Возможности экономии расхода условного топлива на атомных электростанциях при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа К-500-60/1500 контура циркуляции на СО2

В мире порядка 85% ядерных энергоблоков мощностью свыше 500 МВт оснащены тихоходными паровыми турбинами. В качестве примера служит паровая турбина типа К-500-60/1500 производства Харьковского турбинного завода (ныне «Турбоатом»), которая является тихоходной (1500 оборотов) паровой турбиной конденсационного типа, используемая на энергоблоках атомных электростанций (АЭС) с водоводяными реакторами ВВЭР-1000. Применение тихоходных (1500 об./мин.) паровых турбин на АЭС обусловлено тем, что они характеризуются повышенной экономичностью (на 2%), меньшими нагрузками на ротор, лопатки и прочие элементы, менее требовательны к виброустойчивости и балансированию.

Также тихоходные паровые турбины типа К-500-60/1500 (номинальной мощностью 500 МВт и начальными параметрами пара: давление 5,9 МПа и температура 274,3°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара в конденсатор равным около 489,8 кг/с. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины (холодном источнике) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле. Это связано с тем, что в конденсаторе паровой турбины типа К-500-60/1500 поддерживается низкое давление пара равное 5,88 кПа, что соответствует температуре насыщения в

35,79°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2130 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [1].

Поэтому одной из возможностей повышения тепловой экономичности конденсационных паровых турбин является усовершенствование той части тепловой схемы, которая относится к использованию теплоты отработавшего в турбине пара. То есть в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-500-60/1500 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 35,79°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой до минус 50°С. 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 К-500-60/1500 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 СО 2 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 [4, 5].

Способ работы теплового двигателя на СО₂ осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (1014%) при давлении в 5,88 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 СО 2 , который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-500-60/1500 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 489,8 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1043,3 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО 2 до температуры перегретого газа в 29°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 СО 2 направляют в конденсатор 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 экономии расхода условного топлива на АЭС (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-500-60/1500 контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха.

Рис. 1. Для турбин К-500-60/1500 с расходом пара в конденсатор 489,8 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-500-60/1500 с расходом пара в конденсатор 489,8 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-500-60/1500 позволяет экономить (рис. 1) до 11,35 т.у.т./час на АЭС в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).