Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 ГЕО при температуре охлаждающей воды в 5°С

Основным недостатком геотермальных электростанций (ГеоЭС) является низкий эффективный КПД станции (не превышает 25%) по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями (40-42%). Однако на ГеоЭС сосредоточены огромные запасы низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Так как малоизучены процессы использования низкотемпературных (низкопотенциальных) источников теплоты для эффективной выработки электроэнергии.

В настоящее время самой крупной геотермальной электростанцией России является Мутновская ГеоЭС с номинальной мощностью 50 МВт, которая располагается в юго-восточной части полуострова Камчатка. Выработка электроэнергии осуществляется с помощью двух конденсационных паровых турбин типа К-25-0,6 Гео, к которым подводиться очищенный пар из геотермальных скважин [1].

Конденсационные паровые турбины типа К-25-0,6 Гео (номинальной мощностью 25 МВт и начальными параметрами пара: давление 0,62 МПа и температура 162°С) характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом в 42 кг/с. В конденсаторе паровой турбины типа К-25-0,6 Гео поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 32,87°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2136 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 [2].

В настоящее время проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения, в которых промежуточным теплоносителем вместо воды служит низкокипящее рабочее тело, которое испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху.

Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-25-0,6 Гео являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 32,87°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.

То есть предлагается использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео, 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-25-0,6 Гео предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [3].

При использовании сжиженного пропана С 3 Н 8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера (турбины) и насоса.

5 кПа

1Конденсатор

В скважину

Расход газа СзН8

10°С

- 1 МВт

5°С

242 кг/с

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

Отработавший в турбине газ1 С3Н8 15°С

3,11 МВт

С3Н813°С

Насос

Конденсатор водяного ( охлаждения’

-0,18 МВт

Л - Сжиженный газ

25 МВт нагнетательную

Основной конденсат

.Конденсатный насос

Отработавший в турбине пар, расход 42 кг/с

Основной электрогенератор

Паровая турбина К-25-0,6 ''"Nee-Teo

Геотермальный пар

Рис. 1. Схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео для зимнего периода времени.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 5,0 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в нагнетательную скважину. 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-25-0,6 Гео для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация 42 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 90 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 242 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 [4, 5].

Известно, 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 12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 42 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,5 МВт.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео в зимний период времени с допустимым температурным перепадом в 27,87°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 1,93 МВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.