Часть II. Котлотурбинные энергетические установки.

Учебное пособие. Северодвинск: Севмашвтуз, 2004. – 187 с.

 

 

Ответственный редактор: Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой

  № 7 Севмашвтуза

 

 

Рецензенты: Кондрашов Ю.В., Главный инженер ФГУП «ПО «Севмаш»;

Лычаков А.И., к.т.н., профессор, зав. кафедрой № 7

Севмашвтуза;

 

Учебное пособие представляет собой развернутый конспект лекций по курсу «Судовые энергетические установки» для студентов неэнергетических специальностей. В соответствии с программой курса рассмотрены различные типы энергетических установок, а также вспомогательные и электроэнергетические установки.

Пособие можно рекомендовать студентам энергетических специальностей с целью систематизации знаний и расширения кругозора в области энергетических установок

 

 

Лицензия на издательскую деятельность

Код 221. Серия ИД. №01734 от 11 мая 2000 г.

 

ISBN 5-7723-0403-8                                              © Севмашвтуз, 2004 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ

 

В курсе «Судовые энергетические установки» в общей форме, доступной для понимания, изложены основные сведения из области энергетических установок, которые могут быть полезны студентам неэнергетических специальностей при написании дипломного проекта. Данный курс также можно рекомендовать студентам энергетических специальностей с целью расширения кругозора и систематизации знаний в области энергетических установок.

Во вводной части пособия рассмотрены классификация энергетических установок, состав и назначение основных составных частей СЭУ, основные показатели СЭУ, характеризующие ее работу. Для облегчения восприятия дальнейшего материала студентами, не изучавшими курс теплотехники, приведены основные понятия и законы термодинамики и теории тепловых двигателей.

Дальнейший курс состоит из глав, в каждой из которых рассматриваются различные типы энергетических установок. Глава 1 посвящена дизельным, глава 2 – газотурбинным, глава 3 – котлотурбинным энергетическим установкам. Глава 3 содержит самостоятельные разделы, в которых последовательно рассматриваются судовые котельные установки, паротурбинные установки и тепловые схемы котлотурбинных энергетических установок. В каждой главе рассмотрены назначение, классификация, принцип действия и устройство основных составных частей данного типа установки; основы теории рабочих процессов, тепловые балансы и характеристики потерь энергии, способы уменьшения потерь энергии и повышения КПД, наиболее часто встречающиеся компоновочные схемы, принципы построения систем, обслуживающих работу данного типа СЭУ. В главе 4, основываясь на полученных ранее сведениях об основных типах СЭУ, рассмотрены комбинированные энергетические установки, получившие широкое применение в гражданском и военно-морском флоте. Глава 5 посвящена ядерным энергетическим установкам. С целью лучшего восприятия материала по данной теме, кратко изложены физические основы работы ядерных реакторов, рассмотрены назначение и устройство основных составных частей ядерных реакторов и парогенераторов, принципы построения схем ядерных энергетических установок с различными типами реакторов и теплоносителей.

В последней главе рассмотрены электроэнергетические системы, вспомогательные энергетические установки, способы передачи мощности от главных двигателей на движитель судна, экологические аспекты применения энергетических установок.

 

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

 

