CC BY
44
УДК 62-176.2
СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СБРОСНОЙ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ТЭС
В РАБОТУ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ЗАМКНУТЫМ
КОНТУРОМ
Гафуров A.M., инженер
ФГБОУ ВО «КГЭУ»
KonTaKTbi:progressl 50987(a)ranibler.rii
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 COj в тепловом контуре органического цикла Ренкина. Ключевые слова: сбросная низкопотенциальная теплота, конденсаторы паровых турбин, органический цикл Ренкина, сжиженный углекислый газ COj.
Полезное использование сбросной низкопотенциальной теплоты на тепловых электрических станциях (ТЭС), образующейся при конденсации отработавшего в турбине пара, обычным путем затруднительно вследствие того, что температура конденсации незначительно (на 10-20°С) отличается от температуры окружающей среды, особенно в летний период времени. В тоже время утилизация сбросной низкопотенциальной теплоты, то есть преобразование «бесплатной» выбрасываемой тепловой энергии в полезную энергию, является важной научно-технической задачей.
Значительный перепад температур можно наблюдать в зимний период времени, когда температура окружающей среды может составлять от 0°С до -50°С, что намного ниже температуры конденсации отработавшего в турбине пара. В настоящее время отсутствуют технические решения для использования такого теплопере-
73
пада в зимний период времени. На ТЭС будет актуальным осуществление выработки дополнительной электроэнергии за счет использования указанного теплоперепада.
Большинство зарубежных установок на основе органического цикла Ренкина предназначены для эксплуатации от источников теплоты при температуре 80-350°С [1]. На данный момент автору не известны установки, использующие источники сбросной низкопотенциальной теплоты при температурах 24-40°С.
Применяемые установки на низкокипящих рабочих телах состоят из трех основных элементов: расширитель (турбина), насос и теплообменник. Несмотря на различия в конструкциях, эти ключевые элементы образуют основу для эффективной работы и реализации процессов теплового контура органического цикла Ренкина. В трех основных элементах происходит характерное изменение свойств рабочего тела, где эффективность цикла может быть определена при известных температуре подведенной теплоты от источника и отведенной теплоты из цикла. Тем не менее, удельная работа термодинамических циклов зависит от свойств рабочего тела в каждой точке цикла.
Утилизацию сбросной низкопотенциальной теплоты (скрытой теплоты парообразования) отработавшего в турбине пара осуществляют путем нагрева в конденсаторе паровой турбины сжиженного углекислого газа СОг, 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 СОг, содержит последовательно соединенные турбодетандер с электрогенератором, теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения и конденсатный насос [2^-5], причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СОг осуществляют низкотемпературным наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени.
74
1 ЭГ1
> • "
iJtpoforuuiiiA ■ г.рЛмие u-v
« ПрЛиН» ил
СО:
Рис. 1. Принципиальная схема конденсационной установки ТЭС с использованием низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции: ПТ - паровая турбина; ТД - турбодетандер теплового двигателя; К - конденсатор паровой турбины; ABO - теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения; ЭУ - эжекти-руюгцее устройство; КН1 - конденсатный насос паровой турбины; КН2 - конденсатный насос теплового двигателя; ЭГ1 - электрогенератор паровой турбины, ЭГ2 - электроге-
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-IT) сжиженного углекислого газа СОг, 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) конденсиру-
нератор теплового двигателя.
75
ется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает сжиженный углекислый газ СОг. Конденсация пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования, которая отводится на нагрев (процесс II-III) сжиженного углекислого газа СОг. Температура кипения сжиженного углекислого газа СОг сравнительна низка при температуре от 292,26 К до 303,19 К и давлении от 5,61 МПа до 7,22 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.
Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере теплового двигателя не происходит конденсации газообразного углекислого газа СОг в ходе срабатывания теплоперепада (процесс V-VI). Мощность турбодетандера теплового двигателя передается соединенному на одном валу электрогенератору. На выходе из турбодетандера теплового двигателя газообразный углекислый газ СОг, имеющий температуру влажного газа от 286 К до 277,46 К, направляют на сжижение в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения теплового двигателя.
Далее, при снижении температуры газообразного углекислого газа СОг, происходит его сжижение в теплообменнике-конденсаторе аппарата воздушного охлаждения (процесс VI-I), охлаждаемого наружным воздухом окружающей среды в температурном диапазоне от 273,15 К до 223,15 К.
После теплообменника-конденсатора аппарата воздушного охлаждения теплового двигателя в сжиженном состоянии углекислый газ СОг направляют для сжатия в конденсатный насос теплового двигателя. Далее органический цикл Ренкина на основе низ-кокипящего рабочего тела повторяется (рис. 2 и 3).
76
* МО
I
//// «мни оии* МП* 4«*ни
/ / /
,/ш/ / / --г \"\/
\ \ \ « «ч V \ \ \ \
)кгрония. кД* (к, К)
Рис. 2. Осуществление термодинамического цикла Ренкина в Т-в диаграмме для углекислого газа С02, циркулирующего в замкнутом контуре низкотемпературного теплового
двигателя, охлаждаемого наружным воздухом окружающей среды, при минимально возможных параметрах: при давлении в конденсаторе паровой турбины равной 3 кПа и температуре окружающей среды равной 273,15 К
мпрппня. кЛЖ'(КГ-К)
Рис. 3. Осуществление термодинамического цикла Ренкина в Т-в диаграмме для углекислого газа С02, циркулирующего в замкнутом контуре низкотемпературного теплового
двигателя, охлаждаемого наружным воздухом окружающей среды, при максимально возможных параметрах: при давлении в конденсаторе паровой турбины равной 7,5 кПа и температуре окружающей среды равной от 263,15 К до 223,15 К
77
В зимний период времени минимально допустимая температура охлаждающего воздуха равна температуре окружающей среды, что в свою очередь не ограничивает потенциал для использования теплопе-репада в низкотемпературном тепловом двигателе с замкнутым контуром циркуляции. При этом нужно учитывать, что температура сжиженного углекислого газа СОг на входе в конденсатор паровой турбины не должна быть ниже температуры замерзания воды.
Аппараты воздушного охлаждения наиболее эффективны для охлаждения и конденсации жидких углеводородов. Возможность их эксплуатации в условиях холодного климата со средней температурой наружного воздуха в наиболее холодный период не ниже 218 К.
Источники
1. Sylvain Quoilin, Martijn Van Den Broek, Se'bastien Declaye, Pierre Dewallef, Vincent Lemort. Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews 22 (2013), C. 168-186.
2. Гафуров A.M. Тепловая электрическая станция. Патент на полезную модель №140435 РФ. 10.05.2014 г.
3. Гафуров A.M. Тепловая электрическая станция. Патент на полезную модель №140394 РФ. 10.05.2014 г.
4. Гафуров A.M. Тепловая электрическая станция. Патент на полезную модель №140275 РФ. 10.05.2014 г.
5. Гафуров A.M. Тепловая электрическая станция. Патент на полезную модель №140802 РФ. 20.05.2014 г.
MODE OF TRANSFORMATION OF WASTE LOW-GRADE HEAT OF THERMAL ELECTRICAL STATIONS IN OPERATION OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT
ENGINE 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 CO2 in the thermal circuit of an organic Rankine cycle.
Keywords: waste low-grade heat, steam turbine condenser, the organic Rankine cycle, liquefied carbon dioxide COj.
Дата поступления 12.12.2015.
78
