Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2

Крупные конденсационные электростанции (типа ГРЭС) сооружаются непосредственно у источников водоснабжения (река, озеро, море), так как для охлаждения отработавшего в турбине пара требуется огромное количество воды (до 130 кг/с для производства 1 кВтч электроэнергии). При этом мощности современных энергетических турбоагрегатов постоянно повышаются, и в настоящее время основной прирост мощностей в энергосистемах происходит за счет ввода агрегатов 500, 800 и 1200 МВт.

Экологические требования в последние годы ужесточились настолько, что дальнейший рост мощностей теплоэлектростанций можно осуществлять либо за счет использования воздушных конденсатор, либо ориентируясь на оборотные системы водоснабжения с градирнями и брызгальными бассейнами. 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 [1, 2].

Например, конденсационные паровые турбины типа К-500-240-2 (номинальной мощностью 500 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом до 255 кг/с. При этом в конденсаторе паровой турбины типа К-500-240-2

поддерживается низкое давление пара равное 3,63 кПа, что соответствует температуре насыщения в 27,29°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2157 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 [3].

Однако в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-500-240-2 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 27,29°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-500-240-2, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – сжиженном пропане C3H8. 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 [4].

Сжиженный пропан С 3 Н 8 характеризуется мало растворимостью в воде и низкой стоимостью. Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. При использовании пропана не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбины (турбодетандера) и конденсатного насоса.

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 3,63 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-500-240-2 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 255 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 550 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C3H8 до температуры перегретого газа в 22,29°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 [5].

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-500-240-2 контуром циркуляции на C 3 H 8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

223,15 228,15 233,15 238,15 243,15 248,15 253,15 258,15 263,15 268,15 273,15

Температура наружного воздуха, К

Рис. 1. Для турбин К-500-240-2 с расходом пара в конденсатор 255 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-500-240-2 с расходом пара в конденсатор 255 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-500-240-2 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).