CC BY
3
УДК 62-176.2
Гафуров Н.М. студент 5 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУВО «КНИТУ» Зайнуллин Р.Р., к.ф.-м.н. старший преподаватель кафедра ПЭС ФГБОУ ВО «КГЭУ» Россия, г. Казань
ВОЗМОЖНОСТИ ЭКОНОМИИ РАСХОДА УСЛОВНОГО ТОПЛИВА НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ СТАНЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН ТИПА ПТ-30/35-3,4/1,0 КОНТУРА ЦИРКУЛЯЦИИ НА СО2
Рассматриваются возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при замещении традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контуром циркуляции на сжиженном СО2 в зимний период времени.
Ключевые слова: паровая турбина, система охлаждения, сжиженный углекислый газ.
Gafurov N.M.
5th 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 ECONOMY OF A CONSUMPTION OF EQUIVALENT FUEL ON OWN NEEDS OF STATION WHEN USING IN AN INTEGRAL COOLING SYSTEM OF STEAM TURBINES PT-30/35-
3,4/1,0 OF A CONTOUR OF CIRCULATION ON СО2
The possibilities of economy of a consumption of equivalent fuel on own needs of station at substitution of a traditional integral cooling system of condensers of steam turbines PT-30/35-3,4/1,0 by a circulation contour on the liquefied СО2 in a winter time span is considered.
Keywords: steam turbine, integral cooling system, liquefied carbon dioxide
gas.
Работа традиционных тепловых электростанций не обходиться без использования водных ресурсов окружающей среды для охлаждения конденсаторов паровых турбин, где расход воды может составлять до 45-60 кг/с для осуществления процесса конденсации 1 кг пара, что требует затрат электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем около 12 кВт. Огромной расход воды обусловлен в первую очередь допустимой
температурой нагрева охлаждающей воды не более чем на 5°С зимой и на 3°С - летом (нормативные требования «Правил охраны поверхностных вод»), что зачастую может приводить к изменениям биотического компонента экосистемы. Воздушные конденсаторы по ряду причин пока не получили широкого распространения, перспективные разработки в этой области будут описаны далее [1].
Например, в зимний период времени паровые турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 (номинальной мощностью 30 МВт и начальными параметрами пара: давление 3,4 МПа и температура 435°С) работают в теплофикационном режиме, когда часть теплоты отработавшего в турбине пара, имеющая более низкий потенциал, отбирается на производственные нужды и теплофикацию. Однако недопустима работа данных паровых турбин, когда через конденсатор не пропускается пар, т. е. когда весь пар идет в отбор, так как вращение ротора в корпусе, через который не пропускается пар, приведет за счет сил трения между лопатками и рабочим телом к чрезмерному перегреву ротора из-за недостаточного отвода теплоты. Поэтому часть пара вентиляционного расхода до 6 кг/с через цилиндр низкого давления поступает в конденсатор паровой турбины. В конденсаторе паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 поддерживается низкое давление пара равное 4,0 кПа, что соответствует температуре насыщения в 28,96°С, а окружающая среда -прямой источник холода с допустимой температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью замкнутого контура циркуляции на низкокипящем рабочем теле представляющий собой тепловой двигатель, осуществляющий свою работу по органическому циклу Ренкина [2, 3].
В настоящее время проводятся исследования и разработки новых систем охлаждения, в которых промежуточным теплоносителем вместо воды служит низкокипящее рабочее тело, которое испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [4].
Таким образом, предлагается использование в системе охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контура циркуляции на сжиженном углекислом газе СО2 в виде теплового двигателя, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле - СО2. Основным преимуществом использования углекислого газа СО2 является его температура тройной точки равная минус 56,56°С, что позволяет осуществлять процесс охлаждения и сжижения газообразного СО2 наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [5].
Способ работы теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-
10%) при давлении в 4,0 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа ПТ-30/35-3,4/1,0 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 6 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 12,87 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 23,85°С. На выходе из теплообменника-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 теплообменник-конденсатор аппарата 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 [6, 7].
На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на станции (кг.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.
Рис. 1. Для турбин ПТ-30/35-3,4/1,0 с расходом пара в конденсатор 6
кг/с.
Рис. 2. Для турбин ПТ-30/35-3,4/1,0 с расходом пара в конденсатор 6
кг/с.
Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 0,82% до 13,25%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 в системе охлаждения паровых турбин типа ПТ-30/35-3,4/1,0 позволяет экономить (рис. 1) до 118 кг.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).
Использованные источники:
1. Правила охраны поверхностных вод. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http ://www.ecobest.ru/snip/folder- 16/list-4.html.
2. Паровые турбины и турбогенераторы Калужского турбинного завода. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://ehc-group.ru/catalog/gtu/turbine/kaluga/288.html.
3. Пропуск пара вентиляционный через ЧНД турбины. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://mash-xxl.info/info/345214/.
4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы применения бинарных энергоустановок на тепловых электростанциях России. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 509-512.
5. 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.
6. Патент на изобретение № 2560510 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
7. Патент на изобретение № 2564748 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 10.10.2015 г.
