Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ при температуре охлаждающей воды в 5°С

Теплофикационные паровые турбины предназначены для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, имеют один или несколько регулируемых отборов пара, в которых поддерживается заданное давление. Основными производителями теплофикационных паровых турбин в России являются Ленинградский металлический завод (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины», г. Санкт-Петербург) и Турбомоторный завод (ТМЗ, ныне Уральский турбинный завод, г. Екатеринбург).

Большинство теплофикационных паровых турбин с отопительным отбором пара (типа Т) спроектированы так, чтобы при максимальной теплофикационной нагрузке ступени, расположенные за зоной отбора, мощности не вырабатывали. Однако 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 данной 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].

Теплофикационные паровые турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ (номинальной мощностью 180 МВт и начальными параметрами пара: давление 12,8 МПа и температура 540°С) снабжаются двумя отопительными отборами пара – верхний и нижний, предназначенные для ступенчатого подогрева сетевой воды. При этом минимальное расчетное количество пара, поступающего в конденсатор при номинальном режиме, включенных сетевых подогревателях верхней и нижней ступени подогрева составляет примерно 8,3 кг/с [2].

При допустимой температуре охлаждающей воды в 5°С для зимнего 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 низкопотенциальной теплоты с температурой в 37°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой охлаждающей воды в 5°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [3].

Предлагается способ работы бинарной энергоустановки в зимний период времени 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 (конденсаторе) 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 C3H8 [4, 5].

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ, охлаждаемая технической водой при полной тепловой нагрузке отопительных отборов в зимний период времени: 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 8,3 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 17,66 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 48 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 [6, 7].

Таким образом, допустимый температурный перепад в 32°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 379 кВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды с температурой в 5°С. Поэтому при значительном вентиляционном пропуске пара через цилиндр низкого давления паровой турбины типа Т-180/215-12,8-2 ЛМЗ данная бинарная энергоустановка может обеспечить ее надежную работу без снижения экономичности станции.