье «Расчёт и визуальное отображение водно-химического режима систем оборотного охлаждения на ТЭС» (журнал «Теплоэнергетика», 2013, № 7), подготовленной специалистами НИУ МЭИ и ОАО ВТИ, рассмотрены проблемы, возникающие при эксплуатации оборотных систем охлаждения с градирнями, и предложено программное обеспечение для контроля гидравлического и химического режима работы циркуляционной системы. Авторы анализируют требования к качеству охлаждающей воды, которые сводятся к тому, чтобы вода не вызывала при нагреве образования минеральных отложений, биологических обрастаний и коррозии оборудования.

Эти работы подтверждают, что современные подходы к расчёту водного баланса требуют учёта не только стандартных формул, но и фактических характеристик оросителей и водоуловителей, а также региональных особенностей качества воды, включая параметры промышленной водоподготовки.

При разработке промышленных систем охлаждения выполняется расчет материально тепловых балансов, который позволяет определить взаимосвязь между тепловой нагрузкой, расходом оборотной воды, потерями на испарение и параметрами работы градирни.

Для конкретных проектов расчёт выполняется по методикам и паспортным характеристикам производителя градирни с учётом местных климатических данных.

Компания «ИНСПРО» для каждой проектируемой системы охлаждения выполняет расчёт водного баланса, подбор фильтров, программы обработки и оборудования реагентной обработки воды на первоначальной стадии базового инжиниринга. Работы включают решения по промышленной водоподготовке, подготовке подпиточной воды и выбору оборудования для стабильной эксплуатации оборотного цикла. Применяются эффективные технологии и решения. Перечень объектов представлен на сайте в соответствующем разделе «ПРОЕКТЫ». Полная референция с контактами заказчиков и службы эксплуатации предоставляется по запросу.

На практике мы часто сталкиваемся с ситуацией, когда заказчик выбирает градирню по каталогу, но не учитывает фактическое качество подпиточной воды. В результате система работает при заниженном коэффициенте упаривания, объём продувки оказывается в разы выше расчётного, а расход подпиточной воды и реагентов неоправданно высоким. Расчёт водного баланса на ранней стадии позволяет избежать этих ошибок и учесть оптимальные параметры в проектной документации.

Перед началом проектирования системы оборотного водоснабжения специалисты используют опросный лист на блок оборотного водоснабжения, в котором фиксируются исходные данные по расходам, температурным режимам, качеству воды и требованиям к оборудованию.

Корректный сбор исходных параметров с помощью опросного листа для блока оборотного водоснабжения позволяет выполнить точные расчёты и подобрать оптимальное решение для системы охлаждения.

Физика потерь воды в водооборотном цикле: три составляющих

Для оптимизации системы охлаждения предлагаем вместе разобраться, как именно вода покидает контур. Есть три основных канала потерь.

При расчёте промышленных систем охлаждения и холодоснабжения учитываются все потери воды в оборотном цикле, включая испарение, капельный унос и продувку, что является частью общего расчёта параметров системы.

Испарение (E)

Испарение - это основной источник потерь воды в оборотных циклах с мокрой градирней. Нагретая вода стекает по оросителю навстречу потоку воздуха. Часть воды испаряется, поглощая скрытую теплоту парообразования у оставшейся воды. Образовавшийся пар уносит это тепло в атмосферу, а температура оставшейся воды снижается. Потери на испарение неизбежны: это плата за отвод тепла от оборудования. Чем выше тепловая нагрузка, тем интенсивнее испарение.

Согласно СП 90.13330.2012, потери воды на испарение определяются по формуле:

E = k × Q × ΔT

где:

• E потери на испарение, м³/ч;
• Q расход оборотной воды, м³/ч;
• ΔT перепад температуры воды на входе и выходе градирни, °С;
• k коэффициент, принимаемый по таблице Е.1 СП 90.13330.2012 в зависимости от температуры воздуха.

На практике для типовых промышленных градирен потери на испарение составляют примерно 1–1,5% от расхода циркулирующей воды на каждые 10 °С перепада температур. Для конкретных проектов расчёт выполняется по методикам и паспортным характеристикам производителей градирен с учётом местных климатических данных.

Капельный унос (D)

Капельный унос (унос ветром) - это капли жидкой воды, выносимые из градирни потоком отработанного воздуха. Согласно СП 340.1325800.2017, капельный унос это «охлажденная вода, выносимая воздухом в виде капель за выходное сечение градирни». В отличие от испарения, капельный унос содержит полную концентрацию минералов и химических реагентов. Эта потеря приводит к загрязнению окружающей среды, потерям реагентов и оказывает влияние на расположенное рядом оборудование.

