Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-5,9/25 ХТЗ при температуре охлаждающей воды в 5°С

В настоящее время в эксплуатации на атомных электростанциях (АЭС) находятся 17 паровых турбин типа К-1000-5,9/25 с единичной мощностью 1000 МВт (8 турбин в Украине, 7 турбин в России и 2 турбины в Болгарии). Паровая турбина типа К-1000-5,9/25 производства ХТЗ (Харьковский турбинный завод, ныне ПАО «Турбоатом») является тихоходной (1500 оборотов) паровой турбиной конденсационного типа, используемая на энергоблоках АЭС с водоводяными реакторами ВВЭР-1000. Турбоустановки на частоту вращения 1500 об./мин. отличаются повышенной экономичностью (на 2%) и надежностью по сравнению с быстроходными паровыми турбинами. Конденсационные паровые турбины типа К-1000-5,9/25 ХТЗ (номинальной мощностью 1100 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,88 МПа и температура 274,3°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 936,5 кг/с [1].

В конденсаторе паровой турбины типа К-1000-5,9/25 ХТЗ поддерживается низкое давление пара равное 3,92 кПа, что соответствует температуре насыщения в 28,61°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2142 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 зимний период времени (в некоторых регионах России до 8 месяцев) конденсаторы паровых турбин типа К-1000-5,9/25 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 28,61°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 5°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [2].

Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-5,9/25 ХТЗ, 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-1000-5,9/25 предлагается использовать сжиженный пропан C 3 H 8 .

Рис. 1. Схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-1000-5,9/25 ХТЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 3,92 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 0,85 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-1000-5,9/25 для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация 936,5 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2006 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C 3 H 8 с расходом в 5506 кг/с до температуры перегретого газа в 22°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 15,29°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 5°С для зимнего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 13°С направляют в насос и цикл повторяется [3, 4].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 23°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 11,18 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды в зимний период времени. В данном случаи дополнительная выработка электроэнергии в зимний период времени позволяет экономить на станции расход условного топлива до 3,55 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.

Результирующая технических и экономических соображений приводит к тому, что при сегодняшнем уровне технологий паровые турбины на 3000 об./мин. имеют максимальную мощность порядка 1250 МВт, турбины на 1500 об./мин. достигают мощности в диапазоне 1500 – 1900 МВт (верхняя граница этого диапазона пока не востребована, но заложена в новейших концепциях турбин). Поэтому имеется потенциал для дальнейшего повышения установленной мощности паровых турбин с использованием бинарных циклов.