III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Россия - самая северная из промышленно развитых стран. При общей площади 17 млн. км² , зона Севера занимает более 10 млн. км² и здесь проживает около 7% населения России. Январская изотерма -8°С проходит практически по западной границе России, а вся Сибирь целиком лежит севернее январской изотермы -16°С. Особо низкие температуры в течении длительного периода наблюдаются в Восточной Сибири и на севере Дальнего Востока, где продолжительность отопительного периода на континентальных территориях составляет 270-290 суток в году при среднесуточной температуре воздуха от -15°С до -25°С.

Для успешного экономического освоения Российского Севера необходимо разрабатывать специальные энергетические технологии,  повышающие эффективность использования органического топлива, так и безопасность жизнедеятельности в экстремальных условиях низких температур.  В других промышленно развитых странах мира климат значительно мягче и отсутствует экономическая необходимость в масштабных разработках энергетических технологий для северных экстремальных условий.

Доля выработки электроэнергии по конденсационному циклу на  российских ТЭЦ весьма существенна и в 2000 г. составила 43% [1]. Выработка электроэнергии конденсационным потоком пара на  турбинах ТЭЦ не может конкурировать по топливной экономичности с  электроэнергией крупных конденсационных электростанций В новых экономических условиях, для снижения конденсационной выработки, предлагается эксплуатация турбин ТЭЦ по тепловому графику в зимнее время и их останов на лето. Однако при работе ТЭЦ в отопительный период по электрическому графику доля конденсационной выработки электроэнергии может быть весьма значительной, особенно в изолированных энергосистемах. Эффективность конденсационной выработки электроэнергии в отопительный период на ТЭЦ  Российского Севера может быть повышена за счёт использования низкокипящих рабочих тел (НРТ) и воздушного охлаждение окружающим воздухом.

Возможный вариант бинарной энергоустановки с НРТ рассмотрен на примере модернизации Нерюнгринской ГРЭС, в составе которой имеются две теплофикационной турбины Т-180-130. Комбинированная энергетическая установка состоит из теплофикационной турбины Т-180-130, к теплофикационной установке которой параллельно подключены тепловые потребители и турбоустановка на НРТ - водоаммиачном рабочем теле (ВАРТ). В качестве греющей среды парогенератора турбоустановки на ВАРТ (см. рис.1) используется  вода из тепловой сети, а конденсация ВАРТ производится в воздушном конденсаторе. Турбоустановки на ВАРТ может располагаться вне территории ТЭЦ и быть связанной с ней теплотрассой. Вдоль теплотрасс тепловой сети может располагаться несколько подобных установок. Таким образом, после модернизации получается бинарная теплофикационная паротурбинная установка, в верхнем цикле которой используется водяной пар, а в нижнем - ВАРТ. При этом существующий конденсатор водяного пара турбины в зимнее время может быть отключен.

Свойства смесовых НРТ значительно изменяются, в зависимости от состава. Это позволяет подобрать для конкретных условий наиболее подходящее рабочее тело. Свойство ВАРТ замерзать при температуре -70°С при концентрациях воды 0.7 - 1, а также  широкая изученность и дешевизна аммиака (как основного компонента рабочего тела)  позволяет размещать такие бинарные энергоустановки с ВАРТ на территории с суровыми климатическими условиями.

Расчеты комбинированной установки были проведены для номинального теплофикационного режима работы турбины Т-180-130 [2, с.294]: электрическая мощность 180 МВт, номинальная тепловой мощности 302 МВт,  температуры прямой и обратной воды  95°С и 51°С, соответственно. Концентрация воды в растворе ВАРТ изменялась в диапазоне от 0 до 10%. Температура конденсации ВАРТ принята -10,5°С, что соответствует для г.Нерюнгри среднесуточной температуре отопительного периода -16,5°С. Рассмотрены два варианта компоновки водоаммиачной части цикла - с регенератором и с его отключением. Наличие регенеративного теплообменника при концентрациях воды в растворе менее 1,5% не дает увеличения КПД бинарной паротурбинной установки. 

Максимально возможный суммарный КПД турбоустановки (48.9%) получен при работе на чистом аммиаке, при давлении перед турбиной 5,2 МПа. Увеличение концентрации воды ведет к снижению давления перед турбиной и уменьшению КПД. Однако концентрация воды в 0,8% позволяет существенно снизить давление перед турбиной (до 3 МПа), что дает возможность использовать в данной установке уже отработанные ступени влажнопаровых турбин, а не создавать новые. При этом полученный КПД  составит 47,1%.

На сегодняшний день в России наиболее эффективной является конденсационная турбина К-800-240 (КПД турбоустановки 47,1%). Турбина Т-180-130 в конденсационном режиме имеет КПД турбоустановки 42,7%. Превращение турбоустановки Т-180-130 в бинарную ПТУ позволяет получить увеличение КПД конденсационной выработки в отопительный период до уровня сравнимого с КПД турбины К-800-240.

Одним из главных недостатков установки при работе на водоаммиачном рабочем теле является ее опасность для человека при аварийной ситуации. Подключение к  тепловой сети позволит расположить турбоустановку на ВАРТ за пределами территории ТЭЦ. В случае возникновения аварии - все водоаммиачное рабочее тело можно сбрасывать в водяные баки, т.к. аммиак полностью растворяется в воде.

Библиографический список

1. Ольховский Г. Г. Совершенствование технологий комбинированной выработки электроэнергии и тепла на ТЭЦ России. // Доклад на международном Конгрессе, посвященном 100-летию централизованного теплоснабжения и теплофикации. Москва, 9-10 октября 2003 г.

2. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник/Под общ. Ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина.- 2-е изд., перераб.- М.: Энергоатомиздат,1989.- 608 с.

Код для цитирования: Скопировать