Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-300-240 ЛМЗ

Конденсационные паровые турбины предназначены для выработки электроэнергии за счет превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. При этом весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор. В России конденсационные паровые турбины используются в основном на крупных ГРЭС (государственная районная электростанция) такие как Костромская ГРЭС (3600 МВт), Сургутская ГРЭС-2 (5597 МВт), Рефтинская ГРЭС (3800 МВт), Рязанская ГРЭС (3070 МВт) и т.д. [1].

Наибольшее распространение получили конденсационные паровые турбины типа К-300-240 производства Ленинградского металлического завода (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины»). Данные паровые турбины предназначены для работы в конденсационном режиме со значительным расходом пара (около 159 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2150 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. Поэтому 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, 4]

Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-300-240 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 низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле. То есть предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе конденсационной паровой турбины типа К-300-240, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – сжиженном пропане C 3 H 8 . Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа C₃H₈ будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С.

Замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя представляет собой последовательно соединенные насос, теплообменник-испаритель (конденсатор паровой турбины), турбодетандер с электрогенератором и теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения [5].

Способ работы низкотемпературного 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 C 3 H 8 , который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа К-300-240 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 159 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 341,85 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 C 3 H 8 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 [6].

На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по выработке (потреблению) полезной электрической мощности низкотемпературным тепловым двигателем и абсолютного электрического КПД турбогенератора при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-300-240 ЛМЗ контуром циркуляции на C 3 H 8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-300-240 с расходом пара в конденсатор 159 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-300-240 с расходом пара в конденсатор 159 кг/с.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,05% до 3,46%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-300-240 ЛМЗ позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 258,15 К (-15°С) до 223,15 К (-50°С).