Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при температуре охлаждающей воды в 12°С

Практически все предприятия различных отраслей промышленности нуждаются в производственном паре для осуществления технологических процессов: приведения в движение прессов, паровых молотов, турбин и т.д. Также имеется потребность в сетевой воде для отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования. В основном снабжение тепловой энергией и паром осуществляется с близлежащих котельных и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Для этих целей на ТЭЦ используются теплофикационные паровые турбины различного исполнения (турбины с конденсационной установкой и регулируемыми отборами пара и турбины с противодавлением).

Однако имеется опыт использования теплофикационных паровых турбин единичной мощностью до 80 МВт для утилизации теплоты или отходов основного технологического производства. Примером может служить современная теплофикационная паровая турбина типа ПТ-40/50-8,8/1,3 производства Калужского турбинного завода (входит в состав «Силовые    машины»)    эксплуатируемая    на    Новолипецкой теплоэлектроцентрали металлургического комбината [1].

Особенностью теплофикационных паровых турбин является возможность повышения их тепловой экономичности за счет усовершенствования той части тепловой схемы, которая относится к использованию теплоты отработавшего в турбине пара.

Например, в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 (номинальной мощностью 40 МВт и начальными параметрами пара: давление 8,8 МПа и температура 535°С) поддерживается низкое давление пара равное 7,5 кПа (допустимо ухудшение вакуума от 5,5 кПа до 17,8 кПа), что соответствует температуре насыщения в 40,29°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2120 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [2].

Таким образом в осенние и весенние периоды времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 12°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле.

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, который уже в течение многих лет используется в промышленных холодильных установках [3].

Основной электрогенератор

40 МВт

7,5 кПа

'Конденсатор

Паровая турбина

ПТ-40/50-

>^/1,3

Перетру-1

Перегретый пар

Расход газа С3Н8

- 54 кВт

■£н

Насос

59 кг/с

Отработавший в турбине газ1 C3HS21,59°C

766 кВт

С3Н820°С

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

16°С

- 300 кВт

12°С

Конденсатор водяного I охлаждения1

Сжиженный газ

Основной конденсат

Конденсатный насос

Влажный пар,^ f расход 10 кг/с

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 с отборами пара на производство и теплофикацию (теплофикационная нагрузка около 60%) для осеннего и весеннего периода времени: П - производственный отбор пара; Т - теплофикационный отбор пара.

В систему регенерации

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-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 теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 10 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 21,2 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 59 кг/с до температуры перегретого газа в 35,29°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 21,59°С направляют в теплообменник-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 [4, 5].

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 10 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 120 кВт.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 в осенние и весенние периоды времени с допустимым температурным перепадом в 28,29°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции, снижает тепловое загрязнение водоемов, что удовлетворяет нормативным требованиям «Правил охраны поверхностных вод» (ограничивающих повышение температуры не более чем на 5°С зимой и на 3°С – летом) и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в

412 кВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.