Возможности дополнительной выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ с помощью низкотемпературного теплового двигателя на СО2

В последнее время проводятся исследования и предлагаются решения по утилизации тепловых отходов промышленных предприятий, с возможностью выработки электроэнергии с помощью тепловых двигателей на низкокипящих рабочих телах (НРТ). Большинство применяемых тепловых двигателей на НРТ состоят из нескольких основных элементов -насос, теплообменник-испаритель, турбина, теплообменник-рекуператор (зависит от свойств НРТ) и теплообменник-конденсатор. Несмотря на различия в конструкциях, эти основные элементы образуют основу для эффективной работы и осуществления процессов теплового контура органического цикла Ренкина. В основных элементах происходят характерные изменения свойств НРТ, где эффективность цикла можно вычислить, зная температуру подведенной теплоты от источника и отведенной теплоты из цикла [1, 2].

Главным достоинством НРТ является возможность его адаптации к различным источникам тепловой энергии. За счет варьирования рабочего тела его можно использовать в широком диапазоне температур и давлений.

В настоящее время выработка электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) производиться с низкой эффективностью в 40-42% для традиционных паровых турбин и 55-61% для современных парогазотурбинных энергоустановок, в основном это связано с использованием водяного пара в качестве рабочего тела в термодинамическом цикле Ренкина, где имеются существенные потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе паровой турбины).

Рассмотрим современную конденсационную паровую турбину типа К65-12,8 Уральского турбинного завода (УТЗ), которую планируется широко использовать на таких станция как Сахалинская ГРЭС-2, ТЭС «Приморская» и др. В конденсаторе паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ поддерживается низкое давление пара равное 5,6 кПа, что соответствует температуре насыщения в 35°С. При этом расход пара в конденсатор на максимальном конденсационном режиме составляет около 40 кг/с. Процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2133 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-65-12,8 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 35°С, а окружающая среда - прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С, к примеру, для климатических условий Сахалинской ГРЭС-2. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на НРТ [3, 4].

Предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе современной конденсационной паровой турбины типа К65-12,8 УТЗ, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле - СО2. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 осуществляют наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [5].

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3-10%) при давлении в 5,6 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 углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 40 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 85,32 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 29,58°С. На выходе из конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ СО2 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 СО2 направляют в конденсатор воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного СО2 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [6].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по выработке (потреблению) полезной электрической мощности низкотемпературным тепловым двигателем и абсолютного электрического КПД турбогенератора при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-65-12,8 УТЗ контуром циркуляции на сжиженном СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха.

Рис. 1. Для турбин типа К-65-12,8 с расходом пара в конденсатор 40 кг/с.

Рис. 2. Для турбин типа К-65-12,8 с расходом пара в конденсатор 40 кг/с.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 4,47% до 6,29%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в составе конденсационной паровой турбины типа К-65-12,8 УТЗ позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на ТЭС (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).