CC BY
74
УДК 62-176.2
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СБРОСНОЙ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ
ТЭС
Гафуров А.М., ФГБОУ ВПО «КГЭУ»
Представлен способ эффективного использования сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) в конденсаторах паровых турбин тепловых электрических станций для дополнительной выработки электроэнергии в зимний период времени. Проанализированы характерные особенности использования сжиженного углекислого газа СО2 в тепловом контуре органического цикла Ренкина.
Ключевые слова: сбросная низкопотенциальная теплота, конденсаторы паровых турбин, органический цикл Ренкина, сжиженный углекислый газ СО2.
Одним из основных источников сбросной низкопотенциальной теплоты на тепловых электрических станциях (ТЭС) являются конденсаторы паровых турбин. Отработавший пар, конденсируется на поверхности трубок, внутри которых протекает охлаждающая вода. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования (около 2100-2200 кДж/кг), которая отводится при помощи нагретой воды в окружающую среду. Образующийся конденсат с помощью насоса паровой турбины направляют в систему регенерации. Теоретической основой обеспечения низкого давления пара в конденсаторе является однозначная связь между давлением и температурой конденсирующейся среды. Поскольку температура конденсации составляет 24-40°С, то в конденсаторе поддерживается низкое давление, составляющее в зависимости от режима 3-7,5 кПа [1]. Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе. При традиционном способе работы тепловой электрической станции сбросная низкопотенциальная теплота при температуре от 24°С до 40°С выбрасывается в окружающую среду.
В летний период времени, когда температура окружающей среды составляет в среднем 15-30°С, полезно использовать сбросную низкопотенциальную теплоту отработавшего в турбине пара на ТЭС с температурой 24-40°С. Обычным путем это осуществить затруднительно, вследствие того, что температура конденсации незначительно (на 10 -20°С) отличается от температуры окружающей среды. При этом на ТЭС будет актуальна выра-
28
ботка дополнительной электроэнергии за счет использования указанного теплоперепада.
Автором впервые поставлена и решена задача дополнительной выработки электроэнергии на ТЭС в зимний период времени за счет утилизации сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара при температуре от 24°С до 40°С с использованием низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на основе органического цикла Ренкина.
Утилизацию сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) отработавшего в турбине пара осуществляют путем нагрева в конденсаторе паровой турбины сжиженного углекислого газа СО2, циркулирующего в замкнутом контуре низкотемпературного теплового двигателя (рис. 1), работающего по органическому циклу Ренкина. При этом замкнутый контур циркуляции низкотемпературного теплового двигателя, выполненного в виде контура с низкокипящим рабочим газом СО2, содержит последовательно соединенные турбодетандер с электрогенератором, конденсатор с системой технического водоснабжения и конденсатный насос [2]. При этом охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 осуществляют технической водой окружающей среды в зимний период времени.
Преобразование сбросной низкопотенциальной тепловой энергии отработавшего в турбине пара в механическую и, далее, в электрическую происходит в замкнутом контуре циркуляции низкотемпературного теплового двигателя, работающего по органическому циклу Ренкина.
Весь процесс начинается с сжатия в конденсатном насосе теплового двигателя (процесс I-II) сжиженного углекислого газа СО2, который направляют на нагрев и испарение в конденсатор паровой турбины, куда поступает отработавший в турбине пар. При этом отработавший пар (при давлении от 3 кПа до 7,5 кПа) конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает сжиженный углекислый газ СО2. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится на нагрев (процесс II-III) сжиженного углекислого газа СО2. Температура кипения сжиженного углекислого газа СО2 сравнительна низка при температуре от 292,26 К до 304,12 К и давлении от 5,61 МПа до 7,66 МПа, поэтому в конденсаторе паровой турбины он быстро испаряется, и переходит в газообразное состояние (процесс III-IV), после чего, имея температуру перегретого газа (процесс IV-V), его направляют на расширение в турбодетандер теплового двигателя.
29
Рис. 1. Принципиальная схема конденсационной установки ТЭС с использованием низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции: ПТ - паровая турбина, ТД - турбодетандер теплового двигателя, К1 - конденсатор паровой турбины, К2 - конденсатор
теплового двигателя, ЭУ - эжектирующее устройство, КН1 - конденсатный насос паровой турбины, КН2 - конденсатный насос теплового двигателя, ЦН - циркуляционный насос, ЭГ1 -электрогенератор паровой турбины, ЭГ2 - электрогенератор теплового двигателя
Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере теплового двигателя не происходит конденсации газообразного углекислого газа СО2 в ходе срабатывания теплоперепада (процесс У-УТ). Мощность турбодетанде-ра теплового двигателя передается соединенному на одном валу электрогенератору. На выходе из турбодетандера теплового двигателя газообразный углекислый газ СО2, имеющий температуру влажного газа от 286 К до 290,65 К, направляют на сжижение в конденсатор теплового двигателя.
Далее, при снижении температуры газообразного углекислого газа СО2, происходит его сжижение в конденсаторе теплового двигателя (процесс УТ-Т), охлаждаемого технической водой окружающей среды при температуре 278,16 К.
После конденсатора теплового двигателя в сжиженном состоянии углекислый газ СО2 направляют для сжатия в конденсатный насос теплового двигателя. Далее органический цикл Ренкина на основе низкокипящего рабочего тела повторяется (рис. 2 и 3) [3].
30
яа
Рис. 2. Осуществление термодинамического цикла Ренкина в T-s диаграмме для углекислого газа СО2, циркулирующего в замкнутом контуре низкотемпературного теплового двигателя, охлаждаемого технической водой окружающей среды, при минимально возможных параметрах: при давлении в конденсаторе паровой турбины равной 3 кПа и температуре охлаждающей воды равной 278,16 К
Рис. 3. Осуществление термодинамического цикла Ренкина в ^ диаграмме для углекислого газа СО2, циркулирующего в замкнутом контуре низкотемпературного теплового двигателя, охлаждаемого технической водой окружающей среды, при максимально возможных параметрах: при давлении в конденсаторе паровой турбины равной 7,5 кПа и температуре
охлаждающей воды равной 278,16 К
Возможный теплоперепад, который можно сработать в тепловом контуре органического цикла Ренкина, зависит от используемой температуры в холодном источнике. В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающей воды составляет 278 К, что в свою очередь ограничивает потенциал для использования теплоперепада в низкотемпературном тепловом двигателе с замкнутым контуром циркуляции. При этом происходит значительное уменьшение тепловых выбросов в окружающую среду, так как температура сбрасываемой воды незначительно отличается от температуры воды в водоёме.
31
Источники
1. Бродов Ю.М. Теплообменники энергетических установок. Учебное пособие. Екатеринбург. Издательство «Сократ», 2003. 965 с.
2. Гафуров А.М. Тепловая электрическая станция. Патент на полезную модель №140797 РФ. 20.05.2014 г.
3. Гафуров А.М. Утилизация сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС в зимний период времени для дополнительной выработки электроэнергии // Энергетика Татарстана. 2014. № 2 (34). С. 21-25.
MODE OF TRANSFORMATION OF WASTE LOW-GRADE HEAT OF THERMAL
ELECTRICAL STATIONS
Gafurov A.M.
Provides a method of efficient use of low-grade heat (latent heat of vaporization) in condensers of steam turbines of thermal power plants for generate electricity in the winter time. Analyzed the characteristics of the use of liquefied carbon dioxide CO 2 in the thermal circuit of an organic Rankine cycle.
Keywords: waste low-grade heat, steam turbine condenser, the organic Rankine cycle, liquefied carbon dioxide CO2.
Дата поступления 14.10.2014.
32
