CC BY
8
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 5 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Бобин Д.Н., к.т.н. доцент, старший научный сотрудник УНИР
ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ БИНАРНОГО ЦИКЛА В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА К-25-0,6 ГЕО ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В 5°С
Рассматривается способ работы бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео, которая охлаждается водой при допустимой температуре в 5°С для зимнего периода времени.
Ключевые слова: геотермальная электростанция, паровая турбина, бинарный цикл, низкокипящее рабочее тело.
Gafurov N.M.
5th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products»
«KNRTU» Bobin D.N.
cand.tech.sci., associate professor senior research associate «Management of research work»
«KSPEU» Russia, Kazan
IMPLEMENTATION OF A BINARY CYCLE AS A PART OF THE CONDENSATION STEAM TURBINE К-25-0,6 GEO AT AN TEMPERATURE OF THE COOLING WATER IN 5°С
Mode of work of binary power installation in structure of the condensation steam turbine of K-25-0,6 Geo which is cooled with water at an admissible temperature in 5°C for a winter period is considered.
Keywords: geothermal power station, steam turbine, binary cycle, low-boiling working fluid.
Основным недостатком геотермальных электростанций (ГеоЭС) является низкий эффективный КПД станции (не превышает 25%) по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями (40-42%). Однако на ГеоЭС сосредоточены огромные запасы низкопотенциальной теплоты, которая в настоящее время не эффективно используется. Так как малоизучены процессы использования низкотемпературных (низкопотенциальных) источников теплоты для эффективной выработки электроэнергии.
В настоящее время самой крупной геотермальной электростанцией России является Мутновская ГеоЭС с номинальной мощностью 50 МВт, которая располагается в юго-восточной части полуострова Камчатка. Выработка электроэнергии осуществляется с помощью двух конденсационных паровых турбин типа К-25-0,6 Гео, к которым подводиться очищенный пар из геотермальных скважин [1].
Конденсационные паровые турбины типа К-25-0,6 Гео (номинальной мощностью 25 МВт и начальными параметрами пара: давление 0,62 МПа и температура 162°С) характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом в 42 кг/с. В конденсаторе паровой турбины типа К-25-0,6 Гео поддерживается низкое давление пара равное 5,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 32,87°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2136 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. При этом потери теплоты в конденсаторе паровой турбины (холодном источнике) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [2].
В настоящее время 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.
Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-25-0,6 Гео являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 32,87°С, а окружающая среда - прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 5°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле.
То есть предлагается использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике второму контуру на низкокипящем рабочем теле (рис. 1). В качестве низкокипящего рабочего тела для бинарной энергоустановки в составе паровой турбины типа К-25-0,6 Гео предлагается использовать сжиженный пропан С3Н8 [3].
При использовании сжиженного пропана С3Н8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера (турбины) и насоса.
нагнетательную
Рис. 1. Схема бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео для зимнего периода времени.
Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в турбине пар при давлении в 5,0 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в нагнетательную скважину. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный пропан С3Н8, который сжимают в насосе до давления 1,0 МПа и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-25-0,6 Гео для охлаждения отработавшего в турбине пара. Конденсация 42 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 90 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа С3Н8 с расходом в 242 кг/с до температуры перегретого газа в 28°С. На выходе из конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ С3Н8 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 пропан с температурой в 15°С направляют в конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 5°С для зимнего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его
температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 13°С направляют в насос и цикл повторяется [4, 5].
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 42 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,5 МВт.
Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео в зимний период времени с допустимым температурным перепадом в 27,87°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 1,93 МВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.
Использованные источники:
1. Мутновская ГеоЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.geotherm.rushydro.ru/press/press-kit/.
2. Паровые турбины малой и средней мощности производства КТЗ. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://oaoktz.ru/products/steam_turbines/Default.aspx?section_id=232&element_i d=15163.
3. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Перспективы использования бинарных циклов в утилизации низкопотенциальной теплоты на геотермальных электростанциях. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. - № 5-6 - С. 14-24.
4. Патент на изобретение № 2560510 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
5. Гафуров Н.М., Гафуров А.М. Способ работы низкотемпературного теплового двигателя от источника геотермальной воды. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 525-528.
