Принципиальные схемы ПТУ на органическом топливе

Все элементы ПТУ связаны между собой трубопроводами, по которым перетекает рабочее тело (вода или пар). Схема этих трубопроводов и элементов называется тепловой схемой установки. В зависимости от преследуемых целей тепловая схема может быть выполнена принципиальной, развернутой и полной. Первая отображает только основные взаимосвязи установки.

Принципиальная тепловая схема обычно используется для теплового расчета ПТУ. На ней должно быть отображено следующее: термодинамический цикл (нерегенеративный, регенеративный и пр.); состояние пара, применяемого для питания вспомогательных механизмов (перегретый, насыщенный и др.); способ использования теплоты отработавшего пара вспомогательных механизмов и горячих конденсатов; система регенерации теплоты пара, отбираемого из промежуточных ступеней ГД; способ пополнения утечек воды и пара из тракта.

Классификация тепловых схем принята в зависимости от способа регенерации теплоты полностью или частично отработавшего пара:

- нерегенеративные, в которых не предусмотрено использование отбираемой теплоты;

- тепловые схемы 1-го рода, предусматривающие регенерацию только теплоты пара, отбираемого из промежуточных ступеней расширения ГД;

- тепловые схемы 2-го- рода, в которых для нужд регенерации используется толькс теплота пара, отработавшего в ВД;

- тепловые схемы 3-го рода, где для целей регенерации используется K_ai отработавший пар ВД, так и пар отбора из промежуточных ступеней расширения ГД.

Нерегенеративная тепловая схема изображена на рисунке 4.14. Здесь ГД - турбина 3 через редуктор 2 приводящая гребной винт 1; ВД - турбина 4 и теплообменные аппарата 5 потребляют пар из парового котла б, а отработавший пар турбин сбрасывается в главный конденсатор 10, куда также поступает конденсат греющего пара теплообменных аппаратов.

Особенностью схемы является открытая система питания котла, в соответствии которой конденсат из ГК подается конденсатным насосом 9 в теплый ящик 8, выполняющий роль аккумулятора воды при изменении нагрузки на установку. Теплый ящик вентиляционной трубой сообщается с атмосферой, поэтому в питательной воде могут находиться в большом количестве агрессивные газы. Питательный насос 7 забирает воду из ящика и нагнетает в котел. Значительное количество кислорода и углекислоты способствует существенному ускорению коррозионных процессов на поверхностях нагрева котла. В связи с этим открытые системы питания применяются в установках при давлении пара не более 2 МПа.

Рисунок 4.14 - Нерегенеративная тепловая схема ПТУ

Экономичность ПТУ, работающей по нерегенеративной тепловой схеме, можно повысить, если отработавший в ВД пар, вместо того чтобы сбрасывать в ГК, использовать для подогрева питательной воды, нагнетаемой в котлы.

Принципиальная тепловая схема 2-го рода представлена на рисунке 4.15. Ее отличительная особенность — наличие подогревателя 8 питательной воды смесительного типа, являющегося одновременно и деаэратором. Магистраль отработавшего пара ВД одним концом соединена с деаэратором, а другим - через нагруженный невозвратный клапан 11 конденсатором (позиции 1-7, 9, 10 - те же, что и на рисунке 4.14). Давление в магистрали отработавшего пара больше, чем в конденсаторе. На величину этого давления и настраивают клапан. Избыток отработавшего пара через клапан перепускается в конденсатор. Необходимое количество отработавшего пара с достаточно высокой температурой поступает в подогреватель питательной воды, отдает свою теплоту воде и конденсируется. При нагреве воды до температуры насыщения происходит ее деаэрация, т. е. выделение растворенных в ней газов.

В этом случае применена закрытая схема питания парового котла, в тракте отсутствует возможность открытого контакта воды и воздуха, газы удаляются в деаэраторе. Последний используется как аккумулятор и имеет вместимость, достаточную для подачи воды в котел в течение 12-15 мин при неработающем конденсатном насосе.

