Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ, охлаждаемого водой при температуре 12°С

Характерным отличием турбинных технологий для атомных электростанций (АЭС) является абсолютное господство паровых конденсационных турбин насыщенного пара достаточно низких параметров. К особенностям паровых турбин современных АЭС относятся большие потоки пара, повышенные требования к влагоудалению внутри турбины, сепарации и промежуточному перегреву пара, стойкости материалов к эрозии в присутствии влажного пара (12-14% и более), обеспечению приемлемого КПД. К примеру, конденсационные паровые турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ (номинальной мощностью 1074 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,88 МПа и температура 274,3°С) для блоков ВВЭР-1000 характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 883 кг/с.

В конденсаторе паровой турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 32,87°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2136 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины (холодном источнике) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле. В осенние и весенние периоды времени конденсаторы паровых турбин типа К-1000-60/3000 ЛМЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 32,87°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 12°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [1].

Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике второму контуру на низкокипящем рабочем теле (рис. 1). В качестве низкокипящего рабочего тела для бинарной энергоустановки в составе паровой турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [2].

Рис. 1. Схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-60/3000 ЛМЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) 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 пропан C 3 H 8 , который сжимают в насосе до давления 1,0 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-1000-60/3000 для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация 883 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1886 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C₃H₈ с расходом в 5298 кг/с до температуры перегретого газа в 28°С. На выходе из конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ C₃H₈ направляют в турбодетандер, где в процессе расширения газа происходит снижение его температуры и давления, а мощность на валу турбодетандера передается соединенному на одном валу электрогенератору. После турбодетандера газообразный пропан с температурой в 22°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 12°С для осеннего и весеннего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 20°С направляют в насос и цикл повторяется [3, 4].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 21°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 7,8 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды в осенние и весенние периоды времени. В данном случаи дополнительная выработка электроэнергии в осенние и весенние периоды времени позволяет экономить на станции расход условного топлива на 2,47 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.

Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. При использовании хладагента С 3 Н 8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера и насоса. Поэтому возможно повышение надежности работы конденсаторов паровых турбин за счет отсутствия коррозионно-активной среды и обрастания трубок органическими соединениями по сравнению с традиционной системой охлаждения.