Энергоэффективность системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-1000-60/3000 с использованием контура циркуляции на сжиженном СО2

Наиболее длительный опыт эксплуатации турбин типа К-1000-60/3000 получен на атомных электростанциях с водо-водяными реакторами. Мощные конденсационные паровые турбины типа К-1000-60/3000 характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, направляется в конденсатор. Низкие начальные параметры пара (5,88 МПа, 274,3°С) компенсируются по мощности большими расходами пара в турбину (1340 кг/с). В среднем для производства 1 кВт∙ч электроэнергии требуется 160 кг охлаждающей воды. Поэтому возможность эффективного использования охлаждающей среды в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин является важной научно-технической задачей. Проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения, в которых промежуточным теплоносителем вместо воды служит низкокипящее рабочее тело.

В конденсаторе паровой турбины типа К-1000-60/3000 поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 32,87°С. Процесс конденсации пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины составляют примерно половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в цикле. В зимний период времени конденсатор паровой турбины является источником сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 32,87°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном углекислом газе СО2 [1].

Замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя включает в себя последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель (конденсатор паровой турбины), турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения (АВО). Охлаждение рабочего газа СО2 осуществляют наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [2].

Низкотемпературный тепловой двигатель работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 5,0 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 СО 2 , который сжимают в насосе до высокого давления 6,93 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2136 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО₂ до температуры перегретого газа в 27,85°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 СО 2 направляют для сжатия в насос теплового двигателя. Затем органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется [3].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на ТЭС (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности низкотемпературного теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-1000-60/3000 контуром циркуляции на сжиженном СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха [4].

Рис. 1. Для турбин типа К-1000-60/3000 с расходом пара в 1340 кг/с.

Рис. 2. Для турбин типа К-1000-60/3000 с расходом пара в 1340 кг/с.

Эксергетическая эффективность низкотемпературного теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 5,41% до 16%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в системе охлаждения паровых турбин типа К-1000-60/3000 позволяет экономить (рис. 1) до 31 т.у.т./час на атомных электростанциях в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).