Возможности дополнительной выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-60/1500 с помощью низкотемпературного теплового двигателя на C3H8

К особенностям паровых турбин современных атомных электростанций (АЭС) относятся большие потоки пара, повышенные требования к влагоудалению внутри турбины, сепарации и промежуточному перегреву пара, стойкости материалов к эрозии в присутствии влажного пара, обеспечению приемлемого КПД. В качестве примера служит конденсационная паровая турбина типа К-500-60/1500 производства Харьковского турбинного завода (ныне «Турбоатом»), которая эксплуатируется на таких станциях как Нововоронежская АЭС в дубль-блоке с реакторами ВВЭР-1000 (водо-водяной энергетический реактор электрической мощностью 1000 МВт).

Конденсационные паровые турбины типа К-500-60/1500 (номинальной мощностью 500 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,9 МПа и температура 274,3°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 489,8 кг/с. При этом в конденсаторе паровой турбины поддерживается низкое давление пара равное 5,88 кПа, что соответствует температуре насыщения в 35,79°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2130 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Поэтому потери теплоты в конденсаторе паровой турбины (холодном источнике) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [1].

Таким образом в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-500-60/1500 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 35,79°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [2].

Предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-60/1500, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – сжиженном пропане C 3 H 8 . Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа C 3 H 8 будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [3].

Замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя представляет собой последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель (конденсатор паровой турбины), турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения [4, 5].

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (10-14%) при давлении в 5,88 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 0,9-1,2 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-500-60/1500 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 489,8 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1043,3 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 29°С. На выходе из 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 C3H8 направляют в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного C3H8 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-500-60/1500 контуром циркуляции на сжиженном C3H8 в зависимости от температуры наружного воздуха.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 2,9% до 5,17%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-60/1500 позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на АЭС (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 268,15 К (-5°С) до 223,15 К (-50°С).

Рис. 1. Для турбин К-500-60/1500 с расходом пара в конденсатор 489,8 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-500-60/1500 с расходом пара в конденсатор 489,8 кг/с.