Возможности достижения предельного вакуума в конденсаторе паровой турбины в зимний период времени

Как известно использование водяного пара в качестве рабочего тела в паровых турбинах ограничивается температурами от 0°С (теоретически возможно при глубоком вакууме) до 700°С (практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами используемых металлов). Поэтому одним из основных способов достижения высокого термического КПД паротурбинной установки является понижение параметров пара за турбиной. С понижением давления и температуры отработавшего в турбине пара уменьшается количество теплоты, передаваемой холодному источнику (конденсатору), что, как известно из термодинамики, при неизменных параметрах свежего пара повышает мощность турбины (за счет увеличения теплоперепада) и экономичность цикла в целом.

Однако теоретической основой обеспечения низкого давления пара в конденсаторе является однозначная связь между давлением и температурой конденсирующейся среды. Поскольку температура конденсации определяется климатическими условиями и составляет от 25°С до 50°С, то в конденсаторе поддерживается низкое давление, составляющее в зависимости от режима от 3 кПа до 12,5 кПа. Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе [1].

Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор зависит от географического месторасположения электростанции, времени года и системы водоснабжения. При проектировании паровых турбин с учетом того, что они могут устанавливаться в самых различных районах страны, среднегодовую расчетную температуру охлаждающей воды обычно принимают из следующего ряда: для ТЭС и АЭС – 10, 12, 15 или 20°С, а для ТЭЦ и АТЭЦ – 20 или 27°С. В отдельных случаях, например, при последовательном соединении конденсаторов по охлаждающей воде или при оборотной системе водоснабжения с градирнями, температура воды на входе, в конденсатор может достигать 40°С [2].

Поэтому в реальных условиях эксплуатации паровых турбин предельный вакуум, как правило, не достигается, так как быстрее устанавливается экономический вакуум, при котором полезная мощность турбоустановки (за вычетом затрат мощности на привод циркуляционных насосов) при данном расходе пара в конденсатор достигает максимального значения. В связи с этим величину экономического вакуума обычно считают оптимальным вакуумом конденсатора для данной паровой турбины.

В настоящее время проводятся исследования и разработки новых энергоэффективных систем охлаждения конденсаторов паровых турбин для повышения надежности работы и экономии электроэнергии на собственные нужды станции. Предлагаются варианты использования вместо воды низкокипящего теплоносителя, который испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [3, 4].

Возможности осуществления термодинамических циклов на низкокипящих теплоносителях во многом определяется наличием теплоперепада между отводимой теплотой в конденсаторе паровой турбины и окружающей средой. То есть когда температура окружающей среды намного ниже температуры конденсации отработавшего в турбине пара.

Учитывая суровые климатические условия России и продолжительность зимнего периода времени появляется возможность осуществления низкотемпературных термодинамических циклов с использованием низкокипящих рабочих тел.

Предлагается использовать в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин контура циркуляции на сжиженном пропане C 3 H 8 . В этом случаи процесс охлаждения конденсаторов паровых турбин осуществляется следующим образом. Сжиженный пропан C 3 H 8 сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа, далее нагревают и испаряют в конденсаторе паровой турбины до температуры перегретого газа, потом снижают его температуру и давление при расширении в турбодетандере, и затем сжижают в теплообменнике-конденсаторе аппарата воздушного охлаждения при температуре от 0°С до минус 50°С. Основным преимуществом использования пропана C 3 H 8 является его температура насыщения равная минус 42°С при давлении 0,1 МПа, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного C 3 H 8 наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени [5, 6].

Пропан C₃H₈ (R290) представляет собой насыщенный углеводород, который при нормальных условиях является бесцветным горючим и взрывоопасным газом, не обладающим запахом. Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. Хладагент С 3 Н 8 характеризуется мало растворимостью в воде и низкой стоимостью. При использовании хладагента С₃Н₈ не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера и конденсатного насоса [7].

За счет осуществления процесса испарения сжиженного пропана удается добиться снижения расхода теплоносителя и затраты на его сжатие. При осуществлении процесса расширения перегретого газа в турбодетандере возможно дополнительная выработка электроэнергии для покрытия затрат на собственные нужды станции. Таким образом, достигается низкая температура теплоносителя (вплоть до отрицательных температур), что способствует снижению давления пара в конденсаторе паровой турбины до предельного вакуума.

Известно, что для большинства паровых турбин средних параметров отклонение давления в конденсаторе на ±1 кПа приводит к изменению мощности турбины примерно на 1%. В табл. 1 в качестве примера представлены данные по изменению мощности и экономичности паротурбинных установок (ПТУ) при изменении давления пара за турбиной на ±1 кПа и неизменных параметрах свежего пара.

Таблица 1

Таким образом, использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин контура циркуляции на сжиженном пропане C 3 H 8 позволяет снижать давление пара в конденсаторе паровой турбины до предельного вакуума (при котором исчерпывается расширительная способность косого среза сопл и лопаток, и прекращается прирост мощности) за счет более низкой температуры охлаждения и дополнительной выработки электроэнергии.