Возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контура циркуляции на СО2

Работа традиционных тепловых электростанций не обходиться без использования водных ресурсов окружающей среды для охлаждения конденсаторов паровых турбин, где расход воды может составлять до 45-60 кг/с для осуществления процесса конденсации 1 кг пара, что требует затрат электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем около 12 кВт. Огромной расход воды обусловлен в первую очередь допустимой температурой нагрева охлаждающей воды не более чем на 5°С зимой и на 3°С - летом (нормативные требования «Правил охраны поверхностных вод»), что зачастую может приводить к изменениям биотического компонента экосистемы. Воздушные конденсаторы по ряду причин пока не получили широкого распространения, перспективные разработки в этой области будут описаны далее [1].

Например, в зимний период времени паровые турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 (номинальной мощностью 30 МВт и начальными параметрами пара: давление 3,4 МПа и температура 435°С) работают в теплофикационном режиме, когда часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается на производственные нужды и теплофикацию. Однако недопустима работа данных паровых турбин, когда через конденсатор не пропускается пар, т. е. когда весь пар идет в отбор, так как вращение ротора в корпусе, через который не пропускается пар, приведет за счет сил трения между лопатками и рабочим телом к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного отвода теплоты. Поэтому часть пара вентиляционного расхода до 6 кг/с через цилиндр низкого давления поступает в конденсатор паровой турбины. В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 поддерживается низкое давление пара равное 4,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 28,96°С, а окружающая среда – прямой источник холода с допустимой температурой вплоть 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, 3].

В настоящее время проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения, 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 [4].

Таким образом, предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контура циркуляции на сжиженном углекислом газе СО 2 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 [5].

Способ работы теплового двигателя на СО₂ осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 4,0 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный углекислый газ СО 2 , который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 12,87 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО₂ до температуры перегретого газа в 23,85°С. На выходе из теплообменника-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, 7].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на станции (кг.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контуром циркуляции на СО 2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин ПТ-30/35-3,4/1,0 с расходом пара в конденсатор 6 кг/с.

Рис. 2. Для турбин ПТ-30/35-3,4/1,0 с расходом пара в конденсатор 6 кг/с.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 0,82% до 13,25%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 позволяет экономить (рис. 1) до 118 кг.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).