CC BY
8
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Зайнуллин Р.Р., к.ф.-м.н. старший преподаватель кафедра ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань
ВОЗМОЖНОСТИ ДОСТИЖЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО ВАКУУМА В КОНДЕНСАТОРЕ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД
ВРЕМЕНИ
Рассматриваются возможности достижения предельного вакуума в конденсаторе паровой турбины при использовании в системе охлаждения контура циркуляции на сжиженном пропане.
Ключевые слова: паровая турбина, система охлаждения, сжиженный пропан.
Gafurov N.M.
4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products»
«KNRTU» Zainullin R.R.
candidate of physico-mathematical sciences senior lecturer of department «industrial electronics and lighting»
«KSPEU» Russia, Kazan
POSSIBILITIES OF ACHIEVEMENT OF LIMIT VACUUM IN THE CONDENSER OF THE STEAM TURBINE IN A WINTER TIME SPAN
The possibilities of achievement of limit vacuum in the condenser of the steam turbine when using in a circulation contour integral cooling system on the liquefied propane are considered.
Keywords: steam turbine, integral cooling system, liquefied propane.
Как известно использование водяного пара в качестве рабочего тела в паровых турбинах ограничивается температурами от 0°С (теоретически возможно при глубоком вакууме) до 700°С (практически ограничивается прочностными и технологическими свойствами используемых металлов). Поэтому одним из основных способов достижения высокого термического КПД паротурбинной установки является понижение параметров пара за турбиной. С понижением давления и температуры отработавшего в турбине пара уменьшается количество теплоты, передаваемой холодному источнику (конденсатору), что, как известно из термодинамики, при неизменных параметрах свежего пара повышает мощность турбины (за счет увеличения
ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №7(11) 2017
http ://forum-nauka.ru
155
теплоперепада) и экономичность цикла в целом.
Однако теоретической основой обеспечения низкого давления пара в конденсаторе является однозначная связь между давлением и температурой конденсирующейся среды. Поскольку температура конденсации определяется климатическими условиями и составляет от 25°С до 50°С, то в конденсаторе поддерживается низкое давление, составляющее в зависимости от режима от 3 кПа до 12,5 кПа. Чем ниже температура и больше расход охлаждающей среды, тем более глубокий вакуум можно получить в конденсаторе [1].
Температура охлаждающей воды на входе в конденсатор зависит от географического месторасположения электростанции, времени года и системы водоснабжения. При проектировании паровых турбин с учетом того, что они могут устанавливаться в самых различных районах страны, среднегодовую расчетную температуру охлаждающей воды обычно принимают из следующего ряда: для ТЭС и АЭС - 10, 12, 15 или 20°С, а для ТЭЦ и АТЭЦ - 20 или 27°С. В отдельных случаях, например, при последовательном соединении конденсаторов по охлаждающей воде или при оборотной системе водоснабжения с градирнями, температура воды на входе, в конденсатор может достигать 40°С [2].
Поэтому в реальных условиях эксплуатации паровых турбин предельный вакуум, как правило, не достигается, так как быстрее устанавливается экономический вакуум, при котором полезная мощность турбоустановки (за вычетом затрат мощности на привод циркуляционных насосов) при данном расходе пара в конденсатор достигает максимального значения. В связи с этим величину экономического вакуума обычно считают оптимальным вакуумом конденсатора для данной паровой турбины.
В настоящее время проводятся исследования и разработки новых энергоэффективных систем охлаждения конденсаторов паровых турбин для повышения надежности работы и экономии электроэнергии на собственные нужды станции. Предлагаются варианты использования вместо воды низкокипящего теплоносителя, который испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [3, 4].
Возможности осуществления термодинамических циклов на низкокипящих теплоносителях во многом определяется наличием теплоперепада между отводимой теплотой в конденсаторе паровой турбины и окружающей средой. То есть когда температура окружающей среды намного ниже температуры конденсации отработавшего в турбине пара.
