Возможности дополнительной выработки электроэнергии в составе теплофикационной паровой турбины типа ТК-450/500-5,9 с помощью низкотемпературного теплового двигателя на СО2

В    настоящее время разработаны проекты    атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ) с установкой на них реакторов ВВЭР-1000 и паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 ТМЗ (Турбомоторный завод, ныне Уральский турбинный завод). В паровых турбинах предусмотрен двухступенчатый подогрев сетевой воды паром двух отопительных отборов. Теплофикационные паровые турбины типа ТК-450/500-5,9 ТМЗ (номинальной мощностью 450 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,87 МПа и температура 274,3°С) характеризуются тем, что при полной загрузке всех отборов выработка электроэнергии на тепловом потреблении не превышает 65% полной выработки, а при среднегодовой тепловой нагрузке – около 40% [1].

Таким образом, в зимний период времени паровые турбины типа ТК-450/500-5,9 ТМЗ могут работать в теплофикационном режиме со значительным расходом пара в конденсатор, когда часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, а часть пара до 168 кг/с направляется в конденсатор паровой турбины. При этом в конденсаторе паровой турбины типа ТК-450/500-5,9 поддерживается низкое давление пара равное 9,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 43,76°С. Конденсация 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2127 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду.

Из этого следует, что в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 43,76°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].

Поэтому предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе теплофикационной паровой турбины типа ТК-450/500-5,9, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле - углекислом газе СО₂. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО 2 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 СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (10-14%) при давлении в 9,0 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 углекислый газ

СО₂, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины типа ТК-450/500-5,9 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 168 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 357 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО 2 до температуры перегретого газа в 36°С. На выходе из конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ СО 2 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 теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного СО 2 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 ТК-450/500-5,9 ТМЗ контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 5,61% до 7,27%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в составе теплофикационной паровой турбины типа ТК-450/500-5,9 ТМЗ позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на АТЭЦ (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 268,15 К (-5°С) до 223,15 К (-50°С).

Рис. 1. Для турбин ТК-450/500-5,9 с расходом пара в конденсатор 168 кг/с.

Рис. 2. Для турбин ТК-450/500-5,9 с расходом пара в конденсатор 168 кг/с.