CC BY
3
УДК 62-176.2
Потапов А.А., к.ф.-м.н.
доцент кафедра ПЭС ФГБОУВО «КГЭУ» Гафуров Н.М. студент 4 курса
факультет «Энергонасыщенных материалов и изделий»
ФГБОУ ВО «КНИТУ» Россия, г. Казань
ВОЗМОЖНОСТИ ЭКОНОМИИ РАСХОДА УСЛОВНОГО ТОПЛИВА НА СОБСТВЕННЫЕ НУЖДЫ СТАНЦИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СИСТЕМЕ ОХЛАЖДЕНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН ТИПА К-800-240 КОНТУРА ЦИРКУЛЯЦИИ НА C3H8
Рассматриваются возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при замещении традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 контуром циркуляции на сжиженном C3H8 в зимний период времени.
Ключевые слова: паровая турбина, система охлаждения, сжиженный пропан.
Potapov A.A.
candidate of physico-mathematical sciences assistant professor of department «industrial electronics and lighting»
«KSPEU» Gafurov N.M.
4th year student, faculty of «Energy-intensive materials and products»
«KNRTU» 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 К-800-240 OF A CONTOUR OF CIRCULATION ON C3H8
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 К-800-240 by a circulation contour on the liquefied C3H8 in a winter time span is considered.
Keywords: steam turbine, integral cooling system, liquefied propane.
В настоящее время установленная мощность современных конденсационных паровых турбин достигает 800 МВт, 1200 МВт и выше, а эффективный КПД не превышает 42%. Отечественные паровые турбины типа К-800-240 (номинальной мощностью 800 МВт) в основном эксплуатируются на крупных ГРЭС (государственная районная
ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №7(11) 2017
http ://forum-nauka.ru
672
электростанция) такие как Сургутская ГРЭС-2 (6 энергоблоков), Березовская ГРЭС (2 энергоблока), Рязанская ГРЭС (2 энергоблока), Пермская ГРЭС (3 энергоблока), Нижневартовская ГРЭС (2 энергоблока) и т.д. [1, 2].
Конденсационные паровые турбины типа К-800-240 производства Ленинградского металлического завода (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины») характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом до 400 кг/с. При этом выпуск отработавшего пара в части низкого давления производиться в шесть потоков из-за большого объемного расхода пара. В самом конденсаторе паровой турбины типа К-800-240 поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С [3].
Известно, что для конденсации отработавшего в турбине пара требуется большое количество охлаждающей воды. Это связано с тем, что процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования (ранее затраченная на испарение) равная примерно 2200 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. Поэтому потери теплоты в конденсаторе паровой турбины могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [4].
Особенностью конденсационных паровых турбин является возможность повышения их тепловой экономичности за счет усовершенствования той части тепловой схемы, которая относится к использованию теплоты отработавшего в турбине пара. Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 26,67°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.
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). Учитывая суровые климатические условия России и продолжительность зимнего периода времени появляется возможность осуществления низкотемпературных термодинамических циклов с использованием низкокипящих рабочих тел. Примером может служить Сургутская ГРЭС-2 - крупнейшая тепловая электростанция России с установленной мощностью около 5597 МВт, расположенная в городе Сургут Ханты-Мансийского автономного округа, где температура воздуха зимой опускается до минус 50°С и ниже [5, 6].
Таким образом, предлагается замещение традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ контуром циркуляции на сжиженном пропане в виде теплового двигателя, где
реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в конденсаторе паровой турбины второму контуру на низкокипящем рабочем теле - С3Н8. 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 при температуре от 0°С до минус 50°С [7, 8].
Способ работы теплового двигателя на С3Н8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (2%-10%) при давлении в 3,5 кПа охлаждается и конденсируется на поверхности конденсаторных трубок, внутри которых протекает охлаждающая жидкость. В качестве охлаждающей жидкости используется сжиженный пропан С3Н8, который сжимают в насосе до давления 0,9-1,2 МПа и направляют в теплообменник-конденсатор паровой турбины типа К-800-240 ЛМЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 400 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 860 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа С3Н8 до температуры перегретого газа в 21,67°С. На выходе из теплообменника-конденсатора паровой турбины полученный перегретый газ С3Н8 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 С3Н8 направляют в теплообменник-конденсатор аппарата воздушного охлаждения, где в процессе охлаждения газообразного С3Н8 ниже его температуры насыщения происходит процесс интенсивного сжижения, после чего сжиженный газ направляют в насос и цикл повторяется [9].
На рис. 1, 2 представлены графики расчетных показателей по экономии расхода условного топлива на станции (т.у.т./ч) и эксергетической эффективности теплового двигателя при осуществлении процесса охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ контуром циркуляции на С3Н8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.
•8 -1 I-1 I-1-1 I I-1-1
223.15 228,15 233,15 238,15 243,15 248.15 253.15 258.15 263.15 268.15 273.15
Температура наружною вошли, К
Рис. 1. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.
Рис. 2. Для турбин К-800-240 с расходом пара в конденсатор 400 кг/с.
ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №7(11) 2017
Ь1ф://£ошт-паика.ш
675
Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 9,8% до 13,95%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в системе охлаждения паровых турбин типа К-800-240 ЛМЗ позволяет экономить (рис. 1) до 7,33 т.у.т./час на собственные нужды станции в температурном диапазоне окружающей среды от 258,15 К (-15°С) до 223,15 К (-50°С).
Использованные источники:
1. Самые крупные электростанции России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://tesiaes.ru/?cat=252.
2. Электростанции России. Турбины конденсационные. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://docs.google.com/spreadsheetsAi/1y_2DqJPq-IOJGDqRTrHpGN2prTN3VYpmicq9mDnz0jw/htmlembed?chrome=false&pubre direct=true&widget=true.
3. Клименко А.В., Зорин В.М. Тепловые и атомные электростанции: Справочник. Книга 3. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 648 с.
4. Бродов Ю.М. Теплообменники энергетических установок. Учебное пособие. - Екатеринбург. Издательство «Сократ», 2003. - 965 с.
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. Минимальная температура воздуха. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://geographyofrussia.com/minimalnaya-temperatura-vozduxa/.
7. Патент на изобретение № 2560495 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
8. Патент на изобретение № 2560496 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
9. Зайнуллин Р.Р., Гафуров А.М. Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240-3 ЛМЗ, охлаждаемого водой при температуре 5°С. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 796-799.
ФОРУМ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ №7(11) 2017
http ://forum-nauka.ru
676