Согласно СП 90.13330.2012, потери воды вследствие уноса ветром принимаются не выше значений таблицы Е.3. Согласно ВСН 25-80, потери на капельный унос через верх башни составляют в градирнях с водоуловителем не более 0,05%. Современные вентиляторные градирни с эффективными каплеуловителями обеспечивают унос в пределах 0,001–0,005% от циркуляции

Формула расчета уноса воды из градирни:

D = d × Q / 100

где d процент уноса водоуловителя по паспорту градирни, %.

Продувка (B)

Продувка - это контролируемый сброс части концентрированной воды из контура. Она необходима, потому что испарение постоянно повышает содержание растворённых солей. Согласно СП 340.1325800.2017, продувка - это «выведение из циркуляционной системы потока охлаждающей воды для регулирования концентрации соли или других загрязнений в охлаждающей воде».

Формула расчета:

B = E / (K_y − 1) − D

Уравнение водного баланса

Система должна восполнять каждую каплю воды, покидающую контур циркуляции. Необходимое количество подпиточной воды (M) рассчитывается по формуле:

M = E + B + D

Это уравнение определяет суммарную потребность в подпиточной воде. Сокращая продувку и унос, мы напрямую уменьшаем количество свежей подпиточной воды, добавляемое в систему.

Пример расчета уравнения водного баланса

Рассмотрим систему охлаждения с параметрами:

• Расход циркулирующей воды: Q = 3000 м³/ч;
• Перепад температур на входе и выходе вентиляторной градирни: ΔT = 20 °С;
• Температура воздуха: 20 °С (k = 0,0014 по СП 90.13330.2012);
• Унос: d = 0,005% (вентиляторная градирня с эффективным водоуловителем);
• Коэффициент упаривания: K_у = 3 (распространенное значение для систем с реагентной обработкой без умягчения воды, характерное для качества природных источников подпитки в РФ).

Расчёт:

1. Испарение: E = 0,0014 × 3000 × 20 = 84 м³/ч.
2. Капельный унос: D = 0,005 × 3000 / 100 = 0,15 м³/ч.
3. Продувка: B = 84 / (3 − 1) − 0,15 = 42 − 0,15 = 41,85 м³/ч.
4. Подпитка: M = 84 + 41,85 + 0,15 = 126 м³/ч.

Таким образом, для поддержания водного баланса необходимо добавлять в систему 126 м³/ч подпиточной воды. При увеличении K_у до 5 продувка снизится до B = 84 / (5 − 1) − 0,15 = 20,85 м³/ч, а подпитка до 105 м³/ч. Это сэкономит 16,7% расхода подпиточной воды и приведет к соответствующему снижению сбросов.

Для наглядного представления влияния коэффициента упаривания на объём продувки приведём график зависимости продувки при фиксированных потерях на испарение E = 84 м³/ч и уносе D = 0,15 м³/ч.

График наглядно демонстрирует, что с ростом коэффициента упаривания объём продувки резко снижается. Наибольший эффект достигается при переходе от K_у = 2 к K_у = 5: продувка уменьшается более чем в 4 раза. Дальнейшее увеличение K_у даёт меньший прирост экономии, но существенно повышает риск накипеобразования.

Коэффициент упаривания (коэффициент концентрирования) показывает, во сколько раз концентрация растворённых солей в циркулирующей воде выше, чем в подпиточной.

Формула расчета коэффициента упаривания:

K_у = C_цирк / C_подп

На практике коэффициент упаривания часто определяют по электропроводности, поскольку этот параметр измеряется автоматически и хорошо коррелирует с общим солесодержанием.

Согласно опытным данным, при жёсткости подпиточной воды более 5 мг-экв/л без умягчения оптимальный коэффициент упаривания не превысит 3. После умягчения до остаточной жёсткости менее 0,3 мг-экв/л достижимый коэффициент упаривания составит 6–8, а расход подпитки снизится на 20–25%. Это подтверждает, что для систем с реагентной обработкой без умягчения воды коэффициент упаривания предпочтительно поддерживать не более 3.

Для наглядного представления влияния коэффициента упаривания на общий объём потребления воды, приведём график зависимости изменения требуемого расхода подпитки при изменении коэффициента упаривания и фиксированных потерях на испарение E = 84 м³/ч и уносе D = 0,15 м³/ч.

