Анализ использования тепловых насосов на тепловых и атомных электростанциях

УДК 621.577

АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ НА ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

© 2010 г. Н.Н. Ефимов, В.В. Папин, П.А. Малышев, Р.В. Безуглов

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассматриваются различные варианты использования тепловых насосов в технологических схемах тепловых и атомных электростанций. Анализ показывает, что при применении тепловых насосов на энергоблоках электростанций повышается их экономичность. Особенно эффективно использование тепловых насосов при переменных режимах работы энергоблока.

Ключевые слова: тепловая электрическая станция; атомная электрическая станция; парокомпрессионный тепловой насос; абсорбционный тепловой насос; паровая турбина; конденсатор паровой турбины.

Various variants of use of thermal pumps in technological schemes thermal and atomic power stations are considered. The analysis shows, that at application of heating pumps on power units of power stations their profitability raises. Especially an effective use of heating pumps at variable operating modes of the power unit.

Keywords: thermal power plant; nuclear power plant; absorption heating pump; steam-compression heating pump; the steam turbine; the condenser of the steam turbine.

На тепловых и атомных электростанциях (ТЭС и АЭС) примерно только треть теплоты продуктов сгорания топлива, получаемых в котле, используется для производства электроэнергии, направляемой к потребителю. Остальные две трети теплоты невозвратно теряются в системе охлаждения конденсатора паровой турбины и сбрасываются с подогретой технической водой в водоемы, так как потенциал такой воды (при температуре до 30 °С) слишком низок для полезной утилизации. Однако с помощью теплового насоса эту низкопотенциальную теплоту можно трансформировать, увеличив ее температуру до 60 - 70 °С, сделав ее достаточной для использования. Такую теплоту можно направлять в систему регенерации паросиловой установки электростанции, увеличив тем самым электрический КПД или на отопление внутренних и внешних потребителей, снижая, таким образом, удельный расход топлива на теплофикацию и, как следствие, выброс парниковых и токсичных продуктов сгорания. Если же требуется осуществить теплофикацию нега-зифицированных потребителей, находящихся на значительном расстоянии (автономное, децентрализованное теплопотребление), а поставка угля и мазута оказывается слишком затратной, можно использовать электрическую энергию, полученную от электростанции для привода теплового насоса, и отопление осуществлять низкопотенциальным источником тепла, для которого, в данном случае, можно применить

грунт, грунтовые воды или термальные стоки промышленных предприятий.

Тепловые насосы позволяют, таким образом, снизить уровень использования теплового потенциала, ограниченный в традиционных схемах отопления природными и сезонными условиями. Анализ работы теплового насоса показывает, что он способен все тепло, теряемое в конденсаторе паровой турбины, преобразовать в доступное для использования, но, как показывает практика, тепловая мощность такого производства часто бывает настолько большой, что трудно найти потребителя. На рис. 1 представлена принципиальная тепловая схема установки абсорбционного теплового насоса на конденсатор паровой турбины для осуществления теплофикации потребителя.

Полученное тепло теплового насоса складывается из энергии низкопотенциального источника, которая составляет примерно три четверти от всего полученного тепла и электрической энергии, потраченной на привод компрессора теплового насоса, доля которого составляет остальную четверть. Рассмотрим примеры установки теплового насоса на тепловое потребление, как варианты снижения расхода топлива на электростанции.

Парогенератор ТЭС развивает тепловую мощность 3 МВт, потребитель в виде электроэнергии получает 1 МВт для привода теплового насоса. Тепловой насос при этом будет выдавать тепловую мощность 4 МВт, причем 3 из них он берет от низкопо-

тенциального источника. Таким образом, тепловая мощность, полученная конечным потребителем, превосходит тепловую мощность котла (реактора) в 1,3 раза.

Получается, что использование теплового насоса для отопления потребителей на удалении от электростанции с использованием тепла сторонних низкопотенциальных источников, например грунта, покрывает все потери электростанции, в том числе и потери в конденсаторе. Если тепловой насос установить на конденсатор паровой турбины, с целью возврата теплоты обратно в цикл через систему регенерации, то можно теоретически поднять КПД станции до 90 %.

2

2

3

14 13 12

8 :

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема ТЭЦ, с установкой абсорбционного теплового насосов на конденсатор паровой турбины: 1 - парогенератор; 2 - цилиндр высокого давления; 3 - цилиндр низкого давления; 4 - возврат конденсата с производственного потребителя; 5 - абсорбционный тепловой насос; 6 - пиковый водогрейный котел; 7 - сетевой насос; 8 - тепловой потребитель; 9 - циркуляционный насос; 10 - конденсатный насос; 11 - конденсатор паровой турбины; 12 - деаэратор; 13 - питательный насос; 14 - подогреватель высокого давления; 15 - подогреватель химически очищенной воды; 16 - расширитель непрерывной продувки

Применение тепловых насосов на атомных электростанциях для утилизации потерь системы охлаждения конденсатора экономически целесообразно по двум причинам:

1. Теплота парообразования, теряющаяся в конденсаторе турбины АЭС, составляет большую часть относительно располагаемого теплоперепада ТЭС, поэтому применение теплового насоса на АЭС приведет к большему повышению ее КПД, чем на ТЭС.

2. Последние ступени паровой турбины АЭС работают при повышенной влажности пара, вследствие чего в турбине возникают дополнительные потери и повышенный эрозионный износ лопаток. Используя тепловой насос, можно возвращать часть теплоты конденсатора с повышенным потенциалом в последние ступени турбины, увеличивая при этом сухость пара.

На рис. 2 представлена принципиальная тепловая схема атомной электростанции, с использованием теплового насоса для возврата тепла конденсатора в систему регенерации и последние ступени паровой турбины.

Рис. 2. Использование теплового насоса на АЭС для возврата тепла конденсатора в систему регенерации и последние ступени паровой турбины: 1 - цилиндр высокого давления; 2 - цилиндры низкого давления; 3 - сепаратор-пароперегреватель; 4 - теплообменник-конденсатор теплового насоса; 5 - расширительные клапаны теплового насоса; 6 - компрессор теплового насоса; 7 - теплообменник-испаритель теплового насоса; 8 - конденсаторы паровой турбины; 9 - конденсатный насос; 10 - подогреватели низкого давления; 11 - деаэратор, 12 - питательный насос; 13 - подогреватель высокого давления; 14 - парогенератор

На рис. 3 показана схема подключения теплового насоса к встроенному пучку конденсатора паровой турбины тепловой электрической станции.

Рис. 3. Схема тепловой электрической станции: 1 - паровая турбина; 2 - конденсатор; 3 - трубы подвода охлаждающей воды; 4 - теплообменник-испаритель теплового насоса; 5 -компрессор теплового насоса; 6 - подача тепла к тепловому потребителю; 7 - теплообменник-конденсатор теплового насоса; 8 - дроссель; 9 - конденсатный насос; 10 - система подогревателей низкого давления; 11 - деаэратор; 12 -питательный насос; 13 - система подогревателей высокого давления; 14 - котёл; 15 - электрогенератор

Такая тепловая схема работает следующим образом. Отработавший пар в паровой турбине 1 поступает в конденсатор 2, у которого, встроенным пучком труб или всем пакетом труб, установлен теплообменник-испаритель 4 теплового насоса, работающего на низкокипящей жидкости. В конденсаторе 2 пар, выхо-

1

дящий из последних ступеней паровой турбины 1, конденсируется при температуре, определяемой теплообменником-испарителем 4 теплового насоса. Низ-кокипящая жидкость с затратой необходимой работы в компрессоре 5 теплового насоса выделяет теплоту с более высокой температурой. Низкокипящая жидкость в теплообменнике-конденсаторе 7 теплового насоса конденсируется, отдавая свое тепло потребителю по трубопроводу тепловых сетей 6. После теплообменника-конденсатора 7 теплового насоса, образовавшийся конденсат низкокипящей жидкости направляется к дросселю 8, где происходит уменьшение давления и температуры. Потребителями тепла теплового насоса могут быть тепловые сети отопления и горячего водоснабжения или различные подогреватели, в том числе и станционные. Конденсат из конденсатора 2 отводится конденсатным насосом 9 и подается в систему подогревателей низкого давления 10, дегазируется в деаэраторе 11, затем питательным насосом 12 подается в систему подогревателей высокого давления 13, котел 14 и возвращается в паровую турбину 1 .

Экономичность тепловой электрической станции при установке теплового насоса повышается за счет поддержания более низких температур конденсации пара в конденсаторе 2 и повышения температуры теплоносителя, уходящего к потребителю 6, по сравнению с паровыми турбинами со встроенным теплофикационным пучком труб.

Теплообменник-испаритель теплового насоса может устанавливаться также на подводящем и отводящем трубопроводах охлаждающей воды конденсатора, получая, таким образом, низкопотенциальное тепло от подводимой или от отводимой охлаждающей воды в зависимости от температуры окружающей среды (воздуха). Такая схема подключения теплового насоса показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема подключения теплового насоса на водоводы технической воды энергоблока ТЭС: 1 - паровая турбина; 2 - электрогенератор; 3 - конденсатор паровой турбины; 4,6- теплообменники-испарители теплового насоса; 5 -тепловой насос; 7 - теплообменник-конденсатор теплового насоса; 8 - конденсатный насос; 9 - трубопровод последнего отбора паровой турбины; 10 - подогреватели низкого давления паровой турбины; 11 - деаэратор; 12 - питательный насос; 13 - подогреватель высокого давления; 14 - парогенератор; 15, 16 - задвижки подключения теплообменников-испарителей

Конденсат турбины нагревается при этом в одном из подогревателей низкого давления рабочей средой от теплообменника-конденсатора теплового насоса, а высвободившийся пар регенеративного отбора направляют в турбину для выработки дополнительной электроэнергии. Экономичность работы тепловой или атомной электрической станции в этом случае увеличивается за счет того, что теплота, полученная от охлаждающей воды, полезно используется, нагревая конденсат турбины, а высвободившийся пар регенеративного отбора, направленный в турбину, вырабатывает дополнительную электроэнергию. Экономичность электростанции возрастает также за счет того, что при снижении температуры охлаждающей воды улучшается вакуум в конденсаторе и возрастает полезный теплоперепад турбины.

Поскольку проектная температура охлаждающей воды паровых турбин в зависимости от типоразмера турбин, выпускаемых различными заводами-изготовителями, равна 12 - 22 °С, а температура воды в водоемах и реках, используемая как охлаждающая для паровых турбин, летом поднимается до 25 - 28 °С, а зимой опускается до 3 - 5 °С, в схеме (рис. 4) предлагается при сезонном увеличении температуры охлаждающей воды более 12 - 22 °С включать теплообменник - испаритель 4 теплового насоса, установленный на подводящем трубопроводе, а при уменьшении температуры охлаждающей воды в зимний период ниже 12 - 22 °С включать в работу теплообменник -испаритель 6 теплового насоса, установленный на отводящем трубопроводе.

Расчет экономичности включения теплового насоса проанализируем на работе паровой турбины К-300-240 ХТГЗ. Нагрузка теплообменника-конденсатора теплового насоса, от которого теплоноситель направляется на подогреватель низкого давления

N = D (h - h ) / л =

1утк -^к V вых вх '1т-к

= 175,5 (248 -134)/0,95 = 21,06 МВт,

где Dк - расход конденсата турбины, проходящий через подогреватель низкого давления; Dк = 631,8 т/ч = = 175,5 кг/с; ^ых - энтальпии конденсата на входе и выходе подогревателя соответственно; = 134 кДж/кг, Нвых = 248 кДж/кг; пт-к - КПД теплообменника-конденсатора; принято пт-к = 0,95.

Нагрузка теплообменника-испарителя при коэффициенте преобразования теплового насоса ф = 4:

^и =(: -ф ) Лтн = = (1 -^21,06/0,95 = 18,85 МВт, где Птн - КПД теплового насоса, принято Птн = 0,95.

Уменьшение температуры охлаждающей воды: 18850 • 0,95

N л

At = ти 1ти

Wc

9668 • 4,19

= 0,44 оС,

где W - расход охлаждающей воды; W = 34805 т/ч = = 9668 кг/с; с - теплоемкость воды; с = 4,19 кДж/(кг К); Пти - КПД теплообменника-испарителя, принято п™ = = 0,95.

Увеличение мощности турбины за счет снижения температуры

N = Wc А = 9668 • 4,19 • 0,44 • 0,8 = 14,3 МВт,

где Пт - КПД части низкого давления турбины; пт = = 0,8.

Увеличение мощности турбины за счет отключения отбора пара на подогреватель низкого давления

А^от = D90т (Й90т - К ) = 9,167 (2572,66 - 2530) = = 391 кВт • 0,8 = 0,31 МВт,

где D9от - расход пара 9-го отбора турбины; Dgот = = 33,0 т/ч = 9,167 кг/с; - энтальпия пара 9-го отбора турбины; = 2572,66 кДж/кг; hк - энтальпия отработавшего пара на входе в конденсатор турбины; ^ = 2530 кДж/кг.

Увеличение мощности паровой турбины за счет установки теплового насоса составит 14,61 МВт. При принятом коэффициенте преобразования теплового насоса ф = 4 мощность компрессора составит

^омп = N„/9 = 21,06/4 = 5,265 МВт.

Таким образом, общее увеличение мощности энергоустановки электростанции составит N = 14,61 -- 5,265 = 9,345 МВт.

Для расчета эффективности использования теплового насоса при изменении нагрузки паровой турбо-установки (переменные режимы) следует использовать нормативные характеристики турбин. При изменении мощности паровой турбины происходит изменение расходов свежего пара и отборов турбины. В связи с этим изменяется дополнительная мощность, производимая отборным паром в последних ступенях турбины. Изменяется также нагрузка подогревателей низкого давления и, вместе с тем, изменяется температура подогрева основного конденсата. Требуемая нагрузка от теплового насоса, таким образом, должна также изменяться, если он функционально обеспечивает схемное решение рис. 4. Эти условия требуют изменения температуры подогрева основного конденсата турбины, что может обеспечиваться либо изменением компрессии, либо расходом циркуляции теплоносителя теплового насоса. Назовем такую схему работы теплового насоса как работы с минимальной нагрузкой.

Тепловой насос, однако, может и не изменять свою нагрузку. Тогда эффективность его работы в подогреве основного конденсата турбоустановки будет либо возрастать при снижении мощности турби-

ны, либо, наоборот, уменьшаться при увеличении нагрузки турбоустановки. Такую работу назовем работой на максимальных нагрузках теплового насоса.

На рис. 5 графически показана эффективность работы теплового насоса, рассчитанная по методике, приведенной выше, при снижении нагрузки турбо-установки К-300-240 ХТГЗ с принятыми коэффициентами преобразования ф = 4,0 и ф = 3,0.

10

и я

ю н

& га

ь *s

8,2

6,4

S 4,6

& 2,8

1,0

Ф - 4,0

"Ф = 3,0,-

100 150 200 250 300

Мощность турбоустановки К-300-240 ХТГЗ, МВт

Рис. 5. Эффективность работы теплового насоса при переменных режимах работы паровой турбины К-300-240 ХТГЗ

Установка теплового насоса на АЭС становится особенно целесообразной, так как использование технической воды для них является большой проблемой. Тепловой насос, установленный на конденсатор энергоблока АЭС, позволяет повысить экономичность работы паровой турбины, снизить температуру парообразования в конденсаторе, увеличить температуру пара в последних ступенях турбины и уменьшить, таким образом, влажность пара и эрозионный износ лопаток этих ступеней.

Эта задача реализуется следующим образом. Теплообменник-испаритель, установленный как встроенный пучок труб конденсатора, получает низкопотенциальное тепло от конденсируемого пара турбины при сниженной температуре насыщения, что подтверждают расчеты, приведенные выше для турбины К-300-240 ХТГЗ. При этом повышается вакуум в конденсаторе и экономичность турбоустановки. В теплообменнике-конденсаторе теплового насоса, встроенного в направляющие лопатки одной из последних ступеней, происходит подогрев и перегрев основного пара паровой турбины до температуры 75 - 80 °С, что повышает надежность и экономичность работы последних ступеней турбины. В предлагаемой схеме должен применяться абсорбционный тепловой насос, так как он может поднимать температуру теплоносителя выше 60 - 65 °С.

Таким образом, экономичность работы тепловой или атомной электрической станции при применении тепловых насосов увеличивается за счет увеличения

вакуума в конденсаторе турбины и повышения температуры основного пара в последних ступенях турбины (на примере АЭС), при этом вырабатывается дополнительная электроэнергия и понижается температура охлаждающей воды конденсатора турбины. Экономичность энергоблоков возрастает за счет того, что теплообменник-испаритель теплового насоса снижает температуру конденсации на большую величину, чем

Поступила в редакцию

при использовании традиционной схемы подвода и отвода охлаждающей воды.

Литература

1. Паровая турбина К-300-240 ХТГЗ / под общей ред. Ю.Ф. Косяка. М., 1982. 272 с.

19 апреля 2010 г.

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Папин Владимир Владимирович - аспирант, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 904-441-06-48.

Малышев Павел Александрович - инженер, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 928-777-10-19.

Безуглов Роман Владимирович - студент, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 952-606-25-78.

Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Papin Vladimir Vladimirovich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 904-441-06-48.

Malyshev Pavel Aleksandrovich - engineer, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 928-777-10-19.

Bezuglov Roman Vladimirovich - student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 952-606-25-78.