Limitarea poluarii termice a apei - poluarea apelor

Poluarea apelor poate fi definita ca fenomenul prin care se produc modificari calitative negative ale proprietatilor naturale, ce au ca urmare scoaterea partiala sau totala a resursei din ciclul folosintelor.

In bilantul energetic al unei centrale termoelectrice, dca tinem seama de pierderile termice ale cazanului de abur (circa 4%), de caldura pierduta cu gazele de ardere evacuate (circa 6%), si de consumul propriu (circa 3%), rezulta, la un lucru mecanic util de 40%, o energie termica in jur de 45% care trebuie cedata mediului ambiant.

In cazul centralelor nuclearo-electrice (CNE) aceasta energie este si mai mare, in jur de 65% din energia termica preluata de reactor.

Evacuarea caldurii la sursa rece a ciclului termic se realizeaza prin condensarea aburului in condensatorul turbinei cu abur si cedarea energiei eliberate catre mediul ambiant, fie apei unui rau, fie aerului.

Cantitatile de caldura si implicit debitele de fluid de racire au valori importante, fiind dependente de puterea grupului, debitele de abur extrase la prize si existenta supraincalzirii intermediare. Valorile orientative pentru consumul specific al apei de racire sunt date in tabelul 9.1.

Atunci cand se foloseste aer ca fluid de racire debitele sunt de (3-3,5) ori mai mari decat cele ale apei de racire.

Raportat la puterea la bornele generatorului electric apar, in prezent, urmatoarele valori semnificative ale puterii termice evacuate la sursa rece de catre centralele termoelectrice cu condensatie:

centrale termoelectrice de condensatie cu circuit termic perfectionat: (1,2-1,3)MW/MW;

centrale termoelectrice cu circuit termic simplu, functionand cu condensatie: (1,5-1,6)MW/MW;

centrale nuclearoelectrice: (1,85-2)MW/MW;

centrale solar electrice de inalta temperatura cu ciclu cu abur: (4-5)MW/MW;

centrale geotermale, cu nivel de temperatura a fluidului cald de (95-120)°C: (10-13)MW/MW.

Nivelul de temperatura al sursei reci influenteaza in mod fundamental randamentul ciclului. O scadere a temperaturii de condensare cu 4 grade duce in medie la o crestere a randamentului instalatiei termice cu aproximativ 1%. De aici reiese si tendinta de folosire a apei de rau, aceasta avand temperatura cea mai coborata. Insa acest mod de racire in circuit deschis, care necesita (60-90) kg apa/kg abur nu poate fi utilizat decat la puteri moderate tinand cont de disponibilitatile limitate de apa de rau.

Tabelul 9.1. Valorile orintative ale consumului specific de apa de racire [m³/MW_e·h].

Odata cu cresterea puterii centralelor, racirea in circuit deschis (fig. 9.1.a) se inlocuieste cu racirea in circuit inchis (fig. 9.1.b), cand apa de racire este racita intr-un turn de racire cedand energia sa aerului ambiant. Consumul de apa proaspata se reduce in acest caz la circa 0,65 kg apa/kg abur, deci de peste 100 ori comparativ cu racirea in circuit deschis.

a)                                           b)

b-baraj; c-condensator; D_a –debit apa de racire; D_a –debit apa de adaos; IR-instalatie de racire (turnuri cu tiraj natural sau fortat, bazine de stropire)

Fig. 9.1. Racirea apei in circuit deschis (a) si in circuit inchis (b).

Caldura cedata de abur in condensator conduce la o ridicare de temperatura a apei de racire, pentru circuit deschis, de (8-10)°C, valoare definita in mod curent prin optimizarea dimensionarii instalatiilor.

In cazul racirii in circuit deschis, ridicarea temperaturii apei restituite in rau este egala cu saltul de temperatura al apei in circuitul de racire al centralei care poate fi calculat cu relatia:

 [grade] (9.1)

unde: P_i [kW]-puterea instalata a centralei;

Document online: La Mezza - una regione storica del Medio Oriente che include l'Antico Egitto Proiect: Italia - relieful, natalitatea, sistemul legislativ si Economia

D_r [m³/h]-debitul de apa de racire al centralei;

y-factor de incarcare: ; P [kW]-puterea produsa de centrala;

q_n [kJ/kJ]-consumul specific de caldura la sarcina maxima.

