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 СО2 ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ ТИПА К-500-240-2
Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном СО2 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 углекислый газ.
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 СО2 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 СО2 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 carbon dioxide gas.
Основная часть электроэнергии в настоящее время производится на крупных тепловых электростанциях, такие как ГРЭС (государственная районная электростанция) с использованием конденсационных паровых турбин. В России и за рубежом эксплуатируется достаточно много мощных конденсационных паровых турбин Харьковского турбинного завода типа К -500-240-2 на таких станциях как Рефтинская ГРЭС (4 энергоблока),
Назаровская ГРЭС (1 энергоблок), Троицкая ГРЭС (2 энергоблока), Экибастузская ГРЭС-1 (8 энергоблоков) и т.д. [1, 2].
Конденсационные паровые турбины в первую очередь предназначены для выработки электроэнергии за счет преобразования максимально возможной части теплоты пара в механическую работу, где эффективность таких турбин не превышает 42%. При этом весь отработавший пар в такой турбине поступает в конденсатор, где для обеспечения процесса конденсации пара требуется большое количество охлаждающей воды (около 51500 м3/ч для турбин мощностью 500 МВт), что увеличивает затраты электроэнергии на собственные нужды станции.
К примеру, 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].
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, 5].
Например, 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.
Таким образом 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 - углекислом газе СО2. Причем охлаждение низкокипящего рабочего газа СО2 будет осуществляться наружным воздухом окружающей среды в зимний период времени при температуре от 0°С до минус 50°С [6].
Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО2
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 углекислый газ СО2, который сжимают в насосе до высокого давления 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 СО2 до температуры перегретого газа в 22,29°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 [7].
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 СО2 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 2,26% до 4,58%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 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:
6. Самые крупные электростанции России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: ЬИр:/Ле81ае8.ги/?са1=252.
7. Электростанции России. Турбины конденсационные. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://docs.google.com/spreadsheetsAi/1y_2DqJPq-IOJGDqRTrHpGN2prTN3VYpmicq9mDnz0jw/htmlembed?chrome=false&pubre direct=true&widget=true.
8. 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.
9. Патент на изобретение № 2560495 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
10. Патент на изобретение № 2560496 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М., Гафуров Н.М. 20.08.2015 г.
11. Гафуров А.М., Гатина Р.З. Выбор низкокипящего рабочего тела по положению угла наклона кривой линии насыщенного газа. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 500-503.
12. 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.