Автоматизация контроля водного баланса

Современная обработка воды и промышленная водоподготовка невозможны без автоматизации этих процессов. Датчики электропроводности непрерывно отслеживают концентрацию минералов в охлаждающей воде. Когда уровень солей достигает критического порога, система автоматически активирует открытие клапана продувки. Регулирование значения электропроводности позволяет поддерживать целевой диапазон коэффициента упаривания, предотвращать превышение порогов накипеобразования.

Проектирование АСУ ТП для градирен позволяет связать насосную станцию оборотного водоснабжения, установку реагентной обработки, фильтры и теплообменники в единый контур холодоснабжения. Для предприятий, где используются блочно-модульные насосные станции, контейнерные насосные станции, шкафы АСУ ТП и шкафы ПЛК, такая интеграция является рациональным эффективным решением.

Типовые значения коэффициента упаривания

• Низкий уровень (2–3). Высокое водопотребление, частые сбросы. Оправдан при жёсткой воде. Типовое значение для природных источников подпитки в РФ, без очистки от солей.
• Оптимальный уровень (4–7). Наиболее распространённый диапазон для промышленных систем с умягчением подпиточной воды.
• Избыточный уровень (8+). Минимальные сбросы, но резко возрастает риск накипи, коррозии и биологического обрастания. Требует развитой химической программы и автоматизации.

Возможность увеличить коэффициент упаривания ограничена качеством подпиточной воды. Основные лимитирующие факторы: жёсткость по кальцию, щёлочность, хлориды, сульфаты. При жёсткой воде или высоком содержании сульфатов безопасный верхний предел коэффициента упаривания снижается. В таких случаях часто применяют умягчение подпиточной воды, обратный осмос или увеличивают дозу ингибиторов накипи.

При работе с высоким коэффициентом упаривания может требоваться усиленная программа химической обработки: ингибиторы накипи, ингибиторы коррозии, биоциды, диспергаторы. Эти реагенты должны работать совместно, обеспечивая защиту оборудования и стабильность водно-химического режима.

Практические пошаговые рекомендации

1. Начинайте с анализа подпиточной воды. Определите жёсткость, щёлочность, хлориды, сульфаты, электропроводность, взвешенные вещества.
2. Рассчитайте водный баланс - выполните расчет материально тепловых балансов. Используйте формулы M = E + B + D и B = E/(K_у − 1) − D. Также используйте паспортные характеристики капельного уноса и испарений градирен предоставляемые изготовителем.
3. Установите фильтрацию бокового потока оборотной воды и при необходимости очистку подпиточной воды в рамках промышленной водоподготовки.
4. Предусмотрите автоматический контроль электропроводности оборотной воды, автоматизированную систему продувки и подачи в систему подпиточной воды по данным опросного листа на блок оборотного водоснабжения для интеграции и связи с АСУ ТП верхнего уровня.
5. Внедрите программу химической обработки.
6. Отслеживайте признаки нестабильности в процессе эксплуатации.
7. Ведите журнал водного баланса.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заключение

Водный баланс - это основа эффективной и безопасной работы любой системы оборотного охлаждения. Он показывает, сколько воды теряется на испарение, капельный унос и продувку и сколько подпиточной воды необходимо подать, чтобы компенсировать эти потери. Без точного расчёта баланса невозможно ни поддерживать стабильный тепловой режим, ни контролировать солевой состав оборотной воды, ни соблюдать нормативные требования по водопотреблению и сбросам.

Грамотно рассчитанный водный баланс даёт предприятию конкретные выгоды. Он позволяет выбрать обоснованный оптимальный коэффициент упаривания, снизить расход подпиточной воды и реагентов, уменьшить объём сбросов, защитить теплообменники от накипи и коррозии и продлить срок службы оборудования. Именно поэтому расчёт водного баланса должен выполняться на ранней стадии проектирования, контролироваться и при необходимости корректироваться в процессе эксплуатации.

Компания «ИНСПРО» помогает подобрать оборудование градирен, разработать АСУ ТП, поставить автоматические сетчатые фильтры, песчаные фильтры промышленного назначения, установки реагентной обработки воды. Мы выполняем проектирование градирни и водооборотного цикла в целом, поставку с учётом комплексной автоматизации, расчёта теплового и материального баланса.

Обратитесь в ООО «ИНСПРО» для получения экспертных услуг, технических консультаций и подбора оптимального решения по водоподготовке и охлаждению оборотной воды.