Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при температуре охлаждающей воды в 5°С

В настоящее время комбинированная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) - это наиболее эффективный способ экономии топлива на современных тепловых электростанциях. Это достигается 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.

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].

Таким образом, при работе паровых турбин по тепловому графику наблюдаются потери мощности на трение и вентиляцию в ступенях цилиндра низкого давления, а при охлаждении конденсатора циркуляционной водой – потери тепла вентиляционного расхода 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 5,5 кПа (при номинальных режимах отбора пара на производство и теплофикацию), что соответствует температуре насыщения в 34,58°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2133 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [2].

Получаем, что в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 34,58°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 5°С. Тем самым имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле для повышения эффективности паровой турбины.

Таким образом, 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 (конденсаторе) 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 C 3 H 8 [3].

,5,5 кПа

'Конденсатор

Турбоде тандер

Пе регр⁶¹^, ^с^

40 МВт

Основной электрогенератор

11аровая турбина ПТ-40/50->^8/1,3

Перегретый пар

Расход газа С3Н8

Отработавший в турбине гаг С3Н8 15°С

35 кг/с

- 26 кВт

Насос

444 кВт

Дополнительный электрогенератор

С3Н813°C

10°С

- 144 кВт

5°С

Конденсатор водяного ( охлаждения*

Сжиженный газ

Влажный пар,1 расход 6 кг/с

Основной конденсат

Конденсатный насос

В систему регенерации

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при номинальных режимах отбора пара на производство и теплофикацию в зимний период времени: П - производственный отбор пара; Т -теплофикационный отбор пара.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 5,5 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 1,02 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 12,8 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 35 кг/с до температуры перегретого газа в 28°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 15°С направляют в теплообменник-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 [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 6 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 72 кВт.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 в зимний период времени с допустимым температурным перепадом в 29,58°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 274 кВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.