Осуществление бинарного цикла в составе мощной конденсационной паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ, охлаждаемого водой при температуре 5°С

Успешное освоение производства и внедрение в эксплуатацию серии паровых турбин мощностью 300, 500 и 800 МВт на сверхкритические параметры пара явилось предпосылкой создания и изготовления самой мощной отечественной паровой турбины К-1200-240-3 на производственном объединении турбостроения Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ). Созданная с учетом новейших достижений науки и техники, конденсационная паровая турбина типа К-1200-240-3 ЛМЗ (номинальной мощностью 1200 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом в 615 кг/с.

В конденсаторе паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2150 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 конденсатор паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ является источником сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 26,67°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 [1].

Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе мощной конденсационной паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ, 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 мощной конденсационной паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [2].

Рис. 1. Схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 3,5 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-1200-240-3 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация 615 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1322 МДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 3616 кг/с до температуры перегретого газа в 21,67°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 в зимний период 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 [3, 4].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 21°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 7,34 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды в зимний период времени. Возможность дополнительной выработки электроэнергии в зимний период времени позволяет экономить на собственные нужды станции и на расходе условного топлива до 2,33 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.

Создание конструкций бинарной энергоустановки на низкокипящем рабочем теле возможно из обычных материалов и отечественных комплектующих (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Однако основными факторами, которые затрудняют применения данных установок, являются относительная дешевизна традиционных углеводородов и слабое развитие оборудования отечественного производства, работающего на низкокипящих рабочих телах.