Возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа К-750-65/3000 контура циркуляции на C3H8

Характерным отличием турбинных технологий для атомных электростанций (АЭС) является абсолютное господство паровых конденсационных турбин насыщенного пара достаточно низких параметров (255-280°С и 4,4-6,5 МПа). Эта особенность выделяет турбостроение для АЭС в отдельное технологическое направление, поскольку все современные мощные конденсационные и часть теплофикационных паровых турбин работают на сверхкритических параметрах пара (540°С и 23,5 МПа). В связи с этим в турбине с насыщенным паром объемный расход пара примерно на 60-90% больше, чем в турбине на сверхкритических параметрах той же мощности. Поэтому существенно возрастают габариты паровпуска, требующие более компактного его исполнения, изменения конструкции клапанов. Начиная с мощности агрегата 500-800 МВт, в первой ступени производится разделение потока пара, и, таким образом, все цилиндры турбины выполняются двухпоточными [1, 2].

Примером может служить конденсационная паровая турбина типа К-750-65/3000 (номинальной мощностью 808 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,37 МПа и температура 280°С), которая была установлена в количестве двух турбоагрегатов на Игналинской АЭС в Литве с реакторами РБМК-1500 (реакторы большой мощности канального типа на 1500 МВт). Термический КПД данной турбины не превышает 35%. Причиной тому является значительный расход пара (до 705,4 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 4,41 кПа, что увеличивает потери теплоты парового цикла в окружающую среду [3].

При этом для охлаждения 1 кг пара в конденсаторе паровой турбины требуется прокачивать около 45-60 кг охлаждающей воды с затратами электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем 12 кВт. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 705,4 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы могут составить до 8,5 МВт [4].

Поэтому 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 [5, 6].

Учитывая особенности работы конденсационных паровых турбин появляется 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 [7].

Таким образом, предлагается замещение традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-750-65/3000 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 [8].

Способ работы теплового двигателя на C₃H₈ 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 пропан C 3 H 8 , который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа 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 C₃H₈ до температуры перегретого газа в 25°С. На выходе из 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 C 3 H 8 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-750-65/3000 контуром циркуляции на C3H8 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 5,28% до 17,21%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в системе охлаждения паровых турбин типа К-750-65/3000 позволяет экономить (рис. 1) до 15,7 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).