Возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 контура циркуляции на C3H8

Известно, что удельный расход топлива на выработку электроэнергии на теплоэлектроцентралях уменьшается с возрастанием доли пара, отбираемого для теплового потребителя. Чем выше удельная выработка на тепловом потреблении, тем больше экономия топлива. Это обеспечивается за счет использования теплофикационных паровых турбин с регулируемыми отборами пара, где используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отпускается тепловым потребителям. Это позволяет существенно снизить потери в холодном источнике (конденсаторе) и затраты на собственные нужды станции.

Однако недопустима работа теплофикационных паровых турбин (кроме паровых турбин с противодавлением), 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 для отвода этой теплоты через часть низкого давления должно обязательно пропускаться некоторое вентиляционное количество пара равное 5-10% от номинального [1].

Например, в зимний период времени паровые турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 (номинальной мощностью 40 МВт и начальными параметрами пара: давление 8,8 МПа и температура 535°С) работают в теплофикационном режиме, когда часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается на производственные нужды и теплофикацию, а часть пара вентиляционного расхода до 6 кг/с через цилиндр низкого давления поступает в конденсатор паровой турбины. При этом в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 поддерживается низкое давление пара равное 5,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 34,58°С, а сам процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2133 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду [2].

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.

Таким образом в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 34,58°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.

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 [3].

Поэтому предлагается замещение традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 контуром циркуляции на сжиженном пропане в виде теплового двигателя, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в конденсаторе паровой турбины второму контуру на низкокипящем рабочем теле - C3H8. Основным преимуществом использования пропана C3H8 является его температура насыщения равная 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 [4].

Способ работы теплового двигателя на C3H8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 5,5 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный пропан C3H8, который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-40/50-8,8/1,3 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 12,8 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 29°С. На выходе из теплообменника-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 C3H8 направляют в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного C3H8 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [5].

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-40/50-8,8/1,3 контуром циркуляции на C3H8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин ПТ-40/50-8,8/1,3 с расходом пара в конденсатор 6 кг/с.

Рис. 2. Для турбин ПТ-40/50-8,8/1,3 с расходом пара в конденсатор 6 кг/с.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 9,61% до 24,84%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-40/50-8,8/1,3 позволяет экономить (рис. 1) до 191,2 кг.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 268,15 К (-5°С) до 223,15 К (-50°С).