Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ при температуре охлаждающей воды в 5°С

Одной из последних разработок Уральского турбинного завода (УТЗ) является конденсационная паровая турбина типа К-65-12,8 средней мощности в 65 МВт (на параметры пара: 12,8 МПа, 555°С). Проект первой электростанции, на которой будет установлены две современные паровые турбины типа К-65-12,8 УТЗ - Сахалинская ГРЭС-2. Согласно проекту, установленная электрическая мощность первой очереди Сахалинской ГРЭС2 составит 120 МВт, суммарная мощность трех очередей станции - 360 МВт. Новая станция должна обеспечить замещение выбывающих мощностей действующей Сахалинской ГРЭС, удовлетворить растущие потребности региона в электроэнергии [1].

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. Для этого предусмотрена возможность осуществления отбора пара на коллектор собственных нужд. Дополнительно в турбине предусмотрен нерегулируемый отбор пара на нужды отопления станции [2].

Площадка Сахалинской ГРЭС-2 расположена в Томаринском территориальном округе Сахалинской области, на западном берегу острова Сахалин у поселка Ильинский. Климатические условия для Сахалинской области очень суровые. 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. Зимний период продолжается 140-200 дней (5-7 месяцев). Устойчивый снежный покров на севере сохраняется – 180-200 дней, на юге – 140-160 дней [3].

При допустимой температуре охлаждающей воды в 5°С для зимнего периода времени 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 равная примерно 2133 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-6512,8 являются источниками сбросной теплоты с температурой в 35°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 [4].

Предлагается способ работы бинарной энергоустановки в зимний период времени 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-65-12,8 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [5, 6].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе современной конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ, охлаждаемая технической водой при температуре в 5°С.

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 230 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 15°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 [7, 8].

Таким образом, допустимый температурный перепад в 30°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 1,83 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 0,58 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.