CC BY
5
Эксергетическая эффективность теплового двигателя (рис. 2) варьируется от 3,15% до 9,8%. При этом использование теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на C3H8 в системе охлаждения паровых турбин типа К-1200-240 позволяет экономить (рис. 1) до 7,9 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. Костромская ГРЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://tesiaes.ru/?p=287.
2. Бродов Ю.М. Теплообменники энергетических установок. Учебное пособие. - Екатеринбург. Издательство «Сократ», 2003. - 965 с.
3. Конденсационные электростанции. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-4/4-1.
4. Патент на изобретение № 2555597 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.07.2015 г.
5. Патент на изобретение № 2555600 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.07.2015 г.
6. 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.
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 мощной конденсационной паровой турбины типа К-1200-240-3 ЛМЗ, охлаждаемого водой при температуре 5°С. // Форум молодых ученых. -2017. - №5 (9). - С. 799-802.
УДК 62-176.2
Потапов А.А., к.ф.-м.н.
доцент кафедра ПЭС Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА СО2 ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ ТИПА К-750-65/3000 Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном СО2 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000 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»
Gafurov A.M.
engineer of the I category «Management of research work»
«KSPEU» Russia, Kazan
POSSIBILITIES OF USE OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT ENGINE ON СО2 FOR ELECTRICITY PRODUCTION AS A PART OF A CONDENSATION TURBINE К-750-65/3000
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-750-65/3000 at ambient temperature to minus 50°C.
Keywords: steam turbine, low-temperature heat engine, liquefied carbon dioxide gas.
В настоящее время большинство конденсационных паровых турбин, используемых на атомных электростанциях (АЭС) с водоохлаждаемыми реакторами, предназначены для работы на насыщенном паре. При этом располагаемый теплоперепад в турбине с насыщенным паром приблизительно в 2 раза меньше, чем в турбине на сверхкритических параметрах. Из-за уменьшенного располагаемого теплоперепада в турбине основная часть ее мощности примерно 55-65% производиться в цилиндре низкого давления с последующим выхлопом пара в конденсатор, где объемный расход пара примерно на 60-90% больше, чем в турбине на сверхкритических параметрах той же мощности. Поэтому потери теплоты в холодном источнике (конденсаторе) могут составлять до половины (45-50%) затрачиваемой теплоты в термодинамическом цикле [1, 2]
Примером может служить конденсационная паровая турбина типа К-750-65/3000 производства Харьковского турбинного завода (ХТЗ, ныне ПАО «Турбоатом»), которая была установлена в количестве двух турбоагрегатов на Игналинской АЭС в Литве с реакторами РБМК-1500 (реакторы большой мощности канального типа на 1500 МВт).
Конденсационные паровые турбины типа К-750-65/3000 ХТЗ (номинальной мощностью 808 МВт и начальными параметрами пара: давление 6,37 МПа и температура 280°С) характеризуются тем, что предназначены для выработки электроэнергии со значительным расходом пара (до 705,4 кг/с) в конденсатор, где поддерживается низкое давление пара равное 4,41 кПа, что соответствует температуре насыщения в 30,66°С [ 3].
Известно, 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. При этом для 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. В данном случаи при расходе пара в конденсатор до 705,4 кг/с затраты электрической мощности на циркуляционные насосы могут составить до 8,5 МВт [4].
Поэтому в настоящее время проводятся исследования и разработки новых энергоэффективных систем охлаждения конденсаторов паровых турбин для экономии электроэнергии на собственные нужды станции. Предлагаются варианты использования вместо воды низкокипящего теплоносителя, который испаряется в поверхностном конденсаторе паровой турбины, расширяется в турбодетандере и конденсируется затем в охладительной башне, где теплота конденсации передается наружному воздуху [5, 6].
Например, в зимний период времени конденсаторы паровых турбин типа К-750-65/3000 ХТЗ являются источниками сбросной низкопотенциальной теплоты с температурой в 30,66°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-750-65/3000 ХТЗ, 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 при температуре от 0°С до минус 50°С.
