Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на СО2 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240

Основной парк мощных паровых турбин на отечественных электростанциях состоит из конденсационных паровых турбин на сверхкритические параметры мощностью 500 МВт, 800 МВт и 1200 МВт. Одновальные быстроходные паровые турбины мощностью 500 МВт и 800 МВт являются в настоящее время основными типами оборудования, которыми комплектуются строящиеся конденсационные электростанции на органическом топливе. Одним из основных производителей таких турбин в России является Ленинградский металлический завод (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины»).

К примеру, конденсационные 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 выработки электроэнергии со значительным расходом (до 400 кг/с) пара в конденсатор (выпуск отработавшего пара производиться в шесть потоков), 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. Поэтому для большинства конденсационных паровых турбин потери теплоты в холодном источнике

(конденсаторе) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [1, 2].

Также известно, что при традиционном способе 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. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 400 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 4,8 МВт.

Поэтому одной из особенностей 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 [3].

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 – углекислом газе СО2. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды 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 [4, 5].

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО₂ 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 углекислый газ СО₂, который сжимают в насосе до высокого давления 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 СО₂ до температуры перегретого газа в 21,67°С. На выходе из конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ СО 2 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 СО₂ направляют в теплообменник-конденсатор воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного СО 2 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-800-240 контуром циркуляции на СО 2 в зависимости от температуры наружного воздуха.

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