БЗК       – быстрозапорный клапан

БЗУ       – быстрозапорное устройство

БК         – байпасный клапан

ВГТ       – воздушно-газовый тракт

ВКУ      – вспомогательная конденсационная установка

ВМ        – вспомогательные механизмы

ВНК      – высоконапорный котел

ВНУ      – воздухонаправляющее устройство

ВПП      – водоподогреватель поверхностного типа

ВПС      – водоподогреватель смесительного типа

ВПУ      – валоповоротное устройство

ВРШ     – винт регулируемого шага

ВСК      – вспомогательный стопорный клапан

ВУП      – водоуказательный прибор

ВЭЖ     – вспомогательный эжектор системы уплотнений турбин

ГОУ      – газоочистное устройство

ГСК      – главный стопорный клапан

ГТД       – газотурбинный двигатель

ГТЗА              – главный турбозубчатый агрегат

ГТУ       – газотурбинная установка

ГЭЖ      – главный эжектор

ГЭУ      – главная энергетическая установка

ДЗ         – дроссельный золотник

ДПТ      – добавительная паровая турбина ТНА

ДРП      – двухимпульсный регулятор питания котла

ДЭУ      – дизельная энергетическая установка

ЕЦ         – естественная циркуляция

КИП      – контрольно-измерительные приборы

КО        – котельное отделение

КПД      – коэффициент полезного действия

КПС      – конденсатно-питательная система

КТЭУ    – котлотурбинная энергетическая установка

МК        – маневровый клапан

МКЗХ   – маневровый клапан заднего хода

МКО     – машинно-котельное отделение

МО        – машинное отделение

МПН     – маслоперекачивающий насос

МПЦ     – многократная принудительная циркуляция

МУ        – маневровое устройство

НМПЦ  – насос многократной принудительной циркуляции

ОРП      – одноимпульсный регулятор питания котла

ОСС      – общесудовые системы

ПК        – паровой котел

ПКБТ    – питательный конденсатно-бустерный турбоагрегат

ППП     – промежуточный перегрев пара

ПРДТ    – программный регулятор давления топлива

ПСУ      – паросиловая установка

ПТУ      – паротурбинная установка

ПЦ        – принудительная циркуляция

ПЦ МК – принудительная циркуляция малой кратности

РГ         – регулятор горения

РДВ      – регулятор давления воздуха

РДП      – регулятор давления пара

РДТ       – регулятор давления топлива

РПДТ    – регулятор перепада давления топлива

РРВ       – регулятор расхода воздуха

РТЗ       – регулирующий топливный золотник

РТН      – регулятор температуры нефти (топлива)

РТЦ      – расходная топливная цистерна

РУК      – регулятор уровня воды в главном конденсаторе

РУЗ ГТЗА – система регулирования, управления и защиты ГТЗА

РЦПВ   – расходная цистерна питательной воды

РЧВ       – регулятор частоты вращения

СК         – сопловый клапан

СЭУ      – судовая энергетическая установка

ТВД      – турбина высокого давления

ТВК      – турбовентилятор котельный

ТГ         – турбогенератор

ТЗХ       – турбина заднего хода

ТМН     – турбомасляный насос

ТНА      – турбонаддувочный агрегат

ТНД      – турбина низкого давления

ТНН      – турбонефтяной насос

ТОА      – теплообменный аппарат

ТПН      – турбопитательный насос

ТСД      – турбина среднего давления

ТЦН      – турбоциркуляционный насос

УК         – утилизационный котел

ФГН      – фильтр горячей нефти

ФХН     – фильтр холодной нефти

ХМ        – холодильная машина

ЦКТИ   – центральный котлотурбинный институт

ЭВК      – электровентилятор котельный

ЭМН     – электромасляный насос

ЭНН      – электронефтяной насос

ЭПН      – электропитательный насос

ЭУ         – энергетическая установка

ЯЭУ      – ядерная энергетическая установка

ГЛАВА 3.

КОТЛОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

 

 

 

Судовой котлотурбинной энергетической установкой – КТЭУ называется комплекс технических средств, предназначенных для выработки пара заданных параметров и преобразования энергии пара в механическую, электрическую и другие виды энергии для обеспечения движения и маневрирования судна, а также выполнения им других задач, характерных для данного класса судна.

Судовые котлотурбинные энергетические установки являются наиболее сложными среди всего многообразия других видов энергетических установок. По сложности и разветвленности систем с ними могут сравниться только ядерные энергетические установки. В свою очередь ядерные энергетические установки, в которых главным двигателем является паровая турбина, по своей сути аналогичны котлотурбинным, но в качестве генерирующей части для выработки пара в них используется не паровой котел, а ядерный реактор и парогенераторы.

 

В отличие от рассмотренных ранее дизельных и газотурбинных энергетических установок, в которых генерирующая и исполнительная части объединены в одном агрегате, все КТЭУ имеют раздельные генерирующую и исполнительную части. В качестве генерирующей части в КТЭУ используется котельная установка, предназначенная для выработки перегретого пара заданных параметров. В качестве исполнительной части используется паротурбинная установка, предназначенная для преобразования потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения линии вала судна.

 

Принципиальная схема КТЭУ (один из возможных вариантов) показана на рис. 1. Из расходной топливной цистерны топливным насосом жидкое топливо (мазут) подается на подогрев в нефтеподогреватель. Подогретое топливо через регулятор горения поступает в топку парового котла и распыливается в ней топливными форсунками. Сюда же, в топку котла, котельным вентилятором подается воздух, необходимый для сжигания топлива. При сжигании топлива в топке котла образуется большой объем горячих газов, омывающих при своем движении по газоходам расположенные там трубные поверхности нагрева котла: испарительную, пароперегревательную, экономайзерную и воздухоподогреватель. Поток горячих газов передает свою тепловую энергию нагреваемым средам: воде, пару и воздуху. Насыщенный пар, образующийся в испарительной части, проходит через пароперегреватель, в котором происходит повышение его температуры. Из котла перегретый пар отбирается через главный стопорный клапан, и по главному паропроводу подается в маневровое устройство главной паровой турбины. В маневровом устройстве, в зависимости от заданного режима движения судна, осуществляется распределение пара в сопловые аппараты турбины переднего хода через быстрозапорный клапан переднего хода, или в турбину заднего хода через маневровый клапан заднего хода. В паровой турбине происходит преобразование потенциальной энергии пара: сначала в сопловом аппарате в кинетическую энергию движущейся струи, а затем в каналах, образованных рабочими лопатками, в механическую энергию вращения ротора турбины. Крутящий момент ротора турбины через редукторную передачу передается на линию вала судна. Отработавший в турбине пар поступает в главный конденсатор, где при соприкосновении с трубками, прокачиваемыми забортной водой, охлаждается и конденсируется. Образовавшийся конденсат стекает в нижнюю часть главного конденсатора – конденсатосборник, и забирается оттуда конденсатным насосом. В главном конденсаторе, для обеспечения как можно большей степени расширения пара и улучшения условий работы последних ступеней турбины, поддерживается вакуум. Вакуум создается за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации в воду, и поддерживается работой пароструйного эжектора. Конденсатный насос через ионообменный фильтр, обеспечивающий снижение концентрации растворенных в воде солей, подает конденсат в водоподогреватель – деаэратор. В деаэраторе происходит предварительный подогрев питательной воды паром и удаление из нее растворенных газов. Подогретая и очищенная от растворенных солей и газов питательная вода забирается из деаэратора питательным насосом и через регулятор питания поступает в паровой котел.

