Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 при температуре охлаждающей воды в 18°С

В настоящее время широкое распространение получили теплофикационные паровые турбины единичной мощностью до 80 МВт для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, что является наиболее экономически оправданным решением. Это обусловлено тем, что используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии в паровых турбинах, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, что позволяет существенно снизить потери в холодном источнике (конденсаторе) и затраты на собственные нужды станции.

Примером может служить теплофикационная паровая турбина типа ПТ-30/35-3,4/1,0 производства Калужского турбинного завода (входит в состав «Силовые машины»), которая в настоящее время эксплуатируется на Березниковской ТЭЦ-2. Данная ТЭЦ-2 обеспечивает паром и горячей водой предприятия Северной промышленной зоны Березников, среди которых – ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и ОАО «Бератон» (производство полиакриламида), а также подает тепло и горячую воду городским потребителям [1, 2].

Теплофикационные паровые турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 (номинальной мощностью 30 МВт и начальными параметрами пара: давление 3,4 МПа и температура 435°С) характеризуются наличием двух регулируемых отборов пара на производственные нужды и теплофикацию. В летний период времени обеспечивается покрытие производственной нагрузки и частично теплофикационной нагрузки потребителей.

При допустимой температуре охлаждающей воды в 18°С для летнего периода времени в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 может поддерживаться низкое давление пара равное 7,5 кПа (допустимо ухудшение вакуума от 4 кПа до 13,2 кПа), что соответствует температуре насыщения в 40,29°С. 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. Таким образом конденсаторы паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°С, а окружающая среда - прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 18°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-30/35-3,4/1,0, 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-30/35-3,4/1,0 предлагается использовать сжиженный пропан C3H8, который уже в течение многих лет используется в промышленных холодильных установках [4].

Перегреты:

пар

Основной электрогенератор

32 МВт

Паровая турбина ПТ-30/35-г 3.4/1,О

Расход газа СзН8

С3Н826°С

Насос

Конденсатор, водяного I охлаждения'

- 0,06 МВт

Л ^Сжиженный газ

22°С

- 0,48 МВт

18°С

99 кг/с

Дополнительный электрогенератор

Турбоде тандер

0,7 МВт

Отработавший в турбине гад С3Н8 27,63°С

(Конденсатор

В систему регенерации

Основной конденсат

Влажный пар,' расход 16 кг/с

.Конденсатный насос

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 с отборами пара на производство и теплофикацию (теплофикационная нагрузка около 40%) для летнего периода 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 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-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 16 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 34 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 99 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 27,63°С направляют в теплообменник-конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 18°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 26°С направляют в насос и цикл повторяется [5].

Также необходимо учитывать, 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 16 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,2 МВт.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 в летний период времени с допустимым температурным перепадом в 22,29°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 0,16 МВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.