CC BY
4
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-800-240
Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном C3H8 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240 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-800-240
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-800-240 at ambient temperature to minus 50°C.
Keywords: steam turbine, low-temperature heat engine, liquefied propane.
В настоящее время основной прирост мощностей в энергосистемах происходит за счет ввода новых энергоблоков (конденсационных паровых турбин) мощностью 500 МВт, 800 МВт и 1200 МВт, выпускаемых производственными объединениями «Ленинградский металлический завод» (ЛМЗ, входит в состав «Силовые машины») и «Харьковский турбинный завод» (ХТЗ, ныне «Турбоатом»). Данные паровые турбины в основном используются на крупных ГРЭС (государственная районная электростанция)
такие как Костромская ГРЭС (3600 МВт), Сургутская ГРЭС-2 (5597 МВт), Рефтинская ГРЭС (3800 МВт), Рязанская ГРЭС (3070 МВт), Пермская ГРЭС (2400 МВт) и т.д. [1, 2].
Конденсационные паровые турбины предназначены для выработки электроэнергии за счет превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. При этом весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор. Поэтому для большинства конденсационных паровых турбин потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле.
Например, мощные паровые турбины типа К-800-240 ЛМЗ (номинальной мощностью 800 МВт и начальными параметрами пара: давление 23,5 МПа и температура 540°С) предназначены для работы в конденсационном режиме со значительным расходом пара (до 400 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 3,5 кПа, что соответствует температуре насыщения в 26,67°С, а сам процесс конденсации 1 кг пара сопровождается высвобождением скрытой теплоты парообразования равная примерно 2150 кДж/кг, которая в настоящее время отводиться с помощью охлаждающей воды в окружающую среду. При этом для осуществления процесса охлаждения 1 кг пара в конденсаторе паровой турбины требуется прокачивать около 45-60 кг охлаждающей воды с затратами электрической мощности на циркуляционные насосы в среднем 12 кВт, что для данной паровой турбины затраты электрической мощности на собственные нужды могут составить до 5 МВт [3, 4].
В настоящее время проводятся исследования и разработки, новых энергоэффективных систем охлаждения паровых турбин, 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 [5, 6].
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 низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на низкокипящем рабочем теле [7].
Таким образом, в зимний период времени предлагается использовать низкотемпературный тепловой двигатель в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240, 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 при температуре от 0°С до минус 50°С.
Способ работы низкотемпературного 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 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 [8].
Аппараты воздушного охлаждения имеют более длительный срок службы по сравнению с аппаратами водяного охлаждения из-за меньшего загрязнения и коррозии наружной поверхности теплообмена.
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-800-240 контуром циркуляции на С3Н8 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.
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.
Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 1,5% до 4,1%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на С3Н8 в составе конденсационной паровой турбины типа К-800-240 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. Самые крупные электростанции России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: ЬИр:/Ле81ае8.ги/?са1=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. Патент на изобретение № 2560495 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
6. Патент на изобретение № 2560496 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
7. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Перспективы применения бинарных энергоустановок на тепловых электростанциях России. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 509-512.
8. 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.
