Возможности экономии расхода условного топлива на атомных электростанциях при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа К-1200-6,8/50 контура циркуляции на СО2

Характерным отличием турбинных технологий для АЭС является абсолютное господство паровых конденсационных турбин насыщенного пара достаточно низких параметров, но при этом обладающая большей единичной мощностью (1000-1400 МВт), которая превышает производительность любых тепловых блоков на органическом топливе. К особенностям турбин современных АЭС относятся большие потоки пара, повышенные требования к влагоудалению внутри турбины, сепарации и промежуточному перегреву пара, стойкости материалов к эрозии в присутствии влажного пара, обеспечению приемлемого КПД.

Быстроходные паровые турбины и турбогенераторы мощностью 1200 МВт для АЭС – это одни из последних отечественных разработок компании «Силовые машины», ориентированные на атомные энергоблоки нового поколения с повышенной надежностью и безопасностью [1].

В конденсаторе современной паровой турбины типа К-1200-6,8/50 (номинальной мощностью 1170 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,8 МПа и температура 284°С) поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 32,87°С. При этом расход пара в конденсатор на максимальном конденсационном режиме составляет около 960 кг/с. Процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2136 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины составляют примерно половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в цикле. В зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-1200-6,8/50 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 32,87°С, а окружающая среда - прямой источник холода с температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью замкнутого контура циркуляции на низкокипящем рабочем теле (НРТ) представляющий собой тепловой двигатель, осуществляющий свою работу по органическому циклу Ренкина [2].

Предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-1200-6,8/50 контура циркуляции на сжиженном 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 диоксида углерода является его температура в тройной точке равная минус 56,56°С, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного СО 2 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 теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (1014%) при давлении в 5,0 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 К-1200-6,8/50 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 960 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 2050 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 28°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 конденсатор 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 АЭС (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-1200-6,8/50 контуром циркуляции на СО 2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-1200-6,8/50 с расходом пара в конденсатор 960 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-1200-6,8/50 с расходом пара в конденсатор 960 кг/с.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 5,41% до 16%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 в системе охлаждения паровых турбин типа К-1200-6,8/50 позволяет экономить (рис. 1) до 22,24 т.у.т./час на АЭС в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).