Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240

В настоящее время основной прирост мощностей в энергосистемах происходит за счет ввода новых энергоблоков (конденсационных паровых турбин) мощностью 500 МВт, 800 МВт и 1200 МВт, выпускаемых производственными объединениями «Ленинградский металлический завод» (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины») и «Харьковский турбинный завод» (ХТЗ, ныне «Турбоатом»). Данные паровые турбины в основном используются 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), Пермская ГРЭС (2400 МВт) и т.д. [1, 2].

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. Поэтому для большинства конденсационных паровых турбин потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле.

Например, мощные паровые турбины типа К-800-240 ЛМЗ (номинальной мощностью 800 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) предназначены для работы в конденсационном режиме со значительным расходом пара (до 400 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С, а сам 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 для осуществления процесса 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, что для данной паровой турбины затраты электрической мощности на собственные нужды могут составить до 5 МВт [3, 4].

В настоящее время проводятся исследования и разработки, новых энергоэффективных систем охлаждения паровых турбин, 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 [5, 6].

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-800-240 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 [7].

Таким образом, в зимний период времени предлагается использовать низкотемпературный тепловой двигатель в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – сжиженном пропане C3H8. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа C3H8 будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды при температуре от 0°С до минус 50°С.

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 C₃H₈, который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа К-800-240 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 400 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 860 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа C 3 H 8 до температуры перегретого газа в 21,67°С. На выходе из теплообменника-конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ C 3 H 8 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 C 3 H 8 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [8].

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 выработке (потреблению) полезной электрической мощности низкотемпературным тепловым двигателем и абсолютного электрического КПД турбогенератора при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 контуром циркуляции на C3H8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,5% до 4,1%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240 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).