Осуществление бинарного цикла в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 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-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 4,0 кПа (при номинальных режимах отбора пара на производство и теплофикацию), что соответствует температуре насыщения в 28,96°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2145 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [2].

Получается, что в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 28,96°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-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 [3].

электрогенератор

4 кПа

(Конденсатор

Пе регреть¹^

.Конденсатный насос

Расход газа СзН8

10°С

-0,144 МВт

5°С

Перегретый

Влажный пар,1 расход 6 кг/с

Основной конденсат

В систему регенерации

35 кг/с

Отработавший в турбине газ* С3Н8 15,29°С

0,23 МВт

Конденсатор, водяного I охлаждения'

-0,014 МВт

X - Сжиженный газ

С3Н8 13°С

Насос пар

Основной

Паровая турбина ПТ-30/35-

,4/1,0

30 МВт

Турбоде тандер

Дополнительный электрогенератор

Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 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 4,0 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 0,87 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 12,87 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 с расходом в 35 кг/с до температуры перегретого газа в 21,67°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 15,29°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].

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.

Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. Хладагент С3Н8 характеризуется мало растворимостью в воде и низкой стоимостью. При использовании хладагента С3Н8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера и насоса. Поэтому возможно повышение надежности работы конденсаторов паровых турбин за счет отсутствия коррозионно-активной среды и обрастания трубок органическими соединениями по сравнению с традиционной системой охлаждения.

Таким образом, допустимый температурный перепад в 24°С обеспечивает дополнительную полезную выработку электроэнергии бинарной энергоустановкой в 72 кВт при использовании в качестве источника холода – водные ресурсы окружающей среды с температурой в 5°С. Поэтому при значительном вентиляционном пропуске пара через цилиндр низкого давления паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 данная бинарная энергоустановка может обеспечить ее надежную работу без снижения экономичности станции.