Судовые паропроизводящие установки

Тепловой баланс и КПД высоконапорных котлов

Основной отличительной особенностью высоконапорного котла является то, что воздух в его топку подается не вентилятором, а турбонаддувочным агрегатом. В состав ТНА входят; газовая турбина, осевой компрессор и добавителъная паровая турбина, включаемая в работу при нехватке мощности газовой турбины для обеспечения работы компрессора. Добавительная паровая турбина одновременно является пусковым двигателем при растопке котла.

Газовая турбина ТНА работает за счет энергии продуктов сгорания топлива, покидающих котел, и поэтому отпадает надобность в расходовании дополнительной энергии на привод нагнетателя воздуха, как это имеет место при вентиляторном дутье. Кроме того, воздух, сжимаемый в компрессоре и подаваемый в топку, имеет температуру ~ 160-170 °С, что исключает необходимость использования в ВНК воздухоподогревателей.

Существенное влияние на тепловой баланс высоконапорного котла и его характеристики играет место расположения газовой турбины в газоходе. По этому признаку возможны следующие варианты компоновки ВНК;

Газовая турбина ТНА расположена за экономайзером в конце воздушно-газового тракта котла

Такая компоновочная схема является наиболее распространенной в котельных установках с ВНК, используемых на кораблях ВМФ России.

Преимуществами такой компоновочной схемы являются;

• относительная простота конструкции котла (все поверхности нагрева расположены в едином кожухе);

• простота системы автоматического регулирования;

• размещение ГТ ТНА в области низких температур не требует использования дорогостоящих сплавов для изготовления деталей проточной части.

Недостатки компоновочной схемы;

• КПД котла ограничен величинами ~ 82 ^ 83 %; при выборе больших значений КПД температура газов перед ГТ ТНА становится слишком низкой, что не позволяет получить нужную мощность без развития проточной части газовой турбины и обеспечения сравнительного большого ее КПД;

• относительно большой небаланс мощностей ГТ и турбокомпрессора на пониженных нагрузках влечет за собой повышенную мощность добавительной паровой турбины и увеличивает расход пара на нее (особенно если баланс ТНА выполнен для полных нагрузок котла);

Газовая турбина ТНА расположена перед экономайзером

Котлы, выполненные по данной схеме имеют следующие преимущества;

• газовая турбина ТНА может быть выполнена одноступенчатой, необходимая ее мощность достигается просто, нет нужды делать турбину с повышенным КПД;

• небаланс мощностей турбины и компрессора на сниженных нагрузках наименьший, что позволяет использовать добавочный двигатель небольшой мощности;

• практически возможно достичь КПД котла вплоть до 90 % и более путем развития поверхности нагрева экономайзера, следующей за газовой турбиной.

Недостатками схемы являются;

• экономайзер, установленный в зону охлажденных газов с низким давлением, получается увеличенным по размерам, особенно если принят большой КПД котла;

• детали проточной части газовой турбины ТНА, помещенной в зону высоких температур газов, изготавливаются из особых дорогостоящих сплавов;

• система регулирования получается более сложной, чем в первой схеме;

• при работе котла возникает сравнительная больная избыточная мощность газовой турбины на нагрузках, превосходящих балансную. Эта избыточная мощность тем больше, чем меньше принятая в расчетах балансная нагрузка ТНА.

Газовая турбина ТНА расположена между секциями экономайзера

(врассечку экономайзера)

Котлы, выполненные по этой схеме, занимают промежуточное положение, и могут иметь КПД до 90 % и более. Система регулирования в таких котлах получается еще более сложной, чем в рассмотренных ранее случаях.

Компоновочная схема котла предполагает разбивку экономайзера на две секции, и газовая турбина устанавливается между ними.

^~ух Рассмотрим отличия в тепловых балансах ВНК от котлов с вентиляторным дутьем;

Располагаемое тепло для ВНК запишется:

Где;

Огв = Ов + Як - теплота горячего воздуха, составляемая из теплоты холодного воздуха и теплоты, переданной воздуху в компрессоре ТНА.

9

Расходная часть теплового баланса запишется;

01 + бз ^ 65 ^ б гг ^ ^УХ

Так как в идеальном случае работа газовой турбины полностью идет на работу компрессора, то можно сказать, что бк = бгт, тогда, приравняв обе части, получим;

О-Н = б1 + б2 + б3 + б5

Как видно, наличие ТНА не сказывается на выражении теплового баланса котла, так как тепло, затрачиваемое на работу ГТ и на сжатие воздуха в компрессоре не входит в уравнение теплового баланса.

Фактически не вся работа ГТ идет на работу компрессора, так как часть работы теряется в ТНА.

Для высоконапорных котлов характерны три случая энергетического баланса механизмов ТНА;

1) . Мощность газовой турбины Ирт равна сумме мощности компрессора И к и мощности, затрачиваемой на механические потери Им (трение в подшипниках и т. д.);

N = N + N

И гт И И м

2) . Мощности газовой турбины Игт недостаточно для обеспечения работы компрессора с учетом мощности, затрачиваемой на преодоление механических потерь Им - В этом случае к валу компрессора подводится дополнительная мощность Идд от добавочного двигателя (паровой турбины);

И + И — И + И

И гт И дд И м

3) . Мощность газовой турбины Игт больше суммы необходимой мощности компрессора Ик и мощности на преодоление механических потерь Им па величину Иизб. В этом случае уравнение энергетического баланса имеет вид;

ИГТ ~ ИК + ИМ + ИИЗБ

Поскольку избыточная мощность для компрессора не нужна, она гасится каким-либо способом (теряется) - лишний воздух перепускается в атмосферу или поступает помимо котла обратно на всасывание турбокомпрессора ТНА.

Окончательно уравнение теплового баланса ВНК примет вид;

Для первого случая; бН = 0 + 6 + ОЗ + 6 + Ям

Для второго случая; бН = 01 + 62 + °з + 05 + °м

Для третьего случая; бН = ° + 62 + °з + °5 + °м + °язв

Где;

Бм - потеря тепла на преодоление механических сопротивлений и вращение присоединенных механизмов в ТНА;

6изб - потеря тепла вследствие гашения избыточной мощности газовой турбины на больших нагрузках;

Вг = (іУХ - вТ - вФ - Ядц);

Вдд - тепло, полученное воздухом за счет работы добавочного двигателя.

Схематично уравнение теплового баланса и распределение тепла в высоконапорном котле показано на рисунке.

Рассмотренный КПД котла не учитывает затрат энергии на работу механизмов и аппаратов, обслуживающих котельную установку. Более полно отражает эффективность другой КПД - нетто, который учитывает энергию, затрачиваемую на служебные нужды установки;

Где;

Рвм - расходы пара на вспомогательные механизмы (ВМ) и

Теплообменные аппараты (ТОА) котельной установки, [кг/с]; івм - энтальпии пара, расходуемого на ВМ и ТОА котельной установки, [кДж/кг];

Вэл - расход электроэнергии на механизмы с электроприводом, [кВт];

Для высоконапорного котла в случае равенства мощностей компрессора и газовой турбины, выражение КПД примет вид;

£ Рвы {івм - іт )+Х бзя + В(!I") Ввн

Где;

I' - энтальпия продуктов сгорания перед газовой турбиной ТНА;

I" - энтальпия продуктов сгорания за газовой турбиной ТНА.

В