Поскольку часть теплоты отработавшего пара используется полезно, затраты теплоты и топлива на ПТУ, выполненную по схеме 2-го рода, уменьшаются по сравнению с установкой, работающей по нерегенеративной тепловой схеме. Однако этот вывод справедлив при небольшом избытке отработавшего пара или его отсутствий. С увеличением относительного количества избыточного пара (по отношению к расходу пара на ГД) экономический выигрыш будет снижаться.

Рисунок 4.15 - Принципиальная тепловая схема ПТУ с регенерацией теплоты отработавшего пара вспомогательных двигателей

Расход пара на ВД и относительное количество избыточного пара определяются, с одной стороны, противодавлением этих двигателей, увеличение которого способствует росту расхода пара из-за снижения располагаемой энергии каждого килограмма пара. С другой стороны, количество конденсирующегося в подогревателе пара (конденсирующая способность теплообменника) также растет по причине повышения температуры подогрева питательной воды. Однако при оптимальном значении противодавления относительный избыток пара будет минимальным, а КПД установки - максимальным.

Эффективность установки можно повысить путем деления ВД на две группы. В первую группу включают двигатели с повышенным противодавлением, потребляющие расход пара, равный конденсирующей способности подогревателя питательной воды. Во вторую группу объединяют двигатели, в которых пар расширяется до давления в конденсаторе и сбрасывается в него. Выигрыш здесь состоит в том, что расход пара на вторую группу будет меньше по сравнению с расходом, который имел бы место при повышенном противодавлении. Следовательно, количество отработавшего пара (с меньшей энтальпией), поступающего в конденсатор, снижается, и, как следствие, уменьшаются потери теплоты, передаваемые забортной воде.

Областью применения схем 2-го рода в чистом виде являются ЭУ судов, для которых характерна длительная работа на режимах частичных нагрузок, например, ледоколы. Неизменное значение температуры питательной воды обеспечивается поддержанием постоянного давления в магистрали отработавшего пара. Более эко­номичные тепловые схемы 2-го рода ПТУ для ледоколов приведены в специальной литературе.

Тепловые схемы 1-го рода принципиально отличаются от рассмотренных схем 2-го рода способом регенерации теплоты. Различие состоит в том, что пар, частично расширившийся в ГД, используется для подогрева питательной воды, как правило, в теплообменниках поверхностного типа.

На рисунке 4.16 представлена принципиальная тепловая схема идеализированной ПТУ с регенерацией теплоты в цикле ГД. Схема называется идеализированной потому, что ГД — единственный потребитель свежего пара, а пар, отбираемый из ГД, используется только для подогрева питательной воды. Она выполнена с тремя промежуточными отборами пара (цифры I—III на рис. 18) из ГД 3 для трех регенеративных подогревателей питательной воды. Подогреватели 8 и 5 (низкого и высокого давления) поверхностного типа, а подогре­ватель среднего давления — деаэратор — смесительного типа.

Конденсат греющего пара из подогревателя низкого давления 8 поступает в ГК 10, а из теплообменника 5 - в деаэратор б, где он смешивается с питательной водой. Из деаэратора смесь питательной воды, поступающей из теплообменника 8, и конденсаторов греющего пара среднего и высокого давления питательным насосом 7 подается в паровой котел 4 (позицией 1 обозначен гребной винт, 2 - редуктор, 9 - насос).

При прочих равных условиях число отборов пара оказывает прямое влияние на тепловую экономичность ПТУ. С ростом количества отборов повышается температура питательной воды на выходе из последней ступени подогрева. Наряду с этим увеличение числа отборов вызывает усложнение и удорожание установки, возрастание ее массы. В современных ПТУ количество отборов составляет 4 - 5.

Рисунок 4.16 - Принципиальная тепловая схема идеализированной

ПТУ с регенерацией теплоты в цикле ГД

Вопросы для самопроверки:

1. Судовая главная паротурбинная установка. Назначение, состав, работа, требования Морского Регистра судоходства.

2. Газотурбинная судовая энергетическая установка. Назначение и состав ее элементов, требования Морского Регистра судоходства.

3. Сравнительный анализ экономической эффективности СПТУ, СГТУ и дизельных энергетических установок.

Литература: [3, с. 219...275].