Возможности дополнительной выработки электроэнергии в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 с помощью низкотемпературного теплового двигателя на C3H8

Отечественные теплофикационные паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 производства Турбомоторного завода (ныне Уральский турбинный завод) эксплуатируются на таких станциях как Красноярская ТЭЦ-2 (Енисейская ТГК (ТГК-13)), Омская ТЭЦ-4 (ТГК-11), Волгодонская ТЭЦ-2 (Лукойл-Ростовэнерго), Карагандинская ТЭЦ-2 (Казахстан) и др.

Паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 (номинальной мощностью 135 МВт и начальными параметрами пара: давление 12,75 МПа и температура 555°С) снабжаются одним производственным и двумя теплофикационными отборами пара для нужд производства, отопления и горячего водоснабжения. В зимний период времени паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 работают в теплофикационном режиме, когда часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, а часть пара около 10 кг/с (до 10% от номинала) направляется в конденсатор паровой турбины для осуществления вентиляционного режима работы последней ступени паровой турбины. В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 поддерживается низкое давление пара равное 7,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 40,29°С. Процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2120 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [1].

Таким образом в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°С, а окружающая среда – прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [2].

Низкотемпературный тепловой двигатель представляет собой замкнутый контур циркуляции, включающий в себя последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель, турбодетандер с электрогенератором 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 низкокипящего рабочего тела, где эффективность цикла можно вычислить, зная температуру подведенной теплоты от источника и отведенной теплоты из цикла [3, 4].

Предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15, 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 C₃H₈ будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [5].

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3-10%) при давлении в 7,5 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 ПТ-135/165-130/15 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 10 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 21,2 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 35,29°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 полезной электрической мощности низкотемпературным тепловым двигателем и абсолютного электрического КПД турбогенератора при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов теплофикационных паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 контуром циркуляции на C 3 H 8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин ПТ-135/165-130 с расходом пара в конденсатор 10 кг/с.

Рис. 2. Для турбин ПТ-135/165-130 с расходом пара в конденсатор 10 кг/с.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 4,85% до 6,97%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15   позволяет экономить электроэнергию на собственный нужды ТЭЦ (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 273,15 К (0°С) до 223,15 К (-50°С).