Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-60/1500 ХТЗ при температуре охлаждающей воды в 12°С

На реакторы ВВЭР-1000 (водо-водяной энергетический реактор электрической мощностью 1000 МВт) устанавливались в основном тихоходные турбины серии К-1000-5,9 производства ХТЗ (Харьковский турбинный завод, ныне «Турбоатом») и быстроходные турбины серии К1000-60 производства ЛМЗ (Ленинградский металлический завод, входит в «Силовые машины»). К исключениям относится пятый блок Нововоронежской АЭС с реактором ВВЭР-1000, который был оснащен двумя тихоходными турбинами К-500-60/1500 производства ХТЗ. Особенностью турбины К-500-60/1500 является боковое расположение конденсаторов, что снижает окружные неравномерности параметров парового потока за последней ступенью и способствует повышению надежности работы лопаток, а в выхлопных патрубках удается восстановить около 30% энергии выхода пара из последней ступени. Необходимо отметить, что длина вакуумных разъемов турбины К-500-60/1500 с боковыми конденсаторами на 17% меньше, чем в турбине К-500-65/3000.

Конденсационные паровые турбины типа К-500-60/1500 ХТЗ (номинальной мощностью 500 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,9 МПа и температура 274,3°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 489,8 кг/с [1].

В конденсаторе паровой турбины типа К-500-60/1500 ХТЗ поддерживается низкое давление пара равное 5,88 кПа, что соответствует температуре насыщения в 35,79°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2130 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-500-60/1500 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 35,79°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 [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-500-60/1500 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-500-60/1500 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [3, 4].

Влажный

Расход газа CjHg

пар

2939 кг/с

Основной электрогенератор

17,36 МВт

500 МВт

11,75 МВт

5,88 кГ

Конденсатор

Основной конденсат

Насос регенерации

Турбоде тандер

Отработавший в турбине гат CJk22°С

Конденсатор водяного I охлаждения*

В систему

Конденсатный насос

Отработавший в турбине пар, расход 489.8 кг/с

Дополнительный электрогенсратор

Паровая турбина К-500-60 ****^.1500

7 МВт

ГХ ^Сжиженный газ

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-60/1500 ХТЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине влажный пар (12-14%) при давлении в 5,88 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 1,0 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-500-60/1500 ХТЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 489,8 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1043,3 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 2939 кг/с до температуры перегретого газа в 29°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 [5, 6].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 23°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 4,34 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды в осенние и весенние периоды времени. В данном случаи дополнительная выработка электроэнергии в зимний период времени позволяет экономить на станции расход условного топлива до 1,38 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C 3 H 8 .

На базе основных конструктивных решений, принятых для паровых турбины типа К-500-60/1500, спроектирована и изготавливается заводом ХТЗ тихоходная турбина типа К-1000-60/1500 с установленной мощностью в 1100 МВт. Применение тихоходных (1500 об./мин.) паровых турбин на АЭС обусловлено тем, что они характеризуются меньшими нагрузками на ротор, лопатки и прочие элементы, менее требовательны к виброустойчивости и балансированию. Возможность применения данных паровых турбин в составе бинарных энергоустановок позволит в будущем обеспечить дополнительную выработку электроэнергии на станции в осенне-весенние и зимние периоды времени.