Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ при температуре охлаждающей воды в 12°С

Конденсационная паровая турбина типа К-65-12,8 является одной из современных разработок Уральского турбинного завода (УТЗ) с номинальной мощностью 65 МВт и параметра пара: 12,8 МПа, 555°С. Первая тепловая электростанция, на которой реализуется проект с паровой турбиной типа К-65-12,8 – Сахалинская ГРЭС-2 (Государственная районная электростанция). Для первой очереди станции заводом-изготовителем УТЗ будет поставлено две паровые турбины типа К-65-12,8.

В настоящее время паровые турбины типа К-65-12,8 находятся на финальной стадии монтажных работ и включения в эксплуатацию на Сахалинской ГРЭС-2. Турбоустановка типа К-65-12,8 УТЗ спроектирована в первую очередь для работы в блоке с котлом. Конструктивное устройство турбины, схемные и компоновочные решения позволяют устанавливать данную турбоустановку в качестве основных блоков станции. На территории Сахалинской области более суровые климатические условия. В северной части области острова Сахалин в январе средняя температура колеблется от -16°С до -24°С, на юге – от -8°С до -18°С. Самым тёплым месяцем является август, в это время даже на севере температура поднимается до 12-17°С, на юге до 16-18°С. Зима на Сахалине снежная и продолжительная. Наиболее холодными районами являются Поронайский, Тымовский и Охинский. Зимой здесь бывают морозы до минус 40-50°С [1, 2].

В конденсаторе паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ поддерживается низкое давление пара равное 5,6 кПа, что соответствует температуре насыщения в 35°С. При этом расход пара в конденсатор на максимальном конденсационном режиме составляет около 40 кг/с. Процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2133 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В летний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-65-12,8 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 35°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 12°С для климатических условий Сахалинской ГРЭС-2. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [3].

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 современной конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле (рис. 1). В качестве низкокипящего рабочего тела для бинарной энергоустановки в составе паровой турбины типа К-6512,8 предлагается использовать сжиженный пропан C₃H₈. При этом охлаждение низкокипящего рабочего газа C 3 H 8 будет осуществляться с использованием системы водоснабжения [4, 5].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе современной конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3%-10%) при давлении в 5,6 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 1,02 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-6512,8 УТЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 40 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 85,32 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 240 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 климатических условий Сахалинской ГРЭС-2. 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 [6, 7].

Таким образом, допустимый температурный перепад в 23°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 0,36 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды. В данном случаи дополнительная выработка электроэнергии позволяет экономить на станции расход условного топлива до 0,11 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.

Также необходимо учитывать, что при традиционном способе охлаждения 1 кг пара в конденсаторе паровой турбины требуется прокачивать около 45-60 кг охлаждающей воды с затратами электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем 11-12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор в 40 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 460 кВт. Поэтому использование бинарной энергоустановки позволяет не только дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции, но и существо экономить на собственные нужды.