Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при температуре охлаждающей воды в 28°С

Современные теплофикационные паровые турбоагрегаты единичной мощностью до 80 МВт для непосредственного привода электрических генераторов и комбинированной выработки тепловой и электрической энергии используются в схемах с утилизацией теплоты или отходов основного технологического производства. Примером может служить опыт эксплуатации теплоэлектроцентрали Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) в утилизации доменного газа с использованием трех паросиловых блоков, каждый из которых включает в себя энергетический котел, паровую турбину типа ПТ-40/50-8,8/1,3 и электрогенератор [1].

Рассмотрим теплофикационную паровую турбину типа ПТ-40/50-8,8/1,3 (номинальной мощностью 40 МВт и начальными параметрами пара: давление 8,8 МПа и температура 535°С) производства Калужского турбинного завода (входит в состав «Силовые машины»). Данная паровая турбина характеризуется тем, что максимальная электрическая мощность турбоустановки 50 МВт достигается в конденсационном режиме с расходом пара в конденсатор до 40 кг/с при отсутствии производственной и тепловой нагрузки в летний период времени [2].

В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 поддерживается низкое давление пара равное 17,85 кПа, что соответствует температуре насыщения в 57,62°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2090 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Поглощение тепловой энергии осуществляется путем прямой прокачки пресной озерной или речной воды через теплообменник-конденсатор паровой турбины, и затем возвращение её в естественные водоёмы без предварительного охлаждения. Зачастую это может приводить к уменьшению содержания в воде растворенного кислорода, увеличению развития водной растительности, а в ряде случаев оказывать вредное воздействие на ценные виды холодолюбивых рыб.

Таким образом в летний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 57,62°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 28°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле.

То есть 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 [3].

Бинарный термодинамический цикл представляет собой совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.

электрогенератор

'Конденсатор

Перегрет^

^с^^

Основной

50 МВт

Основной конденсат

В систему регенерации

Конденсатный насос

Отработавший в турбине пар, расход 40 кг/с

Паровая турбина ПТ-40/50-**»^К8/1,3

Перегретый . паР

Расход газа СзН$

32°С

- 1,2 МВт

28°С

260 кг/с

1,65 МВт

Отработавший в турбине газ' С3Н8 37,76°С

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

С3Н836°С

Насос

Конденсатор водяного [ охлаждения'

0,184 МВт

Д - Сжиженный газ

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 при конденсационном режиме работы (отсутствии производственной и тепловой нагрузки) в летний период времени.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3%-10%) при давлении в 17,85 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 1,54 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 40 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 83,6 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 260 кг/с до температуры перегретого газа в 45,24°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 37,76°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 28°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 36°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 40 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,48 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 29,62°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции (промышленных предприятий) и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 0,266 МВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.