Судовые паропроизводящие установки

Регенеративные тепловые схемы ПСУ 2-го рода

Реальные тепловые схемы КТЭУ включают достаточно большое число вспомогательных механизмов, работающих на противодавление (Р —1,15 ^ 1,20). Отработавший пар турбомеханизмов имеет достаточно высокие параметры: давление 0,19 ^ 0,2 МПа, и температуру около 120 ^ 130 0С. При дросселировании этого пара через клапан излишков и сбросе его в главный конденсатор значительная часть теплоты цикла КТЭУ
уходит на подогрев забортной воды и не используется полезно в самом цикле.

Полезно использовать это тепло и существенно повысить экономичность установки позволяет утилизация теплоты отработавшего во вспомогательных механизмах пара путем подогрева им питательной воды в водоподогревателях. С другой стороны, подача в котел предварительно подогретой воды снижает расход топлива, затрачиваемого на подогрев питательной воды в самом котле до температуры кипения, что также повышает экономичность установки. К примеру; при рабочем давлении пара в котле рк = 4,0 МПа температура кипения воды составляет г5 - 250

0С. При подаче воды в котел без подогрева с температурой гпв = 60 0С, эту воду необходимо довести до кипения - нагреть на 190 0С. При подаче предварительно подогретой питательной воды с температурой гпв = 110 0С, температурный диапазон нагрева воды до кипения уменьшается до 140 0С.

В судовых котлотурбинных энергетических установках используются следующие типы водоподогревателей;

- водоподогреватели поверхностного типа, в которых передача теплоты от греющего пара нагреваемой воде осуществляется через трубную поверхность нагрева;

- водоподогреватели смесительного типа (деаэраторы), в которых подогрев питательной воды осуществляется путем смешения мелко распыленного конденсата с греющим паром.

Тепловая схема КТЭУ сводоподогревателемповерхностного типа (схема «ВПП»)

Работа схемы «ВПП» происходит следующим образом (рис. 75). Пар, вырабатываемый главным котлом, направляется в главную турбину - ОГ, и на турбоприводы вспомогательных механизмов - Овм. Отработавший пар главной турбины поступает в главный конденсатор, отработавший пар вспомогательных механизмов - в систему отработавшего пара, в которой клапаном излишков автоматически поддерживается постоянное давление - р0ТР, выше атмосферного. Из системы отработавшего пара греющий пар поступает в водоподогреватель поверхностного типа, где отдает свое тепло конденсату, прокачиваемому через трубную поверхность нагрева ВПП. Отдав тепло, греющий пар конденсируется. Образовавшийся конденсат греющего пара скапливается в нижней части ВПП. Удаление конденсата из ВПП производится в главный конденсатор по трубопроводу дренажа конденсата греющего пара. В конденсаторе конденсат греющего пара смешивается с конденсатом отработавшего пара главной турбины. Насос забирает конденсат из главного конденсатора, направляет его сначала в водоподогреватель, и затем, в уже подогретом виде, в главный котел.

ВПП - водоподогреватель поверхностного типа;

Главный цикл КТЭУ: 1 - 2 - 2'- 3 - 4 - 5 - 1;

Вспомогательный цикл КТЭУ: 1 - 2вм - к - 2'вм - 2'- 3 - 4 - 5 -1.

В такой тепловой схеме в идеальном случае весь пар из системы отработавшего пара поступает в водоподогреватель, клапан излишков при этом закрыт и травления пара в конденсатор не происходит. При этом вся теплота отработавшего в механизмах пара поступает на подогрев воды, и утечек теплоты из цикла КТЭУ не практически происходит (за

Исключением части теплоты, отдаваемой конденсатом греющего пара в главном конденсаторе). В случае повышения давления в системе

Отработавшего пара выше значения, поддерживаемого клапаном излишков (что возможно при использовании большого числа турбоприводов ВМ), часть пара сбрасывается в главный конденсатор через клапан излишков.

