Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на СО2 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2

Основная часть электроэнергии в настоящее время производится на крупных тепловых электростанциях, такие как ГРЭС (государственная районная электростанция) с использованием конденсационных паровых турбин. В России и за рубежом эксплуатируется достаточно много мощных конденсационных паровых турбин Харьковского турбинного завода типа К500-240-2 на таких станциях как Рефтинская ГРЭС (4 энергоблока), Назаровская ГРЭС (1 энергоблок), Троицкая ГРЭС (2 энергоблока), Экибастузская ГРЭС-1 (8 энергоблоков) и т.д. [1, 2].

Конденсационные паровые турбины в первую очередь предназначены для выработки электроэнергии за счет преобразования максимально возможной части теплоты пара в механическую работу, где эффективность таких турбин не превышает 42%. При этом весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор, где для обеспечения процесса конденсации пара требуется большое количество охлаждающей воды (около 51500 м3/ч для турбин мощностью 500 МВт), что увеличивает затраты электроэнергии на собственные нужды станции.

К примеру, 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].

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 [4, 5].

Например, 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.

Таким образом предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе конденсационной паровой турбины типа К500-240-2, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле – углекислом газе СО 2 . Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО₂ будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [6].

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО₂ 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 углекислый газ СО 2 , который сжимают в насосе до высокого давления 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 СО₂ до температуры перегретого газа в 22,29°С. На выходе из теплообменника-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 СО₂ 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-500-240-2 контуром циркуляции на СО 2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

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 2,26% до 4,58%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 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).