Исследование бинарной энергоустановки на СО2 по выработке электроэнергии на ТЭС за счет утилизации теплоты конденсации отработавшего в турбине пара с давлением в 5,5 кПа

Конденсаторы паровых турбин ТЭС являются одним из основных источников сбросной низкопотенциальной теплоты, где происходит конденсация отработавшего в турбине пара с выделение скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости в окружающую среду. Проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения, в которых промежуточным теплоносителем вместо воды служит низкокипящее рабочее тело, которое испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [1].

В конденсаторе паровой турбины поддерживается низкое давление пара равное 5,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 34,58°С. Для осуществления процесса утилизации сбросной низкопотенциальной теплоты с помощью бинарной энергоустановки, необходимо иметь достаточный температурный перепад между теплотой в конденсаторе паровой турбины и окружающей средой. В зимний период времени конденсатор паровой турбины является источником сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 34,58°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки на основе низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном углекислом газе СО2 [2].

Замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя содержит последовательно соединенные насос, теплообменник-конденсатор паровой турбины, турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения (АВО).

Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 осуществляют наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [3].

Бинарная энергоустановка работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 5,5 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в систему регенерации. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный углекислый газ СО₂, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2133 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО 2 до температуры перегретого газа в 29,58°С. Далее перегретый газ СО 2 расширяют в турбодетандере теплового двигателя, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ СО 2 направляют на охлаждение в конденсатор АВО, где в процессе охлаждения газа СО₂ ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ СО₂ направляют для сжатия в насос теплового двигателя. Затем органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется [4].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по выработке (потреблению) полезной электрической мощности на ТЭС и абсолютного электрического КПД турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 при осуществлении утилизации сбросной теплоты в конденсаторах паровых турбин с давлением в 5,5 кПа и расходом пара в 1 кг/с в зависимости от температуры наружного воздуха [5].

Рис. 1. При давлении в конденсаторе паровой турбины равной 5,5 кПа.

Рис. 2. При давлении в конденсаторе паровой турбины равной 5,5 кПа.

Абсолютный электрический КПД турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя составляет 6,29% в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С). К примеру, для паровых турбин типа Т-110/120-130 с расходом пара в конденсатор до 8 кг/с (10% от номинала) в теплофикационном режиме дополнительная выработка электроэнергии на ТЭС с помощью низкотемпературного теплового двигателя может составить до 0,62 МВт в зимний период времени.