Возможности экономии расхода условного топлива на атомных теплоэлектроцентралях при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 контура циркуляции на C3H8

В зимний период времени теплофикационные паровые турбины типа ТК-450/500-5,9 ТМЗ (Турбомоторный завод, ныне Уральский турбинный завод) 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 [1].

Известно, что при традиционном способе охлаждения 1 кг пара в конденсаторе паровой турбины требуется прокачивать около 45-60 кг охлаждающей воды с затратами электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем 11-12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 168 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 2 МВт.

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].

Проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения конденсаторов паровых турбин, в которых промежуточным теплоносителем вместо воды служит низкокипящее рабочее тело, которое испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [3, 4].

Таким образом, предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 контура циркуляции на сжиженном пропане 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 – C3H8. Основным преимуществом использования пропана C3H8 является его температура насыщения минус 42°С при давлении 0,1 МПа, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного C3H8 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 (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 пропан C 3 H 8 , который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа 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 C 3 H 8 до температуры перегретого газа в 36°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 C 3 H 8 направляют в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного C 3 H 8 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 C3H8 в зависимости от температуры наружного воздуха.

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 10,92% до 30,58%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в системе охлаждения паровых турбин типа ТК-450/500-5,9 позволяет экономить (рис. 1) до 6,82 т.у.т./час на АТЭЦ в температурном диапазоне окружающей среды от 273,15 К (0°С) до 223,15 К (-50°С).