Тепловые схемы КТЭУ

В состав судовой КТЭУ наряду с главными механизмами – главными паровыми котлами и главными турбинами – входят вспомогательные механизмы, теплообменные аппараты, емкости, цистерны и другое оборудование, работающее в составе систем энергетической установки и обеспечивающее ее работу. Вспомогательные механизмы имеют, как правило, индивидуальный привод – паровую турбину или электропривод. В некоторых случаях несколько вспомогательных механизмов могут иметь один общий (групповой) привод. В теплообменные аппараты КТЭУ обеспечивается подача греющих и охлаждающих сред, в качестве которых могут использоваться пар различных параметров, конденсат, забортная вода и др. Единый рабочий процесс судовой КТЭУ и нормальную работу установки на всех ходовых и стояночных режимах можно обеспечить при равных взаимосвязях тепловых и энергетических потоков между ее частями. Для изучения и расчета теплоэкономических свойств энергетической установки пользуются понятием тепловой схемы.

Тепловой схемой называется условное схематизированное изображение элементов реальной котлотурбинной установки и взаимосвязей между ними, показывающее распределение пара, конденсата и тепла между ее составными частями.

Тепловые схемы КТЭУ можно классифицировать по следующим признакам:

· по полноте изображения тепловые схемы делятся на простейшие, принципиальные, развернутые и полные. Простейшая тепловая схема изображает минимальное количество элементов установки и взаимосвязей между ними. Принципиальная тепловая схема фиксирует последовательное соединение частей КТЭУ, тип термодинамического процесса, способ осуществления регенеративного процесса, способ обеспечения энергией главных и вспомогательных механизмов, способ использования избытков отработавшего пара и горячих дренажей, восполнение потерь питательной воды, принципиально важную арматуру. Развернутая схема дополнительно показывает число и способ включения механизмом и аппаратов, различные емкости и цистерны, резервные механизмы, некоторые наиболее важные автоматы. Полная тепловая схема изображает весь набор оборудования КТЭУ и взаимосвязи между ними.

· по типу термодинамического цикла различают тепловые схемыс промежуточным перегревом пара и без промежуточного перегрева пара. В схемах с промежуточным перегревом пара пар, прошедший ряд ступеней турбины, направляется в промежуточный пароперегреватель котла. После вторичного перегрева пар направляется в последующие ступени паровой турбины. Возможно применение тепловых схем с двукратным промежуточным перегревом пара.

· по способу подогрева питательной воды тепловые схемы делятсяна регенеративные, в которых производится предварительный подогрев питательной воды перед подачей ее в котел или парогенератор, и нерегенеративные –без предварительного подогрева питательной воды. В свою очередь регенеративные тепловые схемы по способу осуществления регенеративного цикла делятся на схемы:

– 1-го рода, в которых подогрев питательной воды осуществляется теплотой пара, отбираемого из промежуточных ступеней главной турбины;

– 2-го рода, в которых подогрев питательной воды осуществляется паром, отработавшим во вспомогательных механизмах;

– 3-го рода, представляющие собой сочетание схем 1-го и 2-го рода.

· по числу водоподогревателей (ступеней подогрева питательной воды) тепловые схемы делятся на одноступенчатые – с одним водоподогревателем; и многоступенчатые, в которых подогрев питательной воды производится последовательно в нескольких водоподогревателях.

· по типу водоподогревателей: возможно использование регенеративных тепловых схем с водоподогревателями поверхностного типа, в которых передача теплоты от греющей среды к питательной воде производится через трубную поверхность нагрева; с водоподогревателями смесительного типа (деаэраторами), в которых подогрев осуществляется путем смешивания греющего пара с подогреваемой питательной водой; и комбинированные тепловые схемы, в которых используются подогреватели как поверхностного, так и смесительного типа.

· по начальным параметрам пара для вспомогательных механизмов различают тепловые схемы: со вспомогательными механизмами, работающими на перегретом паре; со вспомогательными механизмами, работающими на насыщенном или слабоперегретом паре; и комбинированные тепловые схемы, в которых вспомогательные механизмы работают на различных параметрах пара.

· по способу включения отработавшего пара от вспомогательных механизмов используются тепловые схемы:со вспомогательными механизмами, работающими на противодавление (противодавленческая группа механизмов); со вспомогательными механизмами, работающими на вакуум (конденсационная группа механизмов); и комбинированные тепловые схемы, имеющие в своем составе обе группы вспомогательных механизмов.

В любом из перечисленных видов тепловых схем можно условно выделить и изобразить на диаграмме два цикла: главный цикл, изображающий термодинамические процессы, происходящие с рабочим телом, работающим в главной турбине; и вспомогательный цикл, изображающий термодинамические процессы, происходящие с рабочим телом, работающим в турбоприводах вспомогательных механизмов и в теплообменных аппаратах.

При рассмотрении тепловых схем КТЭУ будут использованы следующие допущения: вся полезная работа совершается только в главной турбине; КПД главных котлов, главных турбин и вспомогательных механизмов равны 1,0 (100 %); отсутствуют гидравлические и тепловые потери в трубопроводах и паропроводах; в теплообменных аппаратах происходит идеальная теплопередача (КПД теплообменных аппаратов равен 100 %).

Из курса термодинамики известно, что цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, отличается высшим термодинамическим совершенством по сравнению с термодинамическими циклами реальных тепловых двигателей. Применительно к КТЭУ цикл Карно для насыщенного пара состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 70.а):

		–	адиабатное расширение пара паровой турбине;
		–	изотермическое охлаждение отработавшего пара до определенной степени сухости – ;
		–	адиабатное сжатие пароводяной смеси до линии насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

Однако применить такой цикл в реальной котлотурбинной установке весьма сложно. Если при реализации процессов и не возникает никаких технических трудностей, то для осуществления процесса пришлось бы создавать специальное устройство, контролирующее процесс охлаждения пара до определенной степени сухости, а для процесса – специальный компрессор для сжатия пароводяной смеси. Еще одной причиной невозможности применения цикла Карно для КТЭУ является то, что некоторые термодинамические процессы, протекающие в КТЭУ (подогрев воды до температуры кипения, перегрев пара), являются изобарными. По этой причине в развитии паросиловой техники оказалась весьма плодотворной идея построения тепловых схем и термодинамических циклов на основе цикла Ренкина, названного по имени английского ученого, впервые описавшего этот цикл. Ренкин предложил не охлаждать пар до определенной степени сухости, а полностью конденсировать его до линии насыщения в конденсаторе, с последующим сжатием образовавшейся воды в обычном насосе, что технически осуществить намного проще, и при этом требует меньших затрат энергии.

Цикл Ренкина для КТЭУ, работающей на насыщенном паре, состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 70.б):

		–	адиабатное расширение пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	изобарный подогрев воды до температуры насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

Так как вода является жидкостью практически несжимаемой, то точки и , обозначающие на диаграмме термодинамическое состояние воды до насоса и после него, располагаются достаточно близко, чтобы считать их одной точкой. При дальнейшем рассмотрении циклов КТЭУ эти точки будут совмещаться.

При использовании в КТЭУ перегретого пара, цикл Ренкина состоит из следующих термодинамических процессов:

		–	адиабатное расширение перегретого пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	изобарный подогрев воды до температуры насыщения;
		–	изотермический процесс испарения воды в паровом котле;
		–	изобарный перегрев пара в пароперегревателе котла.

Так как все современные КТЭУ работают исключительно на перегретом паре, то в дальнейшем материале, посвященном тепловым схемам, будут рассматриваться термодинамические циклы с перегревом пара.