Использование воздушных конденсаторов позволяет решить такие проблемы, как привязка электростанции к источнику охлаждающей воды, либо затраты на строительство прудов-охладителей, исключает необходимость установки и эксплуатации водозаборных и водоочистных сооружений. С экологической точки зрения воздушные конденсаторы дают возможность избавиться от теплового загрязнения водоемов, негативно сказывающего на обитающих в них организмах.
Способ работы низкотемпературного теплового двигателя на СО2 осуществляется следующим образом. Отработавший в паровой турбине влажный пар (10%-14%) при давлении в 4,41 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-750-65/3000 ХТЗ для охлаждения отработавшего в турбине влажного пара. Конденсация 705,4 кг/с пара сопровождается выделением скрытой теплоты парообразования равного примерно 1510 МВт, которая отводится на нагрев и испарение сжиженного газа СО2 до температуры перегретого газа в 25°С. На выходе из 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 [8].
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-750-65/3000 ХТЗ контуром циркуляции на СО2 в зависимости от температуры наружного воздуха в зимний период времени.
Рис. 1. Для турбин К-750-65/3000 с расходом пара в конденсатор 705,4
кг/с.
2,5 1 I I I-1 I-1-1 I-1 I
223.15 228.15 233.15 238.15 243.15 24Я.15 253.15 258.15 263.15 268.15 273,15
_Температура наружного воздуха, К_
Рис. 2. Для турбин К-750-65/3000 с расходом пара в конденсатор 705,4
кг/с.
Абсолютный электрический КПД (рис. 2) турбогенератора низкотемпературного теплового двигателя варьируется от 2,89% до 5,17%. При этом использование низкотемпературного теплового двигателя с замкнутым контуром циркуляции на СО2 в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000 ХТЗ позволяет дополнительно вырабатывать электроэнергию на станции (рис. 1) в диапазоне температур окружающей среды от 263,15 К (-10°С) до 223,15 К (-50°С).
Использованные источники:
1. Особенности влажно-паровых турбин АЭС. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://studopedia.ru/12_65047_osobennosti-vlazhno-parovih-turbin-aes.html.
2. Конструкции турбин атомных электростанций. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.tehnoinfa.ru/parovyeturbiny2/62.html.
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 № 2555597 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.07.2015 г.
6. Патент на изобретение № 2555600 РФ. Способ работы тепловой электрической станции / Гафуров А.М. 10.07.2015 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. Гатина Р.З., Гафуров А.М. Способ утилизации тепловых отходов промышленности с температурой в 30°С в зимний период времени. // Форум молодых ученых. - 2017. - №5 (9). - С. 476-479.
УДК 62-176.2
Потапов А.А., к.ф.-м.н.
доцент кафедра ПЭС Гафуров А.М. инженер I категории УНИР ФГБОУВО «КГЭУ» Россия, г. Казань ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА C3H8 ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ КОНДЕНСАЦИОННОЙ ПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ ТИПА К-750-65/3000
Представлены результаты исследования способа работы низкотемпературного теплового двигателя на сжиженном C3H8 по выработке электроэнергии в составе конденсационной паровой турбины типа К-750-65/3000 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»
Gafurov A.M.
engineer of the I category «Management of research work»
«KSPEU» Russia, Kazan
POSSIBILITIES OF USE OF THE LOW-TEMPERATURE HEAT ENGINE ON C3H8 FOR ELECTRICITY PRODUCTION AS A PART OF A CONDENSATION TURBINE К-750-65/3000
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-750-65/3000 at ambient temperature to minus 50°C.
Keywords: steam turbine, low-temperature heat engine, liquefied propane.
Конденсаторы паровых турбин являются основными потребителями воды в системе технического водоснабжения тепловых и атомных электростанций. Доля воды, идущей на охлаждение конденсаторов, составляет 90 - 94%. При этом для конденсаторов паровых турбин АЭС
