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 ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА К-25-0,6 ГЕО С ПОМОЩЬЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА СО2
Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном СО2 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео при температуре окружающей среды до минус 50°С.
Ключевые слова: паровая турбина, низкотемпературный тепловой двигатель, сжиженный углекислый газ.
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
POSSIBILITIES OF ADDITIONAL ELECTRICITY PRODUCTION AS A PART OF THE CONDENSATION STEAM TURBINE К-25-0,6 GEO BY MEANS OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT ENGINE ON СО2
Results of research of mode of work of the low-temperature heat engine are presented on the liquefied CO2 on electricity production as a part of the condensation steam turbine K-25-0,6 Geo at ambient temperature to minus 50°C.
Keywords: steam turbine, low-temperature heat engine, liquefied carbon dioxide gas.
В последнее время проводятся исследования и предлагаются решения по утилизации тепловых отходов промышленности с возможностью выработки электроэнергии с помощью тепловых двигателей на низкокипящих рабочих телах (НРТ). Большинство применяемых тепловых двигателей на НРТ состоят из нескольких основных элементов - насос, теплообменник-испаритель, турбодетандер, теплообменник-рекуператор (зависит от свойств НРТ) и теплообменник-конденсатор. Несмотря на
различия в конструкциях, эти основные элементы образуют основу для эффективной работы и осуществления процессов теплового контура органического цикла Ренкина. В основных элементах происходят характерные изменения свойств НРТ, где эффективность цикла можно вычислить, зная температуру подведенной теплоты от источника и отведенной теплоты из цикла [1].
Главным достоинством НРТ является возможность его адаптации к различным источникам тепловой энергии. За счет варьирования рабочего тела его можно использовать в широком диапазоне температур и давлений.
В настоящее время выработка электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоЭС) производиться с низкой эффективностью в 20-25% при использовании традиционных паровых турбин, в основном это связано с использованием водяного пара в качестве рабочего тела в термодинамическом цикле Ренкина, где имеются существенные потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе паровой турбины).
Рассмотрим конденсационную паровую турбину типа К-25-0,6 Гео (номинальной мощностью 25 МВт) производства Калужского турбинного завода, которая эксплуатируется на Мутновской ГеоЭС. 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. При этом весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом до 42 кг/с. Сам 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 [2].
Учитывая то, что климатические условия на Мутновском геотермальном месторождении (Камчатский край) уникальны в связи с его расположением в северном районе, на значительной высоте над уровнем моря. Среднегодовая температура воздуха составляет минус 1,5°С, а средняя температура в течение восьми месяцев (с октября по май) ниже минус 5°С. Это позволяет понизить температуру конденсации в комбинированном цикле. То есть 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 температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на НРТ [3].
Таким образом, предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя 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 (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле - СО2. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 осуществляют наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до
минус 50°С.
Температурный диапазон использования сжиженного газа СО2 в качестве низкокипящего рабочего тела в тепловом контуре органического цикла Ренкина ограничивается показателями критической температуры в 31°С и температурой в тройной точке минус 56,56°С. Поэтому использование сжиженного газа СО2 в температурном диапазоне от 40°С до минус 50°С позволяет обеспечить приемлемые давления контура циркуляции низкотемпературного теплового двигателя и затраты на его сжатие [4].
Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (10-12%) 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 углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в конденсатор паровой турбины типа К-25-0,6 Гео для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 42 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 90 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 28°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 конденсатор 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 [5].
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-25-0,6 Гео контуром циркуляции на сжиженном СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха.
I I-1 ♦ I-1*11-1
223.15 228.15 233,15 238.15 243.15 248.15 253.15 258.15 263.15 268,15 273.15
Температура наружною вошка, К
Рис. 1. Для турбин типа К-25-0,6 с расходом пара в конденсатор 42
кг/с.
6,5
4 I-1 I I-1-11111
223.15 228.15 233,15 238,15 243.15 248.15 253,15 258,15 263,15 268,15 273.15
Температура наружною воздуха, К
Рис. 2. Для турбин типа К-25-0,6 с расходом пара в конденсатор 42
кг/с.
Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 4,14% до 5,94%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на ГеоЭС (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).
Использованные источники:
1. Гафуров А.М., Осипов Б.М., Гафуров Н.М., Гатина Р.З. Способ утилизации тепловых вторичных энергоресурсов промышленных предприятий для выработки электроэнергии. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. - 2016. - № 11-12. - С. 36-42.
2. Мутновская ГеоЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.geotherm.rushydro.ru/press/press-kit/.
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. Гафуров Н.М., Гафуров А.М. Способ работы низкотемпературного теплового двигателя от источника геотермальной воды. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 525-528.
5. Патент на изобретение № 2564748 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 10.10.2015 г.
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 ВОЗМОЖНОСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ ТИПА К-25-0,6 ГЕО С ПОМОЩЬЮ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА C3H8 Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном C3H8 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-25-0,6 Гео при температуре окружающей среды до минус 50°С.
Ключевые слова: паровая турбина, низкотемпературный тепловой двигатель, сжиженный пропан.
