Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 при температуре охлаждающей воды в 5°С

Особенности теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) обусловлены ее основной задачей, заключающейся в обеспечении потребителей тепловой энергией в виде пара или горячей воды необходимых параметров. Удельный расход топлива на выработку электроэнергии на ТЭЦ уменьшается с возрастанием доли пара, отбираемого для теплового потребителя. Чем выше удельная выработка на тепловом потреблении, тем больше экономия топлива. Это обеспечивается за счет использования теплофикационных паровых турбин с регулируемыми отборами пара, где используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отпускается тепловым потребителям. Оставшаяся доля пара используется в турбине с возможностью отбора пара на теплофикацию и затем поступает в конденсатор.

При обеспечении тепловой нагрузки потребителей недопустима работа паровых турбин, когда через конденсатор не пропускается пар, т. е. когда весь пар идет в отбор, так как вращение ротора в корпусе, через который не пропускается пар, приведет за счет сил трения между лопатками и рабочим телом к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного отвода теплоты и, как следствие, понижению механической прочности металла. Для отвода этой теплоты через часть низкого давления должно обязательно пропускаться некоторое вентиляционное количество пара. Минимальное количество вентиляционного пара составляет 5-10% от расчетного, проходящего через часть низкого давления [1].

Паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 (номинальной мощностью 135 МВт и начальными параметрами пара: давление 12,75 МПа и температура 555°С) снабжаются одним производственным и двумя теплофикационными отборами пара для нужд производства, отопления и горячего водоснабжения. Минимально допустимый расход пара в конденсатор при тепловом потреблении составляет около 9 кг/с [2].

В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 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. В зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 выступают в качестве источника сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°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 [3].

Рассмотрим способ работы бинарной энергоустановки в зимний период времени в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 с одним производственным и двумя теплофикационными отборами пара, 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 предлагается использовать сжиженный пропан C 3 H 8 [4, 5].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 с одним производственным и двумя теплофикационными отборами пара: П – производственный отбор пара; Т – отопительный 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 1,18 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 9 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 19 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 50 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 21,11°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 14,35°С направляют в насос и цикл повторяется [6, 7].

Таким образом, допустимый температурный перепад в 35°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 463 кВт при вентиляционном расходе пара в конденсатор в 9 кг/с, что позволяет экономить на собственные нужды станции. При изменении тепловой нагрузки потребителей и увеличении расхода пара в конденсатор бинарная энергоустановка может обеспечивать дополнительную выработку электроэнергии с допустимым температурным перепадом в 21°С.