Возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа К-800-240 контура циркуляции на C3H8

В настоящее время установленная мощность современных конденсационных паровых турбин достигает 800 МВт, 1200 МВт и выше, а эффективный КПД не превышает 42%. Отечественные паровые турбины типа К-800-240 (номинальной мощностью 800 МВт) в основном эксплуатируются на крупных ГРЭС (государственная районная электростанция) такие как Сургутская ГРЭС-2 (6 энергоблоков), Березовская ГРЭС (2 энергоблока), Рязанская ГРЭС (2 энергоблока), Пермская ГРЭС (3 энергоблока), Нижневартовская ГРЭС (2 энергоблока) и т.д. [1, 2].

Конденсационные паровые турбины типа К-800-240 производства Ленинградского металлического завода (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины») характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом до 400 кг/с. При этом выпуск отработавшего пара в части низкого давления производиться в шесть потоков из-за большого объемного расхода пара. В самом конденсаторе паровой турбины типа К-800-240 поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С [3].

Известно, что для конденсации отработавшего в турбине пара требуется большое количество охлаждающей воды. Это связано с тем, что процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2200 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Поэтому потери теплоты в конденсаторе паровой турбины могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [4].

Особенностью конденсационных паровых турбин является возможность повышения их тепловой экономичности за счет усовершенствования той части тепловой схемы, которая относится к использованию теплоты отработавшего в турбине пара. Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 26,67°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.

Использование водяного пара в качестве рабочего тела в паровых турбинах ограничивается температурами от 0°С (теоретически возможно при глубоком вакууме) до 700°С (практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами используемых металлов). Учитывая суровые климатические условия России и продолжительность зимнего периода времени появляется возможность осуществления низкотемпературных термодинамических циклов с использованием низкокипящих рабочих тел. Примером может служить Сургутская ГРЭС-2 – крупнейшая тепловая электростанция России с установленной мощностью около 5597 МВт, расположенная в городе Сургут Ханты-Мансийского автономного округа, где температура воздуха зимой опускается до минус 50°С и ниже [5, 6].

Таким образом, предлагается замещение традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ 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 – C 3 H 8 . Основным преимуществом использования пропана C 3 H 8 является его температура насыщения равная минус 42°С при давлении 0,1 МПа, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного C 3 H 8 наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [7, 8].

Способ работы теплового двигателя на C3H8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 3,5 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 К-800-240 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 400 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 860 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 21,67°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 [9].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на станции (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ контуром циркуляции на C 3 H 8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 9,8% до 13,95%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в системе охлаждения паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ позволяет экономить (рис. 1) до 7,33 т.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 258,15 К (-15°С) до 223,15 К (-50°С).