Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на C3H8 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000

Конденсаторы паровых турбин являются основными потребителями воды в системе технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций. Доля воды, идущей на охлаждение конденсаторов, составляет 90 – 94%. При этом для конденсаторов паровых турбин АЭС расход охлаждающей воды в 1,5 – 1,7 раза выше, чем для ТЭС. Это в основном определяется применением на АЭС турбин насыщенного пара невысоких параметров, у которых в конденсаторы поступает существенно больше пара. В среднем для производства 1 кВт·ч электроэнергии требуется 130 кг воды для ТЭС и 200 кг для АЭС. Капитальные затраты на систему технического водоснабжения достаточно велики и составляют до 10 – 12% от общей стоимости установленного 1 кВт мощности [1].

Известно, что 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. Огромной расход воды обусловлен в первую очередь допустимой температурой нагрева охлаждающей воды не более чем на 5°С зимой и на 3°С – летом, что зачастую может приводить к изменениям биотического компонента экосистемы [2].

Например, для конденсационных паровых турбин типа К-750-65/3000 (номинальной мощностью 808 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,37 МПа и температура 280°С) с расходом пара в конденсатор до 2539,64 т/ч требуется около 122612 т/ч охлаждающей воды, что увеличивает затраты электроэнергии на собственные нужды станции до 8,5 МВт [3].

Поэтому в настоящее время проводятся исследования и разработки новых энергоэффективных систем охлаждения конденсаторов паровых турбин для экономии электроэнергии 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 [4, 5].

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 в конденсаторе паровой турбины типа К-750-65/3000 поддерживается низкое давление пара равное 4,41 кПа, что соответствует температуре насыщения в 30,66°С, а окружающая среда является прямым источником 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.

Таким образом, в зимний период времени предлагается использовать низкотемпературный тепловой двигатель в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000, 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 [6].

Способ работы низкотемпературного 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 C3H8, 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 C3H8 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [7].

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-750-65/3000 контуром циркуляции на C 3 H 8 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.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,72% до 4,07%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C 3 H 8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000 позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).