CC BY
3
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 ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА ПТ-30/35-3,4/1,0 ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ВОДЫ В 24°С
Рассматривается способ работы бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 при допустимой температуре охлаждающей воды в 24°С для летнего периода времени.
Ключевые слова: паровая турбина, производственный отбор пара, 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 A EXTRACTION TURBINE PT-30/35-3,4/1,0 AT AN TEMPERATURE OF
THE COOLING WATER IN 24°С
Mode of work of binary power installation as a part of a extraction turbine PT-30/35-3,4/1,0 at an admissible temperature of the cooling water in 24°C for a summer time span is considered.
Keywords: steam turbine, production selection of steam, binary cycle, low-boiling working fluid.
Большинство крупных промышленных предприятий нуждаются в снабжении производственным паром для осуществления своих технологических нужд. В основном снабжение производственным паром осуществляется из отборов паровых турбин близлежащих станций -теплоэлектроцентралей, что не всегда является экономически оправданным решением. Поэтому в настоящее время промышленные предприятия заинтересованы в установке собственных паровых турбин для снабжения паром и повышения энергетической независимости от внешних источников
электроэнергии. Для этих целей используются теплофикационные паровые турбины единичной мощностью до 80 МВт для выработки тепловой и электрической энергии.
В качестве примера рассмотрим теплофикационную паровую турбину производства Калужского турбинного завода (входит в состав «Силовые машины») типа ПТ-30/35-3,4/1,0 (номинальной мощностью 30 МВт и начальными параметрами пара: давление 3,4 МПа и температура 435°С), которая представляет собой одноцилиндровую паровую турбину с двумя регулируемыми отборами пара на производственные нужды и теплофикацию. В летний период времени тепловая нагрузка потребителей может отсутствовать и поддерживаться только производственная нагрузка с отбором пара в 27 кг/с, тем самым данная паровая турбина будет функционировать в конденсационном режиме со значительным пропуском пара в конденсатор до 20 кг/с [1].
При этом в конденсаторе паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 может поддерживаться низкое давление пара равное 10 кПа (допустимо ухудшение вакуума от 4 кПа до 13,2 кПа), что соответствует температуре насыщения в 45,81°С. Процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2132 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. В летний период времени конденсаторы паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 45,81°С, а окружающая среда - прямой источник холода с допустимой температурой охлаждающей воды в 24°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью бинарной энергоустановки с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [2].
Бинарный термодинамический цикл - совокупность двух термодинамических циклов, осуществляемых двумя рабочими телами так, что теплота, отводимая в одном цикле, используется в другом цикле.
Предлагается использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле (рис. 1). В качестве низкокипящего рабочего тела для бинарной энергоустановки в составе паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 предлагается использовать сжиженный пропан С3Н8. При использовании сжиженного пропана С3Н8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера (турбины) и насоса [3].
регенерации
Рис. 1. Принципиальная схема бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 с одним производственным отбором пара в летний период времени: П -производственный отбор пара.
Представленная бинарная энергоустановка (рис. 1) работает следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 10 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. Полученный основной конденсат с помощью конденсатного насоса направляют в систему регенерации. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный пропан С3Н8, который сжимают в насосе до давления 1,39 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 20 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 43 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа С3Н8 с расходом в 127 кг/с до температуры перегретого газа в 40,81°С. На выходе из теплообменника-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 33,86°С
направляют в теплообменник-конденсатор водяного охлаждения, который охлаждается технической водой окружающей среды при допустимой температуре в 24°С для летнего периода времени. В процессе охлаждения газообразного пропана ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ с температурой в 32°С направляют в насос и цикл повторяется [4].
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 20 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы составили бы около 0,24 МВт.
Таким образом, использование бинарной энергоустановки в составе теплофикационной паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 в летний период времени с допустимым температурным перепадом в 21,81°С обеспечивает экономию расхода электроэнергии на собственные нужды станции (промышленных предприятий) и позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию в 105 кВт без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.
Создание конструкций бинарной энергоустановки на C3H8 возможно из обычных материалов и отечественных комплектующих (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Однако основными факторами, которые затрудняют применения данных установок, являются относительная дешевизна традиционных углеводородов и слабое развитие оборудования отечественного производства, работающего на низкокипящих рабочих телах.
Использованные источники:
1. Паровые турбины и турбогенераторы Калужского турбинного завода. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ehc-group.ru/catalog/gtu/turbine/kaluga/288.html.
2. Гафуров Н.М. Эффективность теплового двигателя по утилизации теплоты в конденсаторе паровой турбины, охлаждаемого водными ресурсами в зимний период. В сборнике: Интеллектуальный и научный потенциал XXI века. Сборник статей Международной научно-практической конференции. 2016. С. 17-20.
3. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы применения бинарных энергоустановок на тепловых электростанциях России. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 509-512.
4. Патент на изобретение № 2560510 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
