Возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа К-750-65/3000 контура циркуляции на СО2

Мощные паровые турбины типа К-750-65/3000 (номинальной мощностью 808 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,37 МПа и температура 280°С) предназначены для выработки электроэнергии на влажном паре в составе атомных энергоблоков со значительным расходом пара (до 705,4 кг/с) в конденсатор. При этом термический КПД данных турбин не превышает 35%. Давление пара за последними ступенями турбины перед входом в конденсатор достигает 4,41 кПа, что соответствует температуре насыщения в 30,66°С [1].

Известно, что процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2200 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [2].

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-750-65/3000 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 30,66°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. Воздушные конденсаторы по ряду причин пока не получили широкого распространения, перспективные разработки в этой области будут описаны далее [3].

В настоящее время проводятся исследования и разработки новых энергоэффективных систем охлаждения конденсаторов паровых турбин для экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции. Предлагаются варианты использования вместо воды низкокипящего теплоносителя, который испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [4, 5].

Поэтому предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-750-65/3000 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 СО₂ является его температура тройной точки 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 [6].

Способ работы теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (10%-14%) при давлении в 4,41 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа К-750-65/3000 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 705,4 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1510 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 25°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 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 [7].

Аппараты воздушного охлаждения имеют более длительный срок службы по сравнению с аппаратами водяного охлаждения из-за меньшего загрязнения и коррозии наружной поверхности теплообмена.

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-750-65/3000 контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-750-65/3000 с расходом пара в конденсатор 705,4 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-750-65/3000 с расходом пара в конденсатор 705,4 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 К-750-65/3000 позволяет экономить (рис. 1) до 14 т.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).