Для вспомогательного цикла схемы «ВПП» характерны следующие термодинамические процессы;

1 - 2 вм - расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в

Системе отработавшего пара - рОТР;

2 вм ~ к - охлаждение отработавшего пара ВМ в водоподогревателе

До температуры насыщения;

К - 2 'вм - конденсация греющего пара в водоподогревателе;

2'вм - 2' - охлаждение конденсата греющего пара в главном

Конденсаторе до температуры конденсата главной турбины.

Перечисленные термодинамические процессы вспомогательного цикла характерны для идеального случая, когда весь греющий пар поступает только в водоподогреватель, а клапан излишков при этом закрыт.

Если через клапан излишков происходит сброс части греющего пара в главный конденсатор, то параллельно с процессами вспомогательного цикла; 1 - 2 вм - к - 2 'вм - 23 - 4 - 5 -1, происходит процесс

Дросселирования части пара в КИ, характерный для схемы «П»:

1 - 2 вм - gк2'.

Площадь диаграммы а - 3 - 2'вм - Ь характеризует уменьшение потерь теплоты в цикле КТЭУ за счет использования регенерации.

КПД схемы ВПП;

КПД для цикла ПСУ выражается формулой;

7]К ^ Ог — /"2 _ 1 11 ~ ^2

1 =

Р ОК Ч ^пв Р Ч ^пв

(в схемах с водоподогревателем 1ПВ Ф 1'2 )

Умножив числитель и знаменатель на выражение (Ч1 — Ч'2), получим;

TOC o "1-5" h z л •!

1 л /л Ч /л

77 =----------- или, поменяв местами множители;

Р а9

Р *1 — 1ПВ *1 — *2

Л •!

^ _ 1 _ *1 _ *2 _ *1 _ *2

Р Ч ^2 Ч IПВ

В получившемся выражении; ^ К

где;

К - коэффициент использования тепла отработавшего пара. Этот коэффициент показывает относительное уменьшение затрат тепла в котле

На производство 1 кг пара при использовании предварительного подогрева воды в водоподогревателе.

Подставив значения в формулу КПД цикла ПСУ, получим;

ВПП К r|R

Пк

ЛяВМ

Из анализа выражения КПД для схемы ВПП, можно сделать

Следующие выводы;

- КПД цикла ПСУ, построенной по «Схеме ВПП» в К раз больше КПД циклов ПСУ без водоподогревателя;

- К = /(Р2вм) ;соответственно 7 =(р2вм)

- наличие в формуле Кохл, связанного с потерями А0В, приводит к снижению КПД цикла ВПП.

Тепловая схема КТЭУ сводоподогревателем смесительного типа (схема «ВПС»)

В схеме «ВПС» в качестве водоподогревателя используется деаэратор (рис. 76). Пар, вырабатываемый главным котлом, направляется в главную турбину - Ог, и на турбоприводы вспомогательных механизмов

- овм. Отработавший пар главной турбины поступает в главный конденсатор, отработавший пар вспомогательных механизмов - в систему отработавшего пара, в которой клапаном излишков автоматически поддерживается постоянное давление - р0ТР, выше атмосферного. Из

Системы отработавшего пара греющий пар поступает в деаэратор, смешивается с разбрызгиваемым конденсатом и, отдавая ему свое тепло, конденсируется. Поэтому в такой тепловой схеме отсутствует линия сброса конденсата греющего пара на главный конденсатор и, соответственно, отсутствуют потери теплоты с конденсатом греющего пара - ^в (Кохл = 1).

Конденсат пара главной турбины из главного конденсатора забирается конденсатным насосом и подается в деаэратор, где происходит его подогрев. Кроме того в деаэраторе производится удаление из питательной воды растворенных в ней газов, что создает более благоприятные условия для проведения водных режимов паровых котлов.

Гт

В,

Заб. Вода

Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с водоподогревателем смесительного типа (схема «ВПС»).

