Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на СО2 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-1200-240

Развитие паротурбиностроения в настоящее время характеризуется увеличением единичных мощностей паровых турбин, повышением их надежности, экономичности и маневренности. Успешное освоение производства и внедрение в эксплуатацию серии паровых турбин мощностью 300, 500 и 800 МВт на сверхкритические параметры пара явилось предпосылкой создания и изготовления самой мощной отечественной паровой турбины типа К-1200-240 на производственном объединении турбостроения Ленинградском металлическом заводе (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины»).

Паровая турбина типа К-1200-240 ЛМЗ (номинальной мощностью 1200 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) представляет собой одновальный пятицилиндровый агрегат, состоящий из цилиндра высокого давления, двух-поточного цилиндра среднего давления и трех двух-поточных цилиндров низкого давления. Данная паровая турбина предназначена для выработки электроэнергии со значительным расходом (до 596 кг/с) пара в конденсатор (выпуск отработавшего пара производиться в шесть потоков), где поддерживается низкое давление пара равное 3,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 24,08°С [1].

Известно, что процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2200 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 [2].

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. 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 [3, 4].

Учитывая суровые климатические условия России и продолжительность зимнего периода времени появляется возможность осуществления низкотемпературных термодинамических циклов с использованием низкокипящих рабочих тел.

Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-1200-240 ЛМЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 24,08°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 [5].

Таким образом в зимний период времени предлагается использовать низкотемпературный тепловой двигатель в составе конденсационной паровой турбины типа К-1200-240 ЛМЗ, 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.

Использование воздушных конденсаторов позволяет решить такие проблемы, как привязка электростанции к источнику охлаждающей воды, либо затраты на строительство прудов-охладителей, исключает необходимость установки и эксплуатации водозаборных и водоочистных сооружений. С экологической точки зрения воздушные конденсаторы дают возможность избавиться от теплового загрязнения водоемов, негативно сказывающего на обитающих в них организмах.

Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 3,0 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-1200-240 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 596 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1285 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 19°С. На выходе из 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 СО2 направляют в теплообменник-конденсатор 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 [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-1200-240 ЛМЗ контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.

Рис. 1. Для турбин К-1200-240 с расходом пара в конденсатор 596 кг/с.

Рис. 2. Для турбин К-1200-240 с расходом пара в конденсатор 596 кг/с.

Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,64% до 3,97%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в составе конденсационной паровой турбины типа К-1200-240 ЛМЗ 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).