Судовые паропроизводящие установки

Понятие о тепловой схеме ПСУ. Классификация тепловых схем

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 схемы с промежуточным перегревом пара и без промежуточного перегрева

1

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 делятся на 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. а);

1 - 2 - адиабатное расширение пара паровой турбине;

2 - 3 - изотермическое охлаждение отработавшего пара до

Определенной степени сухости - х3;

3 - 4 - адиабатное сжатие пароводяной смеси до линии насыщения;

4 -1 - изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

Однако применить такой цикл в реальной котлотурбинной установке весьма сложно. Если при реализации процессов 4 -1 и 1 -2 не возникает никаких технических трудностей, то для осуществления процесса 2 - 3 пришлось бы создавать специальное устройство, контролирующее процесс охлаждения пара до определенной степени сухости, а для процесса 3 - 4 - 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. б);

1 - 2 - адиабатное расширение пара в паровой турбине;

2 - 2' - изотермический процесс конденсации пара;

2'- 3 - сжатие конденсата в насосе;

3 - 4 - изобарный подогрев воды до температуры насыщения;

4 -1 - изотермический процесс испарения воды в паровом котле.

Так как вода является жидкостью практически несжимаемой, то точки 2' и 3, 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;

1пе - 2ПЕ - адиабатное расширение перегретого пара в паровой

Турбине;

2ПЕ - 2' - изотермический процесс конденсации пара;

2' - 3 - сжатие конденсата в насосе;

3 - 4 - изобарный подогрев воды до температуры насыщения;

4 -1 - изотермический процесс испарения воды в паровом

Котле;

1 -1ПЕ - 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.