ВПС - водоподогреватель смесительного типа (деаэратор);

КН - конденсатный насос; БН - бустерный насос; ПН - питательный насос;

Главный цикл КТЭУ; 1 - 2 - 2'- 3 - 4 - 5 - 1;

Вспомогательный цикл КТЭУ; 1 - 2вм - к - 2'вм - 4 - 5 -1.

Образовавшаяся горячая питательная вода забирается из деаэратора питательным насосом и подается в котел. Часто для облегчения условий работы питательного насоса, перед ним устанавливается бустерный насос, создающий подпор на всасывании питательного насоса.

Главный цикл тепловой схемы «ВПС» описывается следующими термодинамическими процессами;

1 - 2 - расширение пара в главной турбине до давления в

Главном конденсаторе - рК ;

2 - 2' - конденсация пара главной турбины в главном

Конденсаторе;

2' - 3 - сжатие конденсата в насосе;

3 - 2'вм - подогрев конденсата главного цикла в деаэраторе;

2'вм ~ 4 - подогрев питательной воды до температуры кипения в

Паровом котле;

4 - 5 - испарение воды в котле;

5 -1 - перегрев пара в пароперегревателе котла.

Вспомогательный цикл схемы «ВПС» включает следующие процессы;

1 - 2 вм - расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в

Системе отработавшего пара - рОТР;

2 вм ~ к - охлаждение греющего пара в деаэраторе до температуры

Насыщения;

К - 2 'вм - конденсация греющего пара в деаэраторе;

Как и для схемы «ВПП», перечисленные термодинамические процессы вспомогательного цикла характерны для идеального случая, когда весь греющий пар поступает только в деаэратор, а клапан излишков при этом закрыт. Если через клапан излишков происходит сброс части греющего пара в главный конденсатор, то параллельно с процессами вспомогательного цикла; 1 - 2вм - к - 2'вм - 4 - 5 -1, происходит процесс дросселирования пара в клапане излишков, характерный для схемы «П»;

1 - 2 вм - gk2'.

КПД ПСУ, выполненной по схеме «ВПС»;

КПД схемы с водоподогревателем;

При равных параметрах пара со схемой «ВПП» - TJR — const ;

При равном значении inB со схемой «ВПП» - К = const ;

Отличия схем «ВПП» и «ВПС» при прочих равных параметрах только в значении Р. При отсутствии линии сброса конденсата греющего пара на

Главный конденсатор, Кохл = 1, поэтому формула КПД для «Схемы ВПС»

Примет вид;

KVr

Из анализа формулы КПД цикла «ВПС» видно;

- так как Кохл -1, то AQB = 0;

- п = / {р,).

В идеальных циклах ПСУ учитывается только одна потеря тепла - в главном конденсаторе. В реальных тепловых схемах потерь энергии намного больше. При рассмотрении реальных тепловых схем принимают следующие допущения;

- рабочее тело обладает вязкостью, вступает во взаимодействие с окружающей средой - т. е. имеют место гидравлические и тепловые потери;

- КПД всех используемых механизмов никогда не равен единице;

- теплообменные аппараты имеют конечные размеры - т. е. отсутствует идеальная теплопередача.

В рассмотренных выше тепловых схемах все турбоприводы вспомогательных механизмов были объединены в один привод, и на все турбоприводы подавался пар одинаковых параметров. Отработавший в турбинах ВМ пар также имел одинаковые параметры - все механизмы работали либо на вакуум, либо на противодавление. В реальных КТЭУ количество вспомогательных механизмов достаточно велико. Например, турбопривод могут иметь следующие вспомогательные механизмы КТЭУ;

- главный масляный насос системы смазки ГТЗА - ТМН;

- циркуляционный насос конденсационной установки - ТЦН;

- топливный насос главного котла - ТНН;

- котельный вентилятор - для котлов с вентиляторным дутьем, или добавительная паровая турбина ТНА - для ВНК;

- конденсатный, бустерный и питательный насосы КПС, которые часто объединяются в единый агрегат - ПКБТ (питательный конденсатно - бустерный турбоагрегат), имеющий единый мощный турбопривод;

- турбогенератор - ТГ, вырабатывающий электроэнергию для нужд судна.