Cresterea temperaturii apei raului receptor este un fenomen cu profunde implicatii asupra ecosistemului acvatic, cum ar fi:

efecte pozitive, in perioada anotimpului rece, atat asupra faunei si florei, cat si asupra regimului de curgere a raului, reducand inghetul, fenomen urmarit mai ales pe cursurile navigabile;

efecte negative, in perioada anotimpului cald, asupra echilibrului biologic acvatic daca se depasesc (30-32)°C:

accelerarea depunerii suspensiilor (inclusiv a substantelor precipitate) datorita cresterii vitezelor de decantare a particulelor transportate;

marirea vitezei reactiilor chimice (majorarea vitezei reactiilor chimice este de (2-3) ori la fiecare crestere a temperaturii cu 10°C);

modificarea defavorabila a bilantului de oxigen prin scaderea solubilitatii oxigenului in apa si prin accelerarea degradarii substantelor organice si implicit a consumului de oxigen cu producerea de unor gaze toxice (hidrogen sulfurat, mercaptan, amoniac);

modificarea unor procese fiziologice, ca: metabolismul, reproducerea etc.;

cresterea nocivitatii si toxicitatii majoritatii substantelor poluante din ape, deoarece concentratiile admisibile ale unor substante, la temperaturi normale, devin toxice la temperaturi ridicate;

modificarea raporturilor dintre diferite grupe de organisme (fitoplancton, alge, diatomee).

In cazul in care o apa poluata termic este captata in vederea utilizarii in scop potabil, apar urmatoarele probleme:

prezenta unui gust si a unui miros neplacut datorat concentratiei ridicate in compusi organici solviti;

cresterea necesarului de clor in vederea tratarii;

consum sporit de reactivi pentru coagularea apei;

cresterea necesarului de apa de spalare a filtrelor si scurtarea ciclului activ al acestora;

necesitatea unor noi trepte de tratare, cum ar fi cele de deferizare si demanganizare, pentru scaderea riscului de coroziune si colmatare a retelelor de transport.

Perturbarea echilibrului ecologic datorita incalzirii apei este dependenta in mare masura si de cantitatea de substante chimice, in principal de natura organica, provenite din alte deversari industriale si urbane din amonte. Masuratorile efectuate in mod repetat pe raul Mures au pus in evidenta acest lucru.

Temperatura ridicata a apei raului revine la cea naturala in mod progresiv, printr-o variatie de tip exponential, ca urmare a racirii apei prin evaporare si convectie. Distanta dupa care prezenta apei incalzite nu se mai face simtita este, conform masuratorilor efectuate vara pe raurile Jiu si Mures, de circa (60-80) km.

Amestecul dintre apa calda si restul debitului din rau se face progresiv si lent, in functie de raportul dintre latimea si adancimea cursului de apa, respectiv in functie de directia si de viteza masei de apa incalzita. Acestea au fost confirmate de masuratorile efectuate pe raul Mures, in zona de restitutie a apei calde din centrala termoelectrica Iernut.

Avand in vedere ordinul de marime al debitelor necesare, pentru racire in circuit deschis a centralelor termoelectrice, intra in discutie numai fluvii si rauri mari din zona de ses, adica ape care au traversat localitati si au fost utilizate ca mediu de racire si emisar de diferite industrii, fiind considerate ecologic de categoria a III-a. In consecinta, pentru aceste ape, reglementarile din tara noastra admit o incalzire vara de (6-8)°C (tab. 9.2).

Evitarea poluarii termice impune sa se foloseasca numai in parte debitele raurilor si dupa aceea sa se obtina un amestec omogen intre evacuarea apei calde restituite si restul debitului. Aceasta mareste mai mult debitul raului ce urmeaza sa raceasca o centrala termoelectrica.

Insuficienta debitului, din motive hidrologice sau din motive de limitare a cresterii de temperatura impune folosirea unei raciri in circuit mixt, in care o parte din caldura este evacuata in atmosfera prin turnuri de racire (fig. 9.2). Majoritatea centralelor termoelectrice din Romania folosesc sistemul de racire in circuit mixt.

Tabelul 9.2. Valori propuse pentru incalzirea admisibila a apei in rauri datorita centralelor termoelectrice.

Aceste limitari calitative impun posibilitatea preluarii numai a unei anumite parti din debitul raului:

(9.2)

unde: D₀ [m³/h]-debitul total de apa al raului in amonte de priza;

x-cota de debit pierdut in turnurile de racire;

[°C]-temperatura maxima admisa pe rau in aval de centrala (tab. 9.2);

[°C]-temperatura apei de rau la priza.

