Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ при температуре охлаждающей воды в 18°С

В настоящее время не одна из теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) не обходиться без использования теплофикационных паровых турбин, где осуществляется комбинированное производство тепловой и электрической энергии, что является наиболее экономически оправданным решением. Это обусловлено тем, что используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии в паровых турбинах, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, что позволяет существенно снизить потери в холодном источнике (конденсаторе) и затраты на собственные нужды станции.

Наибольшее распространение на ТЭЦ получили теплофикационные паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ (Турбомоторный завод, ныне Уральский турбинный завод) с регулируемыми одним производственным и двумя теплофикационными отборами пара для нужд производства, отопления и горячего водоснабжения.

Теплофикационные паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ (номинальной мощностью 135 МВт и начальными параметрами пара: давление 12,75 МПа и температура 555°С) характеризуются тем, что максимальная электрическая мощность турбоустановки 165 МВт достигается в летний период времени при величине расхода производственного отбора в 62 кг/с и отключенных теплофикационных отборах. При этом расход пара в конденсатор может достигать 89 кг/с [1].

В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ поддерживается низкое давление пара равное 7,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 40,29°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2120 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В летний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 18°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 теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ, 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 ПТ-135/165-130/15 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [3, 4].

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

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ с одним производственным отбором в летний период времени: П – производственный отбор пара.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3%-10%) при давлении в 7,5 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 1,22 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 ТМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 89 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 188,7 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 550 кг/с до температуры перегретого газа в 35,29°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 27,63°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 18°С для летнего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 26°С направляют в насос и цикл повторяется [5, 6].

Таким образом, минимально допустимый температурный перепад в 22°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 0,93 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды в летний период времени. В данном случаи дополнительная выработка электроэнергии в летний период времени позволяет экономить на станции расход условного топлива до 0,3 т.у.т./час при использовании в качестве низкокипящего рабочего тела – сжиженный пропан C3H8.