Возможности применения низкотемпературного теплового двигателя на СО2 для выработки электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000

В настоящее время большинство конденсационных паровых турбин, используемых на атомных электростанциях (АЭС) с водоохлаждаемыми реакторами, предназначены для работы на насыщенном паре. При этом располагаемый теплоперепад в турбине с насыщенным паром приблизительно в 2 раза меньше, чем в турбине на сверхкритических параметрах. Из-за уменьшенного располагаемого теплоперепада в турбине основная часть ее мощности примерно 55-65% производиться в цилиндре низкого давления с последующим выхлопом пара в конденсатор, где объемный расход пара примерно на 60-90% больше, чем в турбине на сверхкритических параметрах той же мощности. Поэтому потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [ 1, 2]

Примером может служить конденсационная паровая турбина типа К-750-65/3000 производства Харьковского турбинного завода (ХТЗ, ныне ПАО «Турбоатом»), которая была установлена в количестве двух турбоагрегатов на Игналинской АЭС в Литве с реакторами РБМК-1500 (реакторы большой мощности канального типа на 1500 МВт).

Конденсационные паровые турбины типа К-750-65/3000 ХТЗ (номинальной мощностью 808 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,37 МПа и температура 280°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара (до 705,4 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 4,41 кПа, что соответствует температуре насыщения в 30,66°С [3].

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. При этом 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. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 705,4 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы могут составить до 8,5 МВт [4].

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 [5, 6].

Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-750-65/3000 ХТЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 30,66°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-750-65/3000 ХТЗ, 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 (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 углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа К-750-65/3000 ХТЗ 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 СО2 до температуры перегретого газа в 25°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 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 [8].

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 ХТЗ контуром циркуляции на СО2 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 2,89% до 5,17%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО 2 в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000 ХТЗ 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).