В статье авторы пытаются улучшить КПД судового парового котла и тепловой схемы судовой энергетической установки.
Ключевые слова: паровой котел, паротурбинная установка, главная энергетическая установка, тепловая схема, утилизационный котел, коэффициент избытка воздуха.
Паротурбинная установка — это постоянно действующий тепловой агрегат, рабочим телом которого являются вода и водяной пар. Паротурбинная установка преобразовывает потенциальную энергию сжатого и нагретого до высокой температуры пара в кинетическую энергию вращения ротора турбины. Паротурбинная установка включает в себя паровую турбину и вспомогательное оборудование.
Тип парового котла при проектировании определяют в зависимости от начальных параметров пара, типа главной энергетической установки, класса и назначения судна. Два важнейших принципа определяют тип современного парового котла: принцип организации движения воды и пара; принцип организации питания котла и продуктов сгорания.
Главные судовые паровые котлы должны удовлетворять целому ряду требований. Основными из них являются:
– эксплуатационная надежность;
– высокая маневренность;
– простота конструкции, удобство расположения и доступность к основным узлам котла при ремонте и обслуживании;
– долговечность;
– удовлетворять требования правил безопасности;
– способность работать на различных марках топлива;
– высокая экономичность в расходе топлива на всех нагрузках;
– малые габариты и масса;
– низкий уровень шума при работе;
– простота технологии изготовления, развитая степень унификации узлов и деталей, малые первоначальные затраты и эксплуатационные расходы.
Двумя важнейшими требованиями к судовым паровым котлам является эксплуатационная надежность и маневренность. Парогенераторы должны безотказно работать как при снижении давления пара, так и при понижении температуры питательной воды. Судовые паровые котлы с естественной циркуляцией должны надежно работать при наклоне 15... 20 ° и дифференте 5... 8 °. Конструкция основных узлов должна быть простой и доступной для ремонта, так как некоторые виды работ приходится осуществлять экипажу, который не имеет в своем распоряжении необходимых технических средств для ремонта.
Второе очень важное требование к судовым паровым котлам — это высокая маневренность. Маневренность парогенератора определяется временем, затрачиваемым на изменение режима работы, а также на его пуск и остановку. У прямоточного парогенератора это время значительно меньше, чем у парогенератора с естественной циркуляцией.
Все операции, связанные с переходом от одного режима к другому, должны проходить быстро и безаварийно. Продолжительность операций при маