Применяемые в турбинах опорные подшипники имеют поверхность скольжения с баббитовой заливкой. Насос циркуляционной масляной системы приводится в действие при работе турбины от ее вала. В систему регулирования масло подается под давлением от 4 до 8 МПа, а к подшипникам - с давлением 0,15 - 0,25 МПа из маслоохладителя. Для подачи масла при пуске и остановке турбины применяется вспомогательный насос с паровым приводом.

В главных редукторных передачах ГТЗА используются цилиндрические (прямозубые и косозубые), конические и планетарные зацепления. Современные редукторы имеют КПД до 98,5% при относительно невысокой стоимости. Применяемые в ПТУ зубчатые редукторы чаще всего двухступенчатые с передаточным отношением 20:1 ? 160:1. Реже используются трехступенчатые передачи. Иногда одна из ступеней бывает планетарной.

Основной задачей регулирования турбин является поддержание в определенных пределах частоты вращения вала для заданного режима работы. Регулируемым параметром является частота вращения. Она должна сохранять постоянное значение при работе на генератор или ВРШ.

Измерительным устройством большинства автоматических регуляторов частоты вращения турбин служит центробежный маятник (рис. ?17).

Рис. ?. Схема центробежного регулятора прямого действия

Он приводится в движение от вала турбины 3 через зубчатую передачу. При увеличении частоты вращения вала турбины грузы под действием центробежных сил расходятся, перемещая вверх связанную с ними муфту 2. При снижении, наоборот, грузы сближаются, и муфта опускается вниз. Перемещение муфты передается с помощью механи

ческих связей (системы рычагов) или с помощью гидроусилителей на регулирующие органы турбины - парораспределительные устройства, которые увеличивают или уменьшают количество подаваемого пара в турбину, восстанавливая заданную частоту вращения. Регулирование мощности ПТУ осуществляется двумя основными способами: дроссельным и сопловым парораспределением.

При дроссельном парораспределении для уменьшения мощности турбины клапаны перекрываются, и весь пар, направляемый к соплам, дросселируется, т.е. снижается давление пара. Дроссельное парораспределение неэкономично и применяется в турбинах малой мощности - во вспомогательных турбогенераторах и турбомеханизмах, так как дросселирование пара сопровождается потерями части располагаемого тепло-перепада и ухудшением КПД турбины.

При сопловом парораспределении пар поступает в турбину через сопловые клапаны, каждый из которых обслуживает отдельную группу сопл. С увеличением нагрузки последовательно открываются клапаны, чем обеспечивается изменение количества подаваемого пара в турбину при неизменном его давлении.

3.2 Конденсационные установки

Конденсация отработавшего пара при низком давлении осуществляется в специальном теплообменном аппарате - конденсаторе. В ГТЗА применяются конденсаторы поверхностного типа. В них теплота конденсации отработавшего пара (теплота парообразования) передается охлаждающей забортной воде через мельхиоровые или из алюминиевой латуни трубки. Корпус конденсатора имеет патрубок для входа отработавшего пара и патрубок, через который эжектором отсасывается паровоздушная смесь для поддержания вакуума (0,005 - 0,006 МПа). Вакуум в конденсаторе создается вследствие того, что удельный объем сухого насыщенного пара при температуре 30°С в 27 тыс. раз больше удельного объема образующегося конденсата (воды).

Работу конденсатора обеспечивают циркуляционный насос, прокачивающий забортную воду, и конденсатный, удаляющий конденсат. В качестве воздушных насосов в конденсаторах используются, как уже было сказано, пароструйные эжекторы.

Схема конденсационной установки с раздельным удалением конденсата и воздуха показана на рис. 18.

В состав конденсационной установки входят поверхностный конденсатор 4, циркуляционный 8, конденсатный 7 и воздушный (вакуумный) 5 насосы. К фланцам корпуса конденсатора присоединены трубные доски 2, в которых плотно закреплены трубы, образующие поверхность охлаждения конденсатора. К трубным доскам присоединены водяные камеры /. Внутреннее пространство водяных камер и труб составляет водяное пространство конденсатора, внутри которого циркулирует забортная охлаждающая вода, подаваемая циркуляционным насосом 8.

Рис. 18. Схема конденсационной установки с раздельным удалением конденсата и воздуха

Внутреннее пространство между трубными досками конденсатора за вычетом объема, занимаемого трубами, представляет собой паровое пространство. По охлаждающей воде рассматриваемый конденсатор является двухходовым. Пар поступает в конденсатор, через приемный патрубок 3. Образующийся на наружной поверхности труб конденсат стекает вниз и удаляется конденсатным насосом 7. Воздух с небольшим содержанием пара может удаляться из конденсатора электроприводным воздушным (вакуумным) насосом 5. Для охлаждения этого воздуха в конденсаторе перегородкой выделен пучок труб 6, называемый воздухоохладителем.

В конденсаторе возможно переохлаждение конденсата на 5-7°С, т.е. понижение его температуры ниже температуры насыщения, соответствующей имеющемуся давлению. Это происходит вследствие того, что при наличии воздуха температура конденсата соответствует не полному давлению в конденсаторе, а парциальному давлению пара. Кроме того, капли конденсата частично продолжают охлаждаться, попадая на нижние трубки. Вследствие дополнительной затраты тепла на образование пара из более холодной воды Переохлаждение конденсата на 7 ^оС может привести к перерасходу топлива на 1%.

Чтобы свести к минимуму переохлаждение конденсата, применяются конденсаторы регенеративного типа. У таких конденсаторов происходит подогрев конденсата отработавшим паром, часть которого (подлежащая конденсации) вводится в соприкосновение с конденсатом, стекающим с верхних трубок и скопившимся в сборнике. Для этой цели между пучками охлаждающих трубок предусматриваются свободные проходы, по которым пар поступает в нижнюю часть конденсатора и к его боковым стенкам. Здесь он конденсируется, соприкасаясь со стекающим конденсатом. В результате падающие вниз капли конденсата проходят через паровую среду и дополнительно подогреваются на поверхности жидкости в сборнике, уменьшая переохлаждение конденсата. В таких конденсаторах переохлаждение конденсата обычно не превышает 0,5 - 1°С. При таком малом переохлаждении снижается и содержание в конденсате кислорода.

3.3 Основные направления развития ПТУ Перелман Р.С. Судовые энергетические установки: Энергетика. - Одесса: Феникс, 2006 - 92 с.

В последние годы созданы новые типы судовых паротурбинных установок, которые отличаются более высокой тепловой экономичностью, меньшими массой и габаритами, сниженной построечной стоимостью, удобством обслуживания, с лучшими показателями надежности и меньшими трудозатратами на ремонт. В процессе развития ПТУ основное внимание уделяется вопросам улучшения топливоиспользования. Повышение тепловой экономичности, т.е. снижение удельного расхода топлива в паротурбинной установке, достигается:

- повышением начальных параметров пара;

- улучшением конструкции паровых котлов и турбин и повышением их КПД;

- осуществлением промежуточного перегрева пара до начальной температуры;

- развитием регенеративного подогрева питательной воды (увеличение числа ступеней подогрева до пяти)-

- применением рациональных тепловых схем-

- автоматическим регулированием работы агрегатов-

- соблюдением оптимальных режимов работы.

Уже созданы и серийно строятся ПТУ транспортных судов с высокими параметрами пара (7 - 10,5 МПа и 490 - 600°С), промежуточным перегревом, развитой системой регенерации и утилизации тепла. В отдельных экспериментальных установках достигнуты параметры пара 15 МПа и 565°С.

Из всех тепловых потерь паротурбинной установки наибольшей является потеря с охлаждающей водой (до 70%). Она может быть существенно сокращена, если тепло расширившегося пара частично возвратить на подогрев питательной воды. Если питательная вода подогревается вне парогенератора до температуры кипения, соответствующей давлению в парогенераторе (при бесконечно большом числе подогревателей), цикл называется идеальным регенеративным. В действительности регенеративные циклы осуществляются при конечном числе ступеней подогрева, включающих в себя один или несколько подогревателей питательной воды.

Таким образом, КПД ПТУ может быть существенно повышен за счет возврата части тепла пара, отработавшего в промежуточных ступенях турбины, для подогрева питательной воды.

Установлено, что в судовых условиях увеличивать количество отборов свыше пяти нецелесообразно, так как тепловая экономия, полученная за счет большого количества отборов, не окупает первоначальных затрат, увеличения массы установки и усложнения регенеративной схемы.

Несмотря на меньшую экономичность регенеративного подогрева питательной воды в подогревателях поверхностного типа, смесительные подогреватели на судах не применяются. Исключение составляет подогреватель-деаэратор, который с целью осуществления процесса газовыделения должен быть смесительным.

Для повышения экономичности уменьшены, а иногда и полностью исключены запасы мощности главных агрегатов и, как следствие, производительности, мощности обслуживающих их механизмов. Запас производительности современных парогенераторов не превышает 10 - 12%, а запас мощности ГТЗА отсутствует. Современные ПТУ имеют значительно меньшую массу (на 20 - 25%), чем установки периода их широкого использования (60 - 70-е гг.), а удельный расход топлива снизился примерно на треть. Дальнейшее повышение эффективности ПТУ дает применение промежуточного перегрева пара.

Освоение производства новых жаростойких материалов создает условия для дальнейшего повышения параметров пара. Важную роль играет возможность увеличения передаточных чисел и крутящих моментов в зубчатых передачах, так как частота вращения гребного вала ПТУ оказывает влияние на пропульсивный КПД гребных винтов и, следовательно, на эффективность всей установки.

Уже сегодня применение редукторов нового типа позволило уменьшить габариты ГТЗА на 25 - 30%, массу на 20 - 25% и стоимость на 10 - 15%, повысить КПД на 0,5%. Усовершенствование ГТЗА может идти и по пути применения самопроточных конденсаторов.

Наметившиеся в последнее время тенденции по совершенствованию ПТУ связаны со стремлением довести технико-экономические показатели паротурбинных установок до уровня, достигнутого в судовом дизелестроении. Эффективный КПД современных ПТУ достигает 0,35.

3.4 Ядерные энергетические установки

Ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) работает на энергии ядерных превращений.

В ЯЭУ тепловую энергию получают в ядерном реакторе за счет освобождающейся при делении ядер энергии расщепляющихся элементов. Принципиальная схема судовой энергетической установки на ядерном топливе приведена на рис. ?.

Рис. ?. Принципиальная схема ЯЭУ

В ядерном реакторе 3, заключенном в контейнер 1, осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция с преобразованием освобождающейся при этом энергии в теплоту. В качестве ядерного топлива в энергетических реакторах применяется обогащенный уран. Деление ядра урана происходит под действием нейтронов. Ядро урана U²³⁵ расщепляется на два-три новых вторичных быстрых нейтрона, обладающих значительной энергией и скоростью. При определенных условиях такие вторичные нейтроны вызывают деление других ядер U²³⁵ . В этом и заключается сущность цепной реакции деления ядерного горючего.

Для повышения вероятности деления U²³⁵ энергию быстрых нейтронов в реакторе снижают до уровня тепловых нейтронов путем замедления их скорости. Горючее окружают веществом, называемым замедлителем нейтронов. Чтобы регулировать тепловыделение (мощность) в реакторе, необходимо изменять интенсивность потока нейтронов и число делений в единицу времени, т.е. влиять на скорость цепной реакции. Основу такой системы регулирования составляют подвижные стержни 2, содержащие вещества, активно поглощающие нейтроны (карбид бора, бористая сталь, кадмий). Для увеличения мощности стержни выдвигаются из активной зоны, для уменьшения - опускаются. Теплота из реактора отводится теплоносителем, циркулирующим по замкнутому контуру с помощью циркуляционного насоса 10. В судовых ЯЭУ теплоносителем и замедлителем нейтронов является вода, поэтому такие реакторы обычно называют водо-водяными. Замкнутая теплопередающая система, в которой циркулирует теплоноситель, называется первым контуром. Теплоноситель проходит через парогенератор 4, где отдает теплоту жидкости второму тепловоспринимающему контуру. Комплекс, состоящий из реактора, парогенератора, вспомогательного оборудования и систем первого контура, заключают в биологическую защиту 11, поглощающую все излучения, сопутствующие реакции деления ядер, до уровней, безопасных для человека. Образующийся в парогенераторе 4 пар направляется в турбину 5, которая через редуктор 6 вращает гребной винт 7. Из конденсатора 8 конденсат питательным насосом 9 вновь направляется в парогенератор.

Ядерные энергетические установки целесообразно использовать в тех случаях, когда наиболее полно проявляются их преимущества по сравнению с другими СЭУ, работающими на органическом топливе. Преимущества ЯЭУ обусловлены прежде всего высокой концентрацией энергии в ядерном топливе, исключающей необходимость частого пополнения его запасов. Известно, что при выгорании 1 кг урана U²³⁵ выделяется теплоты в 1,5 млн. раз больше, чем при сгорании 1 кг органического топлива. Таким образом, на судах с ЯЭУ запасы топлива можно свести к минимуму и обеспечить практически неограниченную дальность плавания и автономность.

Суточный расход ядерного топлива исчисляется десятками граммов, поэтому тепловыделяющие элементы в реакторах транспортных судов заменяются один раз в 2 - 3 года.

Хотя масса самой ЯЭУ довольно велика из-за значительной массы биологической защиты, но с учетом отсутствия запасов топлива общая масса СЭУ (с учетом энергетических запасов) оказывается меньше, чем в обычных установках той же мощности.

Преимуществом ЯЭУ является и отсутствие потребности в воздухе при работе. ЯЭУ могут решить проблему использования подводных транспортных судов (танкеров), т.к. при подводном плавании требуется меньшие затраты мощности для обеспечения высоких скоростей.

Основной проблемой применения ЯЭУ на морских транспортных судах остается повышение их экономической эффективности, обеспечивающей конкурентоспособность с другими типами ЭУ, а также решение правовых вопросов широкой эксплуатации судов с ЯЭУ. Строительная стоимость атомных судов пока еще выше, чем дизель-электрических и газотурбинных, однако топливная составляющая их расходов из года в год снижается.

Первое в мире надводное судно с ЯЭУ - атомный ледокол «Ленин» -позволило накопить необходимый опыт для создания ледоколов более высокого класса. В 70-х годах вошли в строй отечественного флота мощные ледоколы «Арктика» и «Сибирь». Применение ЯЭУ на транспортных судах до последнего времени практически не получило развития и не вышло за рамки проектов, что объясняется прежде всего причинами экономического характера, а также отсутствием международных соглашений о правилах, регламентирующих требования безопасности и условия захода в порты для судов с этими установками. Создание единичных транспортных судов в США, ФРГ, Японии, Италии (суда «Саванна», «Отто Ганн», «Мутсу», «Энрико Ферми») преследовало в основном экспериментальные цели. Практического использования они не получили в большой мере из-за отказа портов из-за радиофобии принимать у себя атомные суда.

Увеличение объема народнохозяйственных перевозок, открытие в Арктике больших минеральных богатств привело к необходимости создания новых атомных ледоколов «Россия» и «Таймыр», атомного лихтеровоза «Севморпуть». Первое отечественное транспортное судно с ЯЭУ «Севморпуть» водоизмещением 61000 т со скоростью на чистой воде 20 уз имеет мощность 29000 кВт.

Постройка судов с ЯЭУ в различных странах ведется с целью получения достоверных данных по технической отработке отдельных элементов установки и экономической эффективности эксплуатации. Результаты выполненных технико-экономических исследований за рубежом позволяют утверждать, что уже имеются достаточно солидные технические предпосылки для постройки крупнотоннажных и скоростных транспортных судов с ЯЭУ мощностью более 37 тыс. кВт, более конкурентоспособных, чем аналогичные суда с обычными энергетическими установками.

ЯЭУ этих судов будут иметь следующие основные особенности:

- схема двухконтурная с регенеративной паротурбинной установкой на перегретом паре;

- паропроизводительная установка блочная или моноблочная, помещенная в защитном ограждении, при максимальном сокращении количества систем за счет совмещения их функций;

- основное оборудование повышенной надежности и с большим сроком службы.

Развитие судовых ЯЭУ связано также с необходимостью усовершенствования топливного цикла и конструкции активной зоны с целью уменьшения топливной составляющей эксплуатационных затрат.

Успехи фундаментальных наук позволяют ожидать в ближайшей перспективе создания СЭУ нового типа, в частности с использованием методов прямого преобразования энергии. Установки этого типа найдут применение, вероятно, на специализированных судах, на которых потребуются значительные мощности. В этом случае возможно более широкое использование ядерных энергетических установок.

Лекция № 4. Судовые котельные установки

4.1 Получение водяного пара Емельянов П.С. Судовые энергетические установки. Тексты лекций. - СПб.: ГМА им. адм. С.О. Макарова. 2006. - 171 с.

судовой энергетический установка газотурбинный котельный

Судовые энергетические установки обеспечивают транспортные суда независимо от назначения и типа не только механической и электрической энергией, но и тепловой. Тепловая энергия вырабатывается в основном в котельных установках (КУ), которые являются составными элементами СЭУ. Обычным носителем тепловой энергии является водяной пар. Процесс получения водяного пара удобно представить графически в системе координат объем - давление (рис. ?13).

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Рис.?13. Диаграмма парообразования в координатах объем-давление

Допустим, что в цилиндре под поршнем, находящимся под давлением р, находится 1 кг воды при температуре 273 К и вода занимает объем V_o. Процесс парообразования будем рассматривать при постоянном давлении, так как пар в паровых котлах получается практически только при этом условии.

К воде с температурой 273 К и давлением р, состояние которой определяется на диаграмме точкой А_а, подводится теплота. При этом температура воды заметно повышается, а объем ее возрастает незначительно. В некоторый момент, определяемый на диаграмме точкой А, будет достигнута температура кипения t_k соответствующая данному давлению. В этой точке объем воды V' относится 1 кг воды при температуре кипения.

При дальнейшем подводе теплоты начнется процесс парообразования. Если он происходит при постоянном давлении, то, как известно из физики, температура будет оставаться постоянной. Процесс парообразования на диаграмме изображается линией АВ, причем в точке В вся вода полностью превращается в пар, имеющий температуру, равную температуре кипения при данном давлении. Пар с такой температурой называется насыщенным. Насыщенный пар, в котором отсутствуют частицы жидкости, называется сухим. Таким образом, точка В на диаграмме характеризует состояние сухого насыщенного пара. Объем V" соответствующий точке В, представляет удельный объем сухого насыщенного пара.

Любая точка D на линии АВ, характеризующей процесс парообразования, соответствует состоянию насыщенного пара, в котором содержатся частицы жидкости. Насыщенный пар, содержащий частицы жидкости в мелкодисперсном состоянии, называется влажным. Доля содержания сухого пара в смеси сухого насыщенного пара и жидкости называется степенью сухости. Объем, соответствующий точке D, обозначается через V_x и является удельным объемом влажного пара со степенью сухости х.

На практике применяется влажный пар со степенью сухости, не меньшей 0,85.

Если к сухому пару продолжить подвод теплоты при постоянном давлении, то температура его будет возрастать при одновременном увеличении объема. Пар, имеющий температуру более высокую, чем температура насыщенного пара при данном давлении, называется перегретым. На диаграмме точка С характеризует состояние пара, перегретого до некоторой температуры t. Объем V, соответствующий точке С, представляет удельный объем перегретого пара при температуре t.

Существенная особенность перегретого пара заключается в том, что конденсация может начаться только после его охлаждения до температуры, соответствующей данному давлению, т.е. превращения в сухой насыщенный пар. Поэтому состояние перегретого пара достаточно устойчиво. Состояние же сухого насыщенного пара неустойчиво, так как в нем уже при незначительном охлаждении происходит частичная конденсация. Этим, в частности, объясняется широкое применение перегретого пара в современных пароэнергетических установках.

Как известно, если давление понижается, то кипение воды происходит при более низкой температуре. Поэтому удельный объем воды, достигшей температуры кипения при давлении р₁ (абсцисса точки A₁), меньше, чем при давлении р. С другой стороны, сухой пар при более низком давлении занимает больший объём. Следовательно, абсцисса точки В₁, изображающей состояние сухого пара при давлении р₁ больше, чем абсцисса точки В, относящейся к сухому насыщенному пару с давлением р. Наоборот, если давление повышается до р₂, то кипение воды начинается при более высокой температуре и удельный объем жидкости при температуре кипения (абсцисса точки А₂) больше, чем при низком давлении. Однако сухой пар при более высоком давлении занимает меньший объем, из-за чего абсцисса точки В₂, изображающей сухой пар при давлении р₂, меньше, чем абсцисса точки В.

Если соединить одной кривой все точки, характеризующие состояние, воды при температуре кипения и различных давлениях, а другой кривой - все точки, характеризующие сухой пар, то диаграмма парообразований окажется разделенной на три области. Точки, находящиеся в левой части диаграммы (между осью ординат и левой кривой), характеризуют жидкость, точки, лежащие между пограничными кривыми, - влажный пар, точки правой части диаграммы соответствуют различным состояниям перегретого пара.

Линия, разделяющая области жидкости и влажного пара, называется нижней пограничной кривой. Точки, лежащие на ней, соответствуют состоянию жидкости при температуре кипения и при различных давлениях. Линия, разделяющая области влажного и перегретого пара, называется верхней пограничной кривой. Точки, лежащие на ней, соответствуют состоянию сухого насыщенного пара.

Из диаграммы видно, что нижняя и верхняя пограничные кривые с повышением давления сближаются; при некотором давлении р_к, называемом критическим, они соединяются в точке К. Величина критического давления р_к = 22,129 МПа. Температура кипения при критическом давлении называется критической температурой и составляет t_к⁼ 647,15 К. Сама точка носит название критической. Согласно положениям физики, критическая точка определяется температурой, при которой исчезает различие между жидким и парообразным состоянием вещества; при температуре выше критической тело не может существовать в жидком состоянии. Удельные объемы жидкости при температуре кипения и сухого пара в критической точке равны. Это значит, что при критическом давлении вода, нагретая до кипения, превращается сразу в сухой пар. При этом ей не надо сообщать теплоту парообразования и такое превращение не сопровождается изменением объема.

4.2 Котельная установка морского судна. Потребители пара на судне

Судовая энергетическая установка независимо от назначения судна и типа применяемого главного двигателя должна непрерывно обеспечивать энергией все судовые потребители как в море, так и на стоянке в порту. С этой целью СЭУ вырабатывают энергию различных видов (механическую, электрическую, тепловую), которая хранится на судне в виде скрытой химической энергии органического топлива.

Тепловая энергия вырабатывается в основном в котельных установках, являющихся составными элементами СЭУ.

Теплопроизводительность (тепловая мощность) котельной установки полностью определяется суммарной тепловой мощностью потребителей теплоты, работающих в данный момент. Обычно носителем тепловой энергии является водяной пар (редко - органические теплоносители).

Состав потребителей пара, их конструктивные особенности и технико-экономические характеристики зависят от назначения и района плавания судна, типа и мощности ГД и других факторов. В общем случае все потребители пара могут быть разделены следующим образом.

1. Потребители (будем называть их машинными), обеспечивающие нормальное функционирование элементов СЭУ, следующие.

Главный двигатель:

– паровые спутники топливной системы;

– паровые турбина и машина, ходовые турбогенераторы;

– системы обогрева топливных и масляных запасных, отстойных, переливных и расходных цистерн и др.

Котельная установка:

– системы обогрева запасных, отстойных и расходных топливных цистерн;

– подогреватели топлива и питательной воды, турбоприводы питательных насосов и других механизмов;

– паромеханические форсунки,

– сажеобдувочные устройства,1 система очистки котлов.

Другие вспомогательные устройства:

– турбогенераторы, испарительная установка;

– подогреватель сепаратора льяльных вод;

– локальная система пожаротушения в МО.

2. Потребители общесудовые, работающие в следующих направлениях.

Нормальные условия обитания экипажа и пассажиров, а также хозяйственно-бытовые нужды:

– подогреватели пресной и забортной воды (общего назначения);

– система отопления жилых и служебных помещений.

Безопасность судна:

– системы обогрева балластных танков, кингстонных ящиков, патрубков забортной воды, якорей и т. п.;

– система паротушения служебных и грузовых помещений.

Перевозка грузов, другие технологические нужды:

– системы обогрева грузовых танков и мойки танков;

– турбоприводы грузовых насосов; подогреватели воздуха в системе вентиляции грузовых помещений;

– системы предотвращения загрязнения моря с судна.

На конкретных судах используют только те потребители, применение которых обусловлено назначением судна, типом и мощностью ГД и некоторыми специфическими требованиями.

Выбора теплопроизводительности котельной установки, определяется как составом и характеристиками потребителей пара, так и режимами их использования - периодичностью и продолжительностью циклов непрерывной работы потребителя с той или иной тепловой мощностью (нагрузкой).

Режимы использования машинных потребителей пара имеют вероятностный характер и зависят от того, где находиться судно - в море (на ходу) или на стоянке. На ходу судна используются все машинные потребители пара. Их нагрузка определяется в основном режимом работы ГД и временем года (зимой она максимальна).

Отличительной особенностью режимов использования потребителей пара, обслуживающих КУ, является то, что они работают непрерывно как на ходу, так и на стоянке. Это обусловлено тем, что работа общесудовых потребителей зависит от других факторов (района плавания, вида перевозимого груза, времени года, специфических требований).

При проектировании обычно считают, что все потребители работают одновременно с номинальной тепловой мощностью.

Параметры пара (давление и температура) выбираются из требования обеспечения высокой экономичности комплекса котельная установка - потребители пара. В основе его выполнения лежит принцип термодинамической целесообразности - в создаваемых устройствах располагаемая тепловая энергия рабочего тела (пара) должна использоваться максимально эффективно. С этой точки зрения для потребителей, в которых рабочее тело (пар) в процессе выполнения работы не изменяет своего агрегатного состояния (в турбинах, машинах и т. п.), целесообразно повышать начальные давление и температуру пара (с учетом технической целесообразности и безопасности): для вспомогательных турбоприводов (насосов, генераторов и т. п.) до р_пе = 3-3,5 МПа и t_пe = 300-350 ^оС, а для ГТЗА паротурбинных судов - до р_пе = 8- 10 МПа и t_пe = 510 - 520 ^оС.

С учетом этого принципа для большей части судовых потребителей, в которых пар в процессе теплообмена изменяет свое агрегатное состояние (конденсируется), целесообразно понижать начальные давление и температуру пара до минимальных значений, т.к. при снижении давления возрастает теплота парообразования, передающаяся нагреваемой среде при конденсации пара. Например, если при конденсации насыщенного пара давлением 1 МПа выделяется 2018 кДж/кг теплоты, то при давлении 0,5 МПа это значение составит 2110 кДж/кг (т. е. почти на 5 % больше). Однако понижение давления пара ограничивается гидравлическим сопротивлением паропроводов и самих потребителей пара. В настоящее время эти гидравлические сопротивления составляют 0,1-0,3 МПа, поэтому для рассматриваемых потребителей используют насыщенный пар давлением 0,5-0,7 МПа.

На теплоходах, где установлены турбо-приводные механизмы, используется пар двух уровней давления - перегретый давлением до 1,5 МПа (реже до 3 МПа) для таких механизмов и насыщенный давлением 0,5 МПа - для обычных потребителей насыщенного пара. Для понижения давления используют редукционные устройства.

4.3 Принцип действия, состав и основные системы котельной установки

Судовая котельная установка называется главной, если потребителями пара являются главные двигатели, и вспомогательной, если пар используется во вспомогательном оборудовании судна.

Основным составным элементом любой котельной установки является котел, тип и конструктивные особенности которого определяют состав и характеристики вспомогательного оборудования обслуживающих его систем.

В состав главной котельной установки входит один или несколько главных котлов. При использовании на судне только одного ГК обычно предусматривается установка одного-двух вспомогательных котлов, обеспечивающих потребности судна в паре на стоянках и в экстремальных ситуациях в море. Вспомогательные котельные установки в зависимости от назначения судна и типа СЭУ состоят из одного или нескольких вспомогательных и утилизационных котлов.

Принцип действия парового котла определяется сущностью его рабочего процесса, который состоит в том, чтобы путем подвода определенных количеств теплоты и воды генерировать заданное количество пара требуемого качества.

Существуют два источника получения теплоты в котле; непосредственное сжигание органического топлива в топках котла: использование тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания или газотурбинной установки.

В первом случае котельная установка не зависит от других судовых установок, во втором - утилизационный котел неразрывно связан с ДВС или ПУ и образует утилизационный контур котельной установки, режимы работы которого определяются режимами использования главного двигателя.

Паровой котел может состоять из топки, парообразующих элементов, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя. Во вспомогательных котлах в зависимости от назначения из трех последних элементов могут использоваться либо любые их комбинации, либо не использоваться никакие.

В топке котла сжигается органическое топливо. Выделившаяся теплота передается нагреваемым теплоносителям, в результате чего в котельных элементах происходит парообразование, а в пароперегревателе - превращение влажного насыщенного пара в перегретый до заданной температуры. Экономайзер служит для подогрева воды, поступающей в котел, а воздухоподогреватель - для подогрева воздуха, поступающего в топку. Нагревающей средой в парообразующих элементах, пароперегревателе и экономайзере являются дымовые газы, а в воздухоподогревателях могут использоваться как дымовые газы, так и водяной пар.

Паровой котел на жидком топливе обслуживают следующие системы: питательная, топливная, подачи воздуха и отвода дымовых газов, автоматического регулирования и сигнализации, продувки котла и ввода химических реагентов. Рассмотрим их на примере вспомогательной котельной установки с утилизационным контуром (рис. 1.1).

Питательная система служит для подготовки и подачи воды в котел. В состав питательной системы входят теплый ящик 21, питательные насосы (один резервный) 17, трубопроводы, путевая и регулирующая арматура и КИП. В теплый ящик конденсат поступает через конденсатор 18 - охладитель чистого конденсата от потребителей пара, в которых отсутствует возможность контакта воды с топливом и маслом, через конденсатор 19 - охладитель грязных конденсатов и контрольно-смотровую цистерну 20. Предусмотрены заполнение теплого ящика и подпитка его насосом 22 из цистерны 23 добавочной воды. Так как в теплом ящике питательная вода имеет непосредственный контакт с атмосферным воздухом (открытая система питания), то создаются благоприятные условия для насыщения воды кислородом, обусловливающим интенсивную коррозию металла трубопроводов, арматуры и элементов котла. В главных и вспомогательных КУ ответственного назначения применяют закрытые системы питания, в которых вместо теплого ящика устанавливают деаэратор.

Топливная система служит для подготовки и подачи топлива к форсункам котла. Из отстойно-расходной цистерны 8 топливо забирается топливным насосом 10 и подается им через подогреватель 11 к форсункам 16. На топливном. трубопроводе установлены фильтры холодного 9 и горячего 12 топлива, путевая и регулирующая арматура и КИП. В цистерну 8 топливо подается из бункера (танка) 4 топливоперекачивающим насосом 7. Для снижения вязкости топлива перед его перекачиванием топливный трубопровод 6 на участке между танком и отстойно-расходной цистерной смонтирован вместе с паровым спутником 5 системы подогрева топлива в емкостях и трубах.

Воздушно-газовая система служит для подачи воздуха в топку котла и отвода из него дымовых газов. В ее состав входят котельный вентилятор 13, воздухопровод 15 с заслонками 14 и газоход котла.

В систему автоматического регулирования, сигнализации и защиты входят подсистемы регулирования питания котла, горения и температуры перегретого пара, элементы сигнализации и защиты котла (принцип их действия рассмотрен далее).

Система продувки предназначена для периодического удаления из котла накапливающихся в котловой воде солей и шлама.

Рис. ?1.1. Принципиальная схема вспомогательной ¹ котельной установки с утилизационным контуром

Система ввода в котел химических реагентов, состоящая из дозерного бачка, насоса и трубопроводов с арматурой, предназначена для ввода химических реагентов с целью предотвращения накипеобразования и коррозии.

В утилизационном котле отсутствуют топливная и воздушная системы, а конструктивные особенности остальных систем, обслуживающих УК, определяются типом и назначением котла. Так, в утилизационном контуре (см. рис 1.1) использован утилизационный котел 2 с принудительной циркуляцией. Питательная система состоит из собственно питательной и циркуляционной систем, объединенных сепаратором пара 3. Питательная вода из теплого ящика 21 подается питательным насосом 17 в сепаратор пара 3, откуда циркуляционный насос 2 забирает воду и подает ее в парообразующую часть УК. Пароводяная смесь из утилизационного котла поступает в сепаратор, где пар отделяется от воды и направляется к потребителям пара.

4.4 Назначение и классификация котлов

Сравнительную оценку конструктивных решений и теплотехнических характеристик паровых котлов производят в соответствии с их классификацией. Обычно судовые котлы классифицируют по нескольким признакам:

– принципу организации относительного движения теплообменивающихся сред - дымовых газов и воды (это главный признак, определяющий не только конструктивные особенности котлов, но и их различия по экономичности и безопасности) - водотрубные и огнетрубные. В водотрубном котле внутри труб движутся вода и пароводяная смесь, а горячие дымовые газы омывают трубы снаружи. В огнетрубном котле органическое топливо сжигается в размещенных в водяных объемах котла жаровых трубах (отсюда огнетрубный - огонь в трубе) и топочных камерах, а дымовые газы движутся внутри дымогарных труб. Стремление использовать достоинства и водотрубных, и огнетрубных котлов привело к созданию огнетрубно-водотрубных котлов, в которых применены оба принципа организации относительного движения теплообменивающихся сред;

– назначению - главные и вспомогательные;

– характеру движущих сил, определяющих движение воды и пароводяной смеси - с естественной циркуляцией и принудительным током воды. Процесс естественной циркуляции, т. е. движение воды и пароводяной смеси по замкнутому контуру, происходит вследствие разности плотностей воды и пароводяной смеси и соответствующей компоновки парообразующих элементов. Принудительный ток воды и пароводяной смеси в котле создается, специальным насосом. Различают котлы прямоточные, в которых принудительный ток теплоносителя создается питательными насосами, и с искусственной циркуляцией (или многократно принудительной), создаваемой отдельным циркуляционным насосом;

– способу подачи воздуха для горения топлива, т. е. по давлению в топке, - обычные и с наддувом.

В обычном котле воздух подается вентилятором и в топке создается давление, равное примерно атмосферному. В топке котла с наддувом давление воздуха значительно выше атмосферного создается газотурбокомпрессором, использующим энергию продуктов сгорания;

– типу топлива - работающие на жидком, твердом и газообразном топливе. В судовых установках применяют котлы на жидком топливе. На некоторых газовозах в топках вспомогательных котлов сжигается газ испаряющегося груза;

– виду источника получения теплоты в котле - котлы с непосредственным сжиганием органического топлива в топках (главные и вспомогательные котлы на жидком топливе) и утилизационные, работающие на отходящих газах главных двигателей. С целью улучшения массогабаритных показателей КУ в целом оба источника иногда конструктивно совмещают в едином корпусе комбинированного котла (водотрубного, огнетрубного или огнетрубно-водотрубного).

Рассмотренная классификация не охватывает все признаки, по которым можно различать конструктивные особенности однотипных котлов. Так, водотрубные котлы с естественной циркуляцией, кроме обычной схемы, могут быть выполнены в виде двухконтурной компоновки. Кроме того, обычные водотрубные котлы различаются по принципу отвода дымовых газов - одно- и двухпроточные. Современные котлы имеют односторонний ход газов, т. е. являются однопроточными. По расположению форсунок современные водотрубные котлы могут иметь одно- или двухфронтовое отопление, а также отопление с потолочным расположением форсунок.

4.5 Требования к котлам

Общие показатели качества. Судовой котел, как и любой технический объект, обладает определенным качеством, которое проявляется в множестве свойств. Природные свойства веществ, из которых состоит объект, называют физическими (плотность, теплоемкость, твердость, текучесть и т. д.). У объектов, существование которых обусловлено потребностями общества, появляются дополнительные свойства -- потребительские (безопасность, надежность, экономичность, эстетичность и т. д.). Количественные или качественные характеристики свойств называют параметрами. Те параметры, по которым оценивается полезность объекта для общества, имеют общее название - показатели качества.

В настоящее время квалиметрия (отрасль науки, занимающаяся количественной оценкой качества) выделяет несколько групп показателей качества технических объектов - показатели назначения, надежности, экономичности, технологичности, эргономичности (греческие "эргон" - труд, "номос" - закон; эргономика - отрасль знания, изучающая трудовые процессы с целью создания комфортных условий труда), эстетичности, патентоспособности, стандартизации и унификации. В зависимости от назначения и условий использования объекта определяющее значение приобретает та или иная группа показателей.

Применительно к судовым котельным установкам основными показателями качества являются показатели назначения, экономичности и надежности.

Показатели назначения. К показателям назначения технического объекта относятся характеристики технического совершенства и степень их соответствия функциональному назначению. Правильный выбор показателей назначения невозможен без анализа рабочего процесса объекта.

Рабочий процесс котла можно рассматривать как состоящий из нескольких отдельных процессов превращения энергии, которые происходят в воздушно-газовом и пароводяном трактах. Носителями энергии являются материальные потоки (воды, топлива, воздуха, пара), взаимодействие которых в элементах котла образует три подпроцесса, неразрывно связанных между собой и составляющих рабочий процесс. Основным из них является

сгорание топлива в топке, для реализации которого необходимы непрерывный подвод топлива и воздуха, распыление топлива и образование смеси топливо-воздух, собственно горение и отвод продуктов сгорания (дымовых газов). Процессы сгорания и отвода дымовых газов сопровождаются процессами теплообмена, т. е. передачей теплоты (излучением в топке и конвекцией в газоходе) от продуктов сгорания к нагреваемой среде (воде, пару, воздуху). Одновременно с процессами сгорания и теплопередачи протекают процессы генерации пара в парообразующих элементах, перегрева пара в пароперегревателе и нагрева воды и воздуха в экономайзере и воздухоподогревателе, т. е. те процессы, которые формируют полезный эффект котла - требуемое количество пара с заданными параметрами.

Изложенное хорошо иллюстрируется принципиальной схемой материальных потоков во вспомогательном котле (рис. 1.2). Для любого материального потока, участвующего в рабочем процессе котла, основными параметрами являются давление р и температура t (однозначно определяющие энтальпию), а также расход вещества G, дополнительными - физические характеристики среды (плотность, теплоемкость, концентрация и т. п.).

Размещено на http:\\www.allbest.ru\

Процессы

-- сгорания топлива

-- теплообмена

-- парообразования

1.2. Схема материальных потоков во вспомогательном водотрубном котле

Рабочий процесс котла формируют три внешних (входных) материальных потока - топлива, воздуха, питательной воды, в результате взаимодействия которых образуются два потока (пара и продуктов сгорания) на выходе. В соответствии с этим различают входные и выходные параметры рабочего процесса. В совокупность выходных параметров включают и параметры, характеризующие процессы взаимодействия входных потоков (скорости движения, коэффициенты теплообмена, геометрические характеристики каналов и т. п.). Эти параметры обычно выделяют в отдельную подгруппу и называют внутренними, или собственными.

Из всех параметров рабочего процесса выделяют технико-экономические, однозначно характеризующие полезный эффект, под которым подразумевается количество создаваемого в единицу времени продукта (в котле -паропроизводительность) определенного качества (в котле - давление и температура пара). Именно эти показатели дают наиболее полное представление о степени соответствия котла его функциональному назначению.

Паропроизводительность D, кг/ч, является главным показателем, характеризующим нагрузку котла (см. п. 1.1).

Давление р, МПа, и температура t, "С, характеризуют качество вырабатываемого пара с позиций его соответствия потребителям пара (см. п. 1.1).

Расход топлива В, кг/ч, являющийся линейной функцией паропроизво-дительности, также характеризует нагрузку котла. Но поскольку он зависит от качества топлива, температур воды и воздуха, степени загрязнения поверхностей нагрева и т. п., то целесообразнее использовать показатель В для характеристики экономичности котла (при фиксированном значении D).

Испарительность топлива представляет собой отношение и = D/B, т. е. численно равна количеству пара, производимого при сжигании 1 кг топлива. Очевидно, что чем больше испарительность топлива, тем совершенней (конструктивно и теплотехнически) данный котел. Для современных главных котлов и = 13-14 кг/кг (пара/топлива), для вспомогательных - несколько ниже.

Относительное водосодержание котла определяется как отношение количества воды в парообразующих элементах Gв, кг, к полной паропроизводительности D кг/ч, т. е. w = Gв/D, ч. Физический смысл параметра w состоит в том, что он показывает, сколько потребуется времени на испарение всей воды, содержащейся в котле, если его нагрузка будет соответствовать паропроизводительности D_K. При этом следует иметь в виду, что в величину G_B входит лишь то количество воды, которое содержится в паросодержащих элементах (трубах, экранных коллекторах, водяном и пароводяном барабанах). В экономайзере судового котла вода не доводится до кипения, поэтому ее запас в экономайзере не включается в G_B. Водосодержание, определяющееся в основном геометрическими параметрами котла, характеризует его аккумулирующую способность и, следовательно, инерционность, от которой зависит уровень сложности автоматики. У современных водотрубных котлов w?=0,25*0,4 ч, иногда 0,5-1 ч; у огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов w = 1,5+2,5 ч и более.

Массогабаритные показатели являются дополнительными характеристиками технического совершенства. Наиболее употребительна из них относительная масса котла - отношение массы к паропроизводительности котла при номинальной нагрузке. Для современных главных и вспомогательных водотрубных котлов с естественной циркуляцией относительная масса составляет 2,5-4 кг/(кг/ч), а для утилизационных котлов 10 кг/(кг/ч). Этот

показатель, отнесенный только к металлу, для рассматриваемых агрегатов равен 1,5-3,6 кг/(кг/ч).

В качестве габаритного показателя можно использовать относительный объем, м³/(кг/ч), котла - отношение объема, определенного по габаритным размерам, к паропроизводительности.

Для морского транспортного судна масса и габарит котла не имеют первостепенного значения и рассматриваются только в связи с конкретным типом судна, когда решаются вопросы о размерах, необходимых для размещения двигателей, котлов и обслуживающего их оборудования.

Для оценки уровня совершенства судовых котлов могут быть также использованы: удельный паросъем -отношение паропроизводительности к площади поверхности парообразующих элементов, (кг/ч)/м²; тепловое напряжение топочного объема - количество теплоты, выделяющейся в единицу времени при сгорании топлива в 1 м³ объема топки, q_V, кВт/м³; нагрузка парового пространства - отношение паропроизводительности к объему парового пространства котла, (кг/ч)/м, и др.

Качество котла зависит от того, как организованы потоки воды, топлива и воздуха в системах, обслуживающих котел. Отдельные входные параметры опосредованно характеризуют качество котла, являясь одновременно показателями качества котельной установки. Наиболее информативными являются температуры питательной воды, воздуха и топлива.

Температура питательной воды t_ПВ, оказывающая заметное влияние на экономичность котла, определяется тепловой схемой установки. Во вспомогательных КУ подогреватели питательной воды обычно отсутствуют, и температура питательной воды равна 60 - 70 ^оС. При более низких значениях t_ПВ увеличивается растворимость кислорода воздуха в воде в теплом ящике, а при более высоких - неустойчиво работают питательные насосы (обычно центробежные). В паротурбинных установках температура питательной воды может достигать 150-225 ^оС в зависимости от рабочего давления и с учетом необходимого недогрева воды до кипения в экономайзере.

Температура воздуха, поступающего в топку, влияет на качество сгорания топлива, повышая экономичность и надежность котла. В современных котлах применяют воздухоподогреватели для повышения температуры воздуха, которая может достигать 200-250 ^оС. При отсутствии воздухоподогревателей температура холодного воздуха составляет 30-40 ^оС при заборе воздуха из верхней части машинного отделения.

Температура топлива перед форсунками, а также собственные параметры рабочего процесса котла должны оцениваться после рассмотрения основных теоретических положений процессов сгорания топлива, теплообмена, парообразования и т. п.

Показатели экономичности.

Одним из основных показателей экономичности является коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение количества полезно использованной теплоты к количеству теплоты, подведенной к котлу. Стоимость котла как показатель качества характеризует первоначальные затраты на его изготовление. Ориентироваться на абсолютные значения стоимости при сравнительном анализе эффективности судовых котлов, построенных в разные годы, нельзя, так как можно получить несопоставимые результаты. Поэтому чаще используют относительные показатели стоимости, базирующиеся на статистических данных о затратах на изготовление котлов с различными параметрами пара. Например, стоимость изготовления главного водотрубного котла с давлением пара 9 МПа на 40 % больше стоимости котла с р_к = 4,5 МПа.

...