Valorile cotei admisibile z, in conditii de vara, la diferite participari ale turnurilor de racire (α), se pot lua si din diagrame in functie de temperaturile admisibile, incalzirea apei in condensator si incarcarea hidraulica a turnului de racire (q_t). In calcul s-au considerat turnuri de racire cu tiraj natural cu performante la nivelul celor folosite in prezent.

Incadrarea turnurilor de racire in circuite mixte este redata in figura 9.2. Rezulta ca ele pot lucra fie in bucla inchisa, solutie utilizata cand debitul raului nu este suficient in tot cursul anului, fie in serie cu condensatorul, atunci cand debitul de apa este suficient dar conditiile ecologice impun limitarea temperaturii de restitutie. In cazul cel mai sever, normele de evitare a poluarii termice impun in prezent doua valori de temperatura, cea de restitutie si cea a amestecului uniform de apa din aval.

Se poate remarca in primul caz ca temperatura apei reci in turn este permanent mai ridicata decat temperatura raului. Amestecul lor conduce la o temperatura de restitutie t₃ mai mare decat cea de racire in circuit deschis majorand prin aceasta riscul poluarii termice. Aceasta reduce si mai mult cota de apa preluabila din sursa de suprafata, iar la limita impune ca in lunile extreme de vara sa se functioneze in circuit de racire complet inchis, dimensionand turnurile pentru intreaga capacitate ceruta de racirea centralei electrice.

Experienta folosirii turnurilor de racire in serie cu condensatorul, masura folosita in mod curent in Germania, a aratat ca pe langa limitarea incalzirii apei, aceasta solutie duce la marirea continutului de oxigen in apa, datorita fenomenului de aerare, influentand pozitiv actiunea de curatire biologica a cursului de apa.

Pentru micsorarea temperaturii de restitutie si majorarea cotei de folosire a apei de rau, cu efecte favorabile asupra consumului specific de combustibil al centralei se pot lua o serie de masuri ca: barbotarea de aer in apa de restitutie, introducerea apei restituite in rau cu ajutorul unui colector perforat pentru a accelera difuzia termica, montarea unor turnuri de racire inseriate pe restitutie, folosirea acumularilor de apa de racire, folosirea unor specii adaptate pentru consumul vegetatiei excedentare sau a algelor toxice (crapul zis “chinezesc”).

In scopul recuperarii si reutilizarii energiei termice se au in vedere urmatoarele cai de actiune: preincalzirea apei de adaos inainte de statia de tratare chimica, incalzirea solului in solarii, termoficarea.

Preincalzirea apei de adaos se realizeaza prin trecerea apei printr-un fascicol de tevi incorporat in condensator, realizandu-se pe aceasta cale o economie de combustibil in jur de 100 t cc/an la o turbina de 100 kW.

Incalzirea solului pentru culturile agricole prin retele de conducte pozate in pamant prin care circula apa de racire nu realizeaza economii efective de combustibil ci numai o sporire a productiei de produse agricole sau legumicole.

Caldura evacuata in condensatorul turbinei poate fi folosita si in scopuri de incalzire daca se intercaleaza o pompa de caldura, care ridica potentialul energiei termice de la 25°C din condensator la circa 60°C in statia de cedare a energiei la consumator. Apare in acest caz un avantaj deosebit fata de modul actual de termoficare, cand se transporta la consumator agent termic cu o temeratura peste 100°C cand conductele trebuie bine izolate si necesita coturi de dilatare, prin faptul ca temperatura agentului termic este cea a mediului ambiant.

In concluzie, efectul termic al centralelor termoelectrice asupra cursurilor de apa de suprafata poate fi redus la niveluri acceptabile prin investitii suplimentare in turnuri de racire si prin respectarea unor programe de folosire a apei in circuit mixt, in functie de temperatura, de debitul afluent si de puterea momentana produsa de instalatia energetica. insa orice solutie s-ar adopta este indispensabila o difuzare si dirijare cat mai energica a caldurii din apa de racire. In acest scop sunt concepute instalatii speciale. Iar pentru o abordare corecta a problemei este necesara o analiza teoretica.

B-baraj; C-condensator; P-pompa; T-turn de racire; δt_P-incalzirea apei in pompe;

t_C –incalzirea apei in condensator; δt_T –racirea apei in instalatia de racire;

t_r –incalzirea apei de rau.

Fig. 9.2. Schemele circuitului mixt de racire si diagramele de temperatura aferente.