Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-65/3000 ХТЗ при температуре охлаждающей воды в 5°С

Основными поставщиками отечественных паровых турбин для атомных электростанций (АЭС) средней и большой мощности являются Харьковский турбинный завод (ХТЗ, ныне «Турбоатом») и Ленинградский металлический завод (ЛМЗ, входит в «Силовые машины»). Реакторы большой мощности канальные 1000 МВт (РБМК-1000) оснащались сдвоенными быстроходными турбинами типа К-500-65/3000 ХТЗ. В настоящее время в эксплуатации находятся около 22 паровых турбин типа К-500-65/3000 ХТЗ на таких станциях как Ленинградская, Курская и Смоленская АЭС и др.

Конденсационные паровые турбины типа К-500-65/3000 ХТЗ (номинальной мощностью 547 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,45 МПа и температура 280,4°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 456,6 кг/с [1].

В конденсаторе паровой турбины типа К-500-65/3000 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-500-65/3000 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].

Бинарный термодинамический цикл – совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.

Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-65/3000 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-500-65/3000 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [3].

Преимущество использования сжиженного пропана в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-65/3000 ХТЗ определяется его термодинамическими свойствами – критической температурой равной 96,7°С и температурой насыщения при атмосферном давлении равной минус 42,11°С, что позволяет исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры [4].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-65/3000 ХТЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине влажный пар (12-14%) 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 C3H8, который сжимают в насосе до давления 0,85 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-500-65/3000 ХТЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 456,6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 978 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 2685 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 [5, 6].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 23°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 5,45 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 1,73 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.