Учитывая суровые климатические условия России и продолжительность зимнего периода времени появляется возможность осуществления низкотемпературных термодинамических циклов с использованием низкокипящих рабочих тел.
Предлагается использовать в системе охлаждения конденсаторов
паровых турбин контура циркуляции на сжиженном пропане С3Н8. В этом случаи процесс охлаждения конденсаторов паровых турбин осуществляется следующим образом. Сжиженный пропан С3Н8 сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа, далее нагревают и испаряют в конденсаторе паровой турбины до температуры перегретого газа, потом снижают его температуру и давление при расширении в турбодетандере, и затем сжижают в теплообменнике-конденсаторе аппарата воздушного охлаждения при температуре от 0°С до минус 50°С. Основным преимуществом использования пропана С3Н8 является его температура насыщения равная минус 42°С при давлении 0,1 МПа, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного С3Н8 наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени [5, 6].
Пропан С3Н8 ^290) представляет собой насыщенный углеводород, который при нормальных условиях является бесцветным горючим и взрывоопасным газом, не обладающим запахом. Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. Хладагент С3Н8 характеризуется мало растворимостью в воде и низкой стоимостью. При использовании хладагента С3Н8 не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбодетандера и конденсатного насоса [7].
За счет осуществления процесса испарения сжиженного пропана удается добиться снижения расхода теплоносителя и затраты на его сжатие. При осуществлении процесса расширения перегретого газа в турбодетандере возможно дополнительная выработка электроэнергии для покрытия затрат на собственные нужды станции. Таким образом, достигается низкая температура теплоносителя (вплоть до отрицательных температур), что способствует снижению давления пара в конденсаторе паровой турбины до предельного вакуума.
Известно, что для большинства паровых турбин средних параметров отклонение давления в конденсаторе на ±1 кПа приводит к изменению мощности турбины примерно на 1%. В табл. 1 в качестве примера представлены данные по изменению мощности и экономичности паротурбинных установок (ПТУ) при изменении давления пара за турбиной на ±1 кПа и неизменных параметрах свежего пара.
Таблица 1
Марка паровой турбины Номинальная мощность, МВт Изменение мощности, МВт Изменение экономичности ПТУ, %
К-200-130 (ЛМЗ) 200 1,9 0,95
К-220-44 (ХТЗ) 220 4,06 1,85
Т-250/300-240 (ТМЗ) 300 1,83 0,7
К-300-240 (ЛМЗ) 300 2,76 0,92
К-500-65/3000 (ХТЗ) 500 8,00 1,6
К-750-65/3000 (ХТЗ) 750 8,91 1,19
К-800-240 (ЛМЗ) 800 4,94 0,62
К-1000-60/1500-1 (ХТЗ) 1000 12,75 1,28
Таким образом, использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин контура циркуляции на сжиженном пропане C3H8 позволяет снижать давление пара в конденсаторе паровой турбины до предельного вакуума (при котором исчерпывается расширительная способность косого среза сопл и лопаток, и прекращается прирост мощности) за счет более низкой температуры охлаждения и дополнительной выработки электроэнергии.
Использованные источники:
1. Гафуров А.М. Способ преобразования сбросной низкопотенциальной теплоты ТЭС. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2015. - №4 (28). - С. 28-32.
2. Бродов Ю.М. Теплообменники энергетических установок. Учебное пособие. - Екатеринбург. Издательство «Сократ», 2003. - 965 с.
3. Патент на изобретение № 2560495 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
4. Патент на изобретение № 2560496 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
5. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы применения бинарных энергоустановок на тепловых электростанциях России. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 509-512.
6. Гафуров А.М., Гатина Р.З. Выбор низкокипящего рабочего тела по термодинамическим показателям для использования в тепловом двигателе в области температур от 80°С до минус 55°С. // Форум молодых ученых. -2017. - №5 (9). - С. 493-496.
7. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Выбор низкокипящего рабочего тела по экономическим показателям для использования в тепловых двигателях. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 506-509.
ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №7(11) 2017
http ://forum-nauka.ru
158