Все перечисленные механизмы имеют различную мощность и могут использовать различные параметры свежего и отработавшего пара. Чем мощнее вспомогательный механизм, тем более высокие параметры пара на него должны подаваться, и тем меньшими должны быть параметры отработавшего пара.

По начальным параметрам используемого пара возможно применение турбомеханизмов, работающих;

- на полных параметрах пара, вырабатываемых главным котлом;

- на пониженных параметрах пара, которые достигаются; снижением давления и температуры пара, вырабатываемого котлом, в специальных редукционно-охлаждающих устройствах; подачей на турбоприводы насыщенного пара; добавкой в насыщенный пар части перегретого пара (слабоперегретый пар).

По конечным параметрам отработавшего пара различают турбоприводы вспомогательных механизмов, работающие на вакуум и на противодавление (систему отработавшего пара).

Учитывая изложенное, все турбоприводы вспомогательных механизмов по начальным и конечным параметрам используемого пара (в зависимости от потребляемой мощности) можно разбить на 4 группы (см. таблицу);

• группа 1А; механизмы, работающие на полных параметрах пара, и сбрасывающие отработавший пар в систему отработавшего пара;

• группа 2А; механизмы, работающие на полных параметрах пара, и сбрасывающие отработавший пар в главный конденсатор;

• группа 1Б; механизмы, работающие на пониженных параметрах пара, и сбрасывающие отработавший пар в систему отработавшего пара;

• группа 2Б; механизмы, работающие на пониженных параметрах пара, и сбрасывающие отработавший пар в главный конденсатор.

Для устойчивой работы главного и вспомогательного эжекторов при снижении нагрузки предусматривается система рециркуляции, обеспечивающая прокачку воды через холодильники эжекторов с помощью конденсатного насоса с расходом, обеспечивающим их надежную работу (~ 40 т/ч). Излишек конденсата через специальный регулятор - клапан рециркуляции - сливается обратно в главный конденсатор.

В реальной КТЭУ пар, помимо главных и вспомогательных механизмов, поступает в теплообменные аппараты (масло - и нефтеподогреватели), пароэжекторные холодильные машины,

испарительные установки и другое оборудование ГЭУ и общесудовых систем. Конденсат от «чистых» потребителей пара поступает в главный конденсатор, а от тех потребителей, в которых возможно его загрязнение
маслом или топливом - в цистерну «грязных» конденсатов. Конденсат из ЦГК, в зависимости от степени его чистоты, направляется или в главный конденсатор, или сливается в трюм.

Потребителями насыщенного или слабоперегретого пара в КТЭУ являются:

- пароструйные эжекторы (ГЭЖ, ВЭЖ);

- пароэжекторные холодильные машины;

- теплообменные аппараты (масло - и нефтеподогреватели);

- испарительные установки;

- системы парового отопления, подогреватели нефти в цистернах, бытовые нужды (камбуз, стиральные и гладильные машины), палубные механизмы (приводы паровых лебедок, якорных шпилей и др.).

Потребителями системы отработавшего пара являются:

- деаэратор или водоподогреватель поверхностного типа;

- система уплотнений турбин;

- иногда отработавший пар используется для испарения забортной воды в опреснительных установках.

Для сохранения количества рабочего тела и предотвращения попадания ГСМ в питательную систему главных котлов, конденсат от потребителей насыщенного или слабоперегретого пара принимается:

- от ПЭЖ, ВЭЖ - на главный конденсатор через гидрозатворы и конденсатоотводчики (разобщают аппараты с разными рабочими давлениями);

- от масло - и нефтеподогревателей, бытовых нужд, ПЭХМ и других потребителей - в цистерну «грязных» конденсатов.