Назначение, принцип действия и место парового котла в составе судовой энергетической установки

Паровой котел служит для производства влажного или перегретого водяного пара при давлении, превышающем атмосферное. Температура выходящего из котла влажного пара равна температуре насыщения, а температура перегретого пара может быть значительно больше температуры насыщения.

Водяной пар на судне предназначен для различных целей. Например, в главных паросиловых установках он необходим для работы главных тепловых двигателей – паровых турбин, а также для нагревания воды, топлива и других сред в различ­ных теплообменных аппаратах. На судах с дизельными и газо­турбинными установками пар нужен турбогенераторам, выра­батывающим электроэнергию, а также для обогревания жилых помещений. Кроме того, пар необходим для хозяйственных нужд (камбуза и др.), для технологических установок по пере­работке рыбы и других продуктов моря. Водяной пар в паро­вом котле образуется в результате подвода теплоты к воде. Источником теплоты служат продукты сгорания органического топлива (дымовые газы).

Принципиальная схема котла показана на рис. 1.1, а, общий вид котлов разных типов – на рис. 1.1, б, в, г. Паровой котел (ПК) состоит из топки I и ряда рекуперативных теплообменни­ков, расположенных за топкой: пароперегревателя II, испарите­ля III, водоподогревателя (экономайзера) IV и воздухоподогре­вателя V. В этих теплообменниках горячая среда (дымовые газы) отделена от холодной (пар, вода, воздух) непроницаемой твердой стенкой, то есть среды, обменивающиеся теплотой, не смешиваются друг с другом.

Назначение теплообменников следует из их названий: па­роперегреватель – для перегрева пара, испаритель – для пре­вращения воды в пар, экономайзер – для подогрева воды, а воздухоподогреватель – для подогрева воздуха. Испаритель представляет собой основную поверхность нагрева ПК, а тепло­обменники II, IV, V – дополнительную. Основную поверхность нагрева имеют все котлы. Она может быть скомпонована со­вместно с топкой (Рис. 1.1, б, в). Дополнительная поверхность нагрева у ряда котлов может частично (Рис. 1.1, б, г) или полностью отсутствовать (Рис. 1.1, в). Котлы, использующие теп­лоту отработавших газов дизелей и газотурбинных двигателей (ГТД), могут не иметь топки (Рис. 1.1, г).

Рис. 1.1. Принципиальная схема парового котла (а) и общий вид главного (б), вспомогательного (в) и утилизационного (г) котлов В – воздух; Т – топливо; ДГ – дымовые газы; ПП – перегретый пар; НП – насыщенный пар; ПВ – питательная вода

У паровых котлов можно выделить два независимых тракта: газовоздушный и пароводяной. Температура дымовых газов при движении через теплообменники II–V газовоздушного тракта снижается. Стрелками внутри теплообменников показа­но, что часть теплоты от газов в каждом из них отводится к нагреваемой среде, темпера­тура (энтальпия) которой при этом увеличивается.

На рис. 1.2 в координатах (s – удельная энтропия, Дж/(кг∙К); Т – абсолютная температура, К) изображен термодинамический цикл паротурбинной установки (ПТУ). Нижняя (х = 0, где х – сте­пень сухости) и верхняя (х = 1) пограничные кривые со­ответствуют состояниям насы­щения кипящей воды и сухого водяного пара при различных давлениях. Изобарный процесс 1–2–3–4 ( ; ) реализуется в па­роводяном тракте котла. Он состоит из более простых процессов: подогрева пита­тельной воды до состояния, близкого к состоянию насыщения при давлении в котле (ли­ния 1–2); подогрева воды до кипения и образования влажного насыщенного пара, степень сухости которого близка к единице (линия 2–3); подсушки и перегрева пара (линия 3–4).

Рис. 1.2. Термодинамический цикл па­ротурбинной установки

Процессы превращения воды в перегретый пар происходят соответственно в экономайзере (линия 1–2), в испарительной поверхности нагрева (линия 2–3) и в пароперегревателе (ли­ния 3–4) ПК.

Паровой котел – основной элемент судового энергетиче­ского комплекса, упрощенная схема которого приведена на рис. 1.3. Весь комплекс можно условно разделить на две уста­новки: турбинную (машинную) и котельную. В состав турбин­ной установки входят главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА) 5 и вспомогательные турбоагрегаты (турбогенераторы) 4, глав­ный 7 и вспомогательный 6 конденсаторы и обслуживающие их системы (на рис. 1.3 не показаны).

Котельная установка включает паровой котел 1 и обеспечи­вающие его работу системы:

– питательную, состоящую из подогревателей питательной воды (ППВ) 10, 13, 14, питательного насоса 12. трубопрово­дов 11 от паровых магистралей, конденсатных насосов 8, 9, из­мерительных приборов и арматуры;

– паровую, предназначенную для отвода пара потребите­лям по трубопроводам 2, 3 с арматурой и контрольно-измери­тельными приборами;

– топливную, состоящую из расходных цистерн 16, топлив­ного насоса 15, топливных фильтров 17, подогревателя топли­ва 18, трубопроводов с измерительными приборами и арматурой;

– газовоздушную, включающую газоход 20, дымовую тру­бу (на схеме непоказана), вентилятор 19 с воздухоприемником, воздушные коробы и др.

Рис. 1.3. Принципиальная схема судового паротурбинного энерге­тического комплекса

Котельная установка оснащена также системами автомати­ческого регулирования подачи воды, топлива и воздуха в котел, водоподготовки, дистанционного управления и защиты ПК, ко­торые на схеме не показаны. Бóльшая часть пара поступает в главный турбозубчатый агрегат 5, остальная направляется к вспомогательному турбоагрегату 4.

Отработавший в турбине ГТЗА 5 пар поступает в главный конденсатор 7, где конденсируется и насосом 8 в виде конден­сата (воды) нагнетается в ППВ 10. Сюда же насосом 9 по­дается конденсат от вспомогательного конденсатора 6, а также греющий пар (стрелки на трубопроводах 11) от отборов тур­бины ГТЗА 5. Вода в ППВ 10 смешивается с паром и нагре­вается до температуры кипения. Растворенные в ней газы удаляются в атмосферу, то есть смесительный подогреватель 10 служит также деаэратором питательной воды. Из подогрева­теля-деаэратора 10 питательным насосом 12 вода нагнетается в паровой котел 1 (через ППВ 13 и 14, обогреваемые паром из отборов турбины ГТЗА 5). Здесь теплота, выделившаяся при сжигании органического топлива, передается от дымовых газов к воде и пару. Топливо в топку котла 1 подается из расходной цистерны 16 насосом 15 через фильтры 17 и подогреватель топ­лива 18. Туда же вентилятором 19 из атмосферы подается воз­дух, а образующиеся при сгорании топлива дымовые газы от­водятся (стрелка 20) в дымовую трубу.

Цикл ПТУ, изображенный на рис. 1.2, включает в себя про­цессы, происходящие не только в ПК, но и в других элемен­тах СЭУ: 4–5 – адиабатное расширение пара в турбине; 5–6 – изобарно-изотермический процесс конденсации пара в кон­денсаторе; 6–7 – адиабатный процесс в насосах; 7–1 – изо­барный процесс подогрева питательной воды в ППВ.

Термодинамическая эффективность цикла ПТУ в значитель­ной степени зависит от параметров пара, производимого котлом.