Помимо главного цикла, описанного выше, пар в КТЭУ может подаваться на турбоприводы вспомогательных механизмов ГЭУ, различного рода теплообменники (водо-, масло-, нефтеподогреватели), пароструйные эжекторы, пароэжекторные или турбокомпрессорные холодильные машины, водоопреснительные установки, бытовые нужды судна (паровое отопление, прачечные, гладильные и сушильные помещения, камбузное оборудование), приводы палубных механизмов (паровые лебедки, шпили, брашпили) и другое механическое оборудование. Отработавший пар или конденсат от всех общесудовых потребителей пара возвращается обратно в цикл КТЭУ. Так как не исключена возможность загрязнения этого конденсата горюче-смазочными материалами или солями, то он сначала сбрасывается в цистерну «грязных» конденсатов, а далее, в зависимости от степени загрязнения, направляется в главный конденсатор или сливается в трюм. Неизбежные при работе КТЭУ протечки и потери воды и пара пополняются из расходной цистерны питательной воды, которая в свою очередь подпитывается водой, вырабатываемой в водоопреснительных установках.

Особенностью котлотурбинной установки, отличающей ее от рассмотренных ранее дизельных и газотурбинных энергетических установок, является тот факт, что процессы, образующие термодинамический цикл, происходят в разных частях (механизмах и теплообменных аппаратах) установки.

 

Рис. 1. Принципиальная схема котлотурбинной энергетической установки.   – главный паровой котел; – турбовентилятор котельный; – экономайзер; – воздух; – дымовые газы; – воздухоподогреватель; – регулятор питания котла; – главный стопорный клапан; – регулятор горения; – топливный фильтр; – быстрозапорный топливный клапан; – нефтеподогреватель; – греющий пар; – конденсат греющего пара; – топливные насосы; – расходная топливная цистерна; – регулятор давления; – маневровое устройство; – маневровый клапан заднего хода; – быстрозапорный клапан переднего хода; – сопловые клапаны переднего хода; – сопловый аппарат; – главный турбозубчатый агрегат; – турбина высокого давления; – турбина низкого давления; – турбина заднего хода; – редуктор;  – главный упорный подшипник; – главный конденсатор; – турбоциркуляционный насос; – конденсатный насос; – пароструйный эжектор; – ионообменный фильтр; – деаэратор; – питательный насос; – конденсатоотводчики; – расходная масляная цистерна; – масляный фильтр; – масляные насосы; – маслоохладитель; – турбоприводы ВМ машинного и котельного отделений; – теплообменные аппараты; – общесудовые системы.

Цикл котлотурбинной энергетической установки (применительно к схеме, изображенной на рис. 1) состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 2):

 

		–	адиабатное расширение пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в конденсатном насосе;
		–	изобарный подогрев конденсата в водоподогревателе (деаэраторе);
		–	сжатие подогретой питательной воды в питательном насосе;
		–	изобарный подогрев питательной воды в экономайзере котла;
		–	изобарный подогрев питательной воды до температуры насыщения в испарительной части котла;
		–	испарение котловой воды в испарительной части котла;
		–	изобарный перегрев пара в пароперегревателе котла;

 

 

 

 

Рис. 2. Термодинамический цикл котлотурбинной энергетической установки.

 

В зависимости от состава главных и вспомогательных механизмов, типа тепловой схемы, способа подогрева питательной воды, числа ступеней подогрева питательной воды, использования принципа промежуточного перегрева пара и других факторов, вид термодинамического цикла и процессы, из которых он состоит, могут в некоторой степени меняться.

 

Более подробно тепловые схемы КТЭУ и особенности их термодинамических циклов будут рассмотрены в разделе «Тепловые схемы КТЭУ».

Судовые паровые котлы