Повышение энергоэффективности системы охлаждения паровых турбин типа К-220-44 с использованием контура циркуляции на C3H8

Конденсаторы паровых турбин являются основными потребителями воды в системе технического водоснабжения тепловых электростанций (ТЭС). Потребление воды в системе конденсации пара на ТЭС составляет до 150 л/(кВт∙ч), что объясняется ограничением нагрева охлаждающей воды не более 10°С. Поэтому возможность эффективного использования охлаждающей среды (воды, воздуха) в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин является важной научно-технической задачей [1].

В конденсаторе паровой турбины типа К-220-44 поддерживается низкое давление пара равное 3,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 24,08°С. Процесс конденсации пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится при помощи охлаждающей жидкости в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины составляют примерно половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в цикле. В зимний период времени конденсатор паровой турбины является источником сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 24,08°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки на основе низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на сжиженном пропане C3H8 [2].

Замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя содержит последовательно соединенные насос, теплообменник-конденсатор паровой турбины, турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения (АВО). Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа C3H8 осуществляют наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [3].

Бинарная энергоустановка работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 3,0 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 0,75 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2156 кДж/кг, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 19°С. Далее перегретый газ C3H8 расширяют в турбодетандере теплового двигателя, который соединен с электрогенератором. На выходе из турбодетандера отработавший в турбине газ C3H8 направляют на охлаждение в конденсатор АВО, где в процессе охлаждения газа C3H8 ниже его температуры насыщения происходит интенсивное сжижение, после чего сжиженный газ C3H8 направляют для сжатия в насос теплового двигателя. Затем органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется [4].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на ТЭС (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности низкотемпературного теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-220-44 контуром циркуляции на C 3 H 8 в зависимости от температуры наружного воздуха [5].

Температурный диапазон использования сжиженного газа C 3 H 8 в тепловом контуре бинарной энергоустановки ограничивается показателями критической температуры в 96,7°С и температурой насыщения при давлении 0,1 МПа. Поэтому использование сжиженного газа C₃H₈ от 100°С до -42°С позволит исключить проблемы создания вакуума и обеспечения прочности, и герметичности трубопроводов.

Рис. 1. Для паровых турбин типа К-220-44 с расходом пара в 200 кг/с.

Рис. 2. Для паровых турбин типа К-220-44 с расходом пара в 200 кг/с.

Эксергетическая эффективность низкотемпературного теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 3,15% до 9,8%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в системе охлаждения паровых турбин типа К-220-44 позволяет экономить (рис. 1) до 2,65 т.у.т./час на ТЭС в температурном диапазоне окружающей среды от 258,15 К (-15°С) до 223,15 К (-50°С).