Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при температуре охлаждающей воды в 24°С

Большинство крупных промышленных предприятий нуждаются в снабжении производственным паром для осуществления своих технологических нужд. В основном снабжение производственным паром осуществляется из отборов паровых турбин близлежащих станций -теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), что не всегда является экономически оправданным решением. Поэтому в настоящее время промышленные предприятия заинтересованы в установке собственных паровых турбин для снабжения паром и повышения энергетической независимости от внешних источников электроэнергии. Для этих целей используются теплофикационные паровые турбины единичной мощностью до 80 МВт для выработки тепловой и электрической энергии.

В качестве примера рассмотрим теплофикационную паровую турбину производства Калужского турбинного завода (входит в состав «Силовые машины») типа ПТ-40/50-8,8/1,3 (номинальной мощностью 40 МВт и начальными параметрами пара: давление 8,8 МПа и температура 535°С), которая представляет собой одноцилиндровую паровую турбину с двумя регулируемыми отборами пара на производственные нужды и теплофикацию. В летний период времени тепловая нагрузка потребителей может отсутствовать и поддерживаться только производственная нагрузка с отбором пара в 11 кг/с, тем самым данная паровая турбина будет функционировать в конденсационном режиме со значительным пропуском пара в конденсатор до 30 кг/с [1, 2].

При этом в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 может поддерживаться низкое давление пара равное 10 кПа (допустимо ухудшение вакуума от 5,5 кПа до 17,8 кПа), что соответствует температуре насыщения в 45,81°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2132 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В летний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 45,81°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 24°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [3].

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-40/50-8,8/1,3, 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-40/50-8,8/1,3 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8 [4].

При использовании сжиженного пропана С3Н8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера (турбины) и насоса.

электрогенератор

8/1,3

10 кПа

|Конденсатор

Перегретый

Расход газа СзН8

С3Н832°С

Насос

Конденсатор водяного I охлаждения'

-0,12 МВт f а Л ^Сжиженный газ

28°С

- 0,9 МВт

24°С пар

Основной

Паровая турбина ПТ-40/50-

45 МВт

191 кг/с

1,18 МВт

Отработавший в турбине га ' С3Н8 33,86°С

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

В систему регенерации

Отработавший в турбине пар, 1 расход 30 кг/с

Основной конденсат

.Конденсатный насос

Перегрев ^слГ^

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 с одним

производственным отбором пара в летний период времени: П - производственный отбор пара.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 10 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 1,39 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 30 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 64 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 191 кг/с до температуры перегретого газа в 40,81°С. На выходе из теплообменника-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 33,86°С направляют в теплообменник-конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 24°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 32°С направляют в насос и цикл повторяется [5, 6].

Известно, 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 среднем 12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 30 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,36 МВт.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 в летний период времени с допустимым температурным перепадом в 21,81°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции (промышленных предприятий) и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 0,16 МВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.