Возможности экономии расхода условного топлива на атомных теплоэлектроцентралях при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 контура циркуляции на СО2

В России пока действует только одна атомная теплоэлектроцентраль (АТЭЦ) - Билибинская АЭС на Чукотке, состоящая из четырёх одинаковых энергоблоков общей электрической мощностью 48 МВт. Станция вырабатывает как электрическую, так и тепловую энергию. В настоящее время разработаны проекты атомных теплоэлектроцентралей 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 отопительных отборов выработка электроэнергии на тепловом потреблении не превышает 65% полной выработки, а при среднегодовой тепловой нагрузке - около 40%. Это означает, что практически в течение всего года в конденсатор паровой турбины будет поступать значительная часть пара [1].

В зимний период времени паровые турбины типа ТК-450/500-5,9 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. Процесс 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.

Особенностью теплофикационных паровых турбин является возможность повышения их тепловой экономичности за счет усовершенствования той части тепловой схемы, которая относится к использованию теплоты отработавшего в турбине пара. То есть 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. Поэтому имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью замкнутого контура циркуляции на низкокипящем рабочем теле представляющий собой тепловой двигатель, осуществляющий свою работу по органическому циклу Ренкина [2].

Таким образом предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 контура циркуляции на сжиженном углекислом газе СО2 в виде теплового двигателя, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – СО2. Основным преимуществом использования углекислого газа СО2 является его температура тройной точки равная минус 56,56°С, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного СО2 наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [3].

Тепловой двигатель в виде замкнутого контура циркуляции на СО2 включает в себя последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель (конденсатор паровой турбины), турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения. При этом обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы [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 СО2 до температуры перегретого газа в 36°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 теплообменник-конденсатор аппарата 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 экономии расхода условного топлива на АТЭЦ (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 контуром циркуляции на СО 2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

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.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 5,44% до 19,25%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в системе охлаждения паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 позволяет экономить (рис. 1) до 4,86 т.у.т./час на АТЭЦ в температурном диапазоне окружающей среды от 268,15 К (-5°С) до 223,15 К (-50°С).