Возможности экономии расхода условного топлива на теплоэлектроцентралях при использовании в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 контура циркуляции на СО2

На современных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) более 70% суммарной мощности приходится на теплофикационные паровые турбины, где осуществляется комбинированное производство тепловой и электрической энергии. При этом удельный расход топлива на выработку электроэнергии на ТЭЦ уменьшается с возрастанием доли пара, отбираемого для теплового потребителя. Это обусловлено тем, что используется теплота водяного пара, имеющая высокий потенциал, сначала для выработки электроэнергии в паровых турбинах, а затем часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается для централизованного теплоснабжения, что позволяет существенно снизить потери в холодном источнике (конденсаторе) и затраты на собственные нужды станции.

Однако недопустима работа 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 и, как следствие, понижению механической прочности металла. Для отвода этой теплоты через часть низкого давления должно обязательно пропускаться некоторое вентиляционное количество пара. Минимальное количество вентиляционного пара составляет 5-10% от расчетного, проходящего через часть низкого давления [1].

В зимний период времени паровые турбины типа ПТ-135/165-130/15 (номинальной мощностью 135 МВт и начальными параметрами пара: давление 12,75 МПа и температура 555°С) работают в теплофикационном режиме, когда в конденсатор поступает минимальное количество вентиляционного пара около 10 кг/с. При этом в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 поддерживается низкое давление пара равное 7,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 40,29°С. Процесс конденсации 1 кг отработавшего в турбине пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2120 кДж/кг, которая отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Поэтому в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 40,29°С, а окружающая среда – прямой источник холода с 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].

Предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 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 СО 2 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 [3].

Тепловой двигатель в виде замкнутого контура циркуляции на СО2 включает в себя последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель (конденсатор паровой турбины), турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения. При этом обезвоженный диоксид углерода (как газообразный, так и жидкий) не коррозирует металлы [4, 5].

Способ работы теплового двигателя на СО₂ осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (3-10%) при давлении в 7,5 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в систему регенерации. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный углекислый газ СО₂, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины типа ПТ-135/165-130/15 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 10 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 21,2 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО₂ до температуры перегретого газа в 35,29°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 СО 2 направляют в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного СО 2 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [6].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на ТЭЦ (кг.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15

контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин ПТ-135/165-130 с расходом пара в конденсатор 10 кг/с.

Рис. 2. Для турбин ПТ-135/165-130 с расходом пара в конденсатор 10 кг/с.

Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 5,44% до 19,25%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-135/165-130/15 позволяет экономить (рис. 1) до 290 кг.у.т./час на ТЭЦ в температурном диапазоне окружающей среды от 268,15 К (-5°С) до 223,15 К (-50°С).