Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ при температуре охлаждающей воды в 12°С

На современных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) более 70% суммарной мощности приходится на теплофикационные паровые турбины, где осуществляется комбинированное производство тепловой и электрической энергии. Теплофикационные паровые турбины характеризуются наличием регулируемых производственных и теплофикационных отборов пара для нужд производства, отопления и горячего водоснабжения. Благодаря этому обстоятельству удельный расход топлива на выработку электроэнергии на ТЭЦ уменьшается с возрастанием доли пара, отбираемого для теплового потребителя, поэтому коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 6065% на тепловом потреблении.

В настоящее время для большинства ТЭЦ в эксплуатации находятся теплофикационные паровые турбины с установленной мощностью 60-180 МВт, работающие на начальных параметрах пара 12,75 МПа, 540-560°С. Например, теплофикационные паровые турбины типа Т-180/210-12,8 ЛМЗ (Ленинградский Металлический завод, входит в «Силовые машины») эксплуатируются на таких станциях как Тюменская ТЭЦ-2 (3 турбоагрегата), Правобережная ТЭЦ-5 ОАО «ТГК-1» (1 турбоагрегат), Челябинская ТЭЦ-3 (1 турбоагрегат), Гомельская ТЭЦ-2 (Республика Беларусь) и др.

Также применяются модификации (с индексом 2) теплофикационных паровых турбин типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ (номинальной мощностью 180

МВт и начальными параметрами пара: давление 12,8 МПа и температура 540°С), предназначенные для режимов работы с пониженной температурой охлаждающей воды. Турбина имеет два отопительных отбора пара – верхний и нижний, предназначенные для ступенчатого подогрева сетевой воды. Регулируемое давление поддерживается в верхнем отборе при двух включенных отборах, в нижнем – при включенном одном нижнем отопительном отборе. Максимальный расход пара в конденсатор на конденсационном режиме составляет до 128 кг/с [1].

При допустимой температуре охлаждающей воды в 12°С для осеннего и весеннего периода времени в конденсаторе паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ поддерживается низкое давление пара равное 6,27 кПа, что соответствует температуре насыщения в 37°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования в 2128 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Таким образом конденсаторы паровых турбин типа Т-180/215-12,8-2 являются источниками сбросной теплоты с температурой в 37°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой охлаждающей воды в 12°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [2].

Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 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 паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 предлагается использовать сжиженный пропан C 3 H 8 [3, 4].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ, охлаждаемая технической водой при температуре в 12°С при среднегодовой тепловой нагрузке – около 40%: Т – отопительный отбор пара.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3%-10%) при давлении в 6,27 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 Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 76,8 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 163 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 461 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 22°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 12°С для осеннего и весеннего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 20°С направляют в насос и цикл повторяется [5, 6].

Таким образом, допустимый температурный перепад в 25°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 0,68 МВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды с температурой в 12°С. Также необходимо учитывать, 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 11-12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор в 76,8 кг/с (для среднегодовой тепловой нагрузке) затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 850 кВт. Поэтому использование бинарной энергоустановки позволяет не только дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции, но и существо экономить на собственные нужды в осенние и весенние периоды времени.