CC BY
2
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 ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА C3H8 ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ ТИПА К-500-240-2
Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном C3H8 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2 при температуре окружающей среды до минус 50°С.
Ключевые слова: паровая турбина, низкотемпературный тепловой двигатель, 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 USE OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT ENGINE ON C3H8 FOR ELECTRICITY PRODUCTION AS A PART OF A CONDENSATION TURBINE К-500-240-2
Results of research of mode of work of the low-temperature heat engine are presented on the liquefied C3H8 for electricity production as a part of the condensation turbine К-500-240-2 at ambient temperature to minus 50°C.
Keywords: steam turbine, low-temperature heat engine, liquefied propane.
Крупные конденсационные электростанции (типа ГРЭС) сооружаются непосредственно у источников водоснабжения (река, озеро, море), так как для охлаждения отработавшего в турбине пара требуется огромное количество воды (до 130 кг/с для производства 1 кВт-ч электроэнергии). При этом мощности современных энергетических турбоагрегатов постоянно повышаются, и в настоящее время основной прирост мощностей в энергосистемах происходит за счет ввода агрегатов 500, 800 и 1200 МВт.
Экологические требования в последние годы ужесточились настолько, что дальнейший рост мощностей теплоэлектростанций можно осуществлять либо за счет использования воздушных конденсатор, либо ориентируясь на оборотные системы водоснабжения с градирнями и брызгальными бассейнами. Поэтому 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 [1, 2].
Например, конденсационные паровые турбины типа К-500-240-2 (номинальной мощностью 500 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) характеризуются тем, что почти весь пар, пройдя через турбину, поступает в конденсатор с расходом до 255 кг/с. При этом в конденсаторе паровой турбины типа К-500-240-2 поддерживается низкое давление пара равное 3,63 кПа, что соответствует температуре насыщения в 27,29°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2157 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 [3].
Однако в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-500-240-2 являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 27,29°С, а окружающая среда - прямой источник холода с допустимой температурой вплоть до минус 50°С. Имеющийся теплоперепад можно сработать с помощью низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле. То есть предлагается использование низкотемпературного теплового двигателя в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2, где реализуется термодинамический цикл Ренкина на основе парового контура с отводом теплоты в холодном источнике (конденсаторе) второму контуру на низкокипящем рабочем теле - сжиженном пропане С3Н8. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа С3Н8 будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [4].
Сжиженный пропан С3Н8 характеризуется мало растворимостью в воде и низкой стоимостью. Уже в течение многих лет пропан используют в промышленных холодильных установках. При использовании пропана не возникает проблем с осуществлением выбора конструкционных материалов деталей теплообменника-испарителя, теплообменника-конденсатора, турбины (турбодетандера) и конденсатного насоса.
Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на С3Н8 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине
влажный пар (2%-10%) при давлении в 3,63 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-500-240-2 для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 255 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 550 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа С3Н8 до температуры перегретого газа в 22,29°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 [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-500-240-2 контуром циркуляции на С3Н8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.
Рис. 1. Для турбин К-500-240-2 с расходом пара в конденсатор 255
кг/с.
Рис. 2. Для турбин К-500-240-2 с расходом пара в конденсатор 255
кг/с.
Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,05% до 3,46%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2 позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 258,15 К (-15°С) до 223,15 К (-50°С).
Использованные источники:
1. Патент на изобретение № 2560495 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
2. Патент на изобретение № 2560496 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
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. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы применения бинарных энергоустановок на тепловых электростанциях России. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 509-512.
5. Зайнуллин Р.Р., Гафуров А.М. Осуществление бинарного цикла в составе конденсационной паровой турбины типа К-500-240-2 ХТЗ, охлаждаемого водой при температуре 5°С. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 792-795.
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-500-240-2 КОНТУРА ЦИРКУЛЯЦИИ НА СО2
Рассматриваются возможности экономии расхода условного топлива на собственные нужды станции при замещении традиционной системы охлаждения конденсаторов паровых турбин типа К-500-240-2 контуром циркуляции на сжиженном СО2 в зимний период времени.
Ключевые слова: паровая турбина, система охлаждения, сжиженный углекислый газ.
