Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 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 теплофикационная паровая турбина типа ПТ-30/35-3,4/1,0 производства Калужского турбинного завода, которая в настоящее время эксплуатируется в составе теплоэлектроцентрали на территории химического предприятия АО «ФосАгро-Череповец» [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-30/35-3,4/1,0 (номинальной мощностью 30 МВт и начальными параметрами пара: давление 3,4 МПа и температура 435°С) поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа (допустимо ухудшение вакуума от 4 кПа до 13,2 кПа), что соответствует температуре насыщения в 33°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2136 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-30/35-3,4/1,0 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 33 °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-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 [3].

5 кПа

I Конденсатор

Основной конденсат

Влажный пар,1 расход 10 кг/с

.Конденсатный насос

30 МВт

Основной электрогенератор

Шаровая турбина ПТ-30/35->^4/1,0

Перегретый пар

Расход газа С3Н8

17°С

- 0,24 МВт

12°С

60 кг/с

0,354 МВт

Отработавший в турбине га' С3Н822°С

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

С3Н820°С

Насос

Конденсатор, водяного { охлаждения'

- 0,026 МВт

- Сжиженный газ

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе

В систему регенерации

теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 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.

Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 5,0 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-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 10 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 21,36 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 60 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 22°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].

Преимущество использования сжиженного пропана в качестве низкокипящего рабочего тела в бинарной энергоустановке в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 определяется его термодинамическими свойствами – критической температурой равной 96,7°С и температурой насыщения при атмосферном давлении равной минус 42,11°С, что позволяет исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов и арматуры.

Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 в осенние и весенние периоды времени с допустимым температурным перепадом в 21°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции (промышленных предприятий) и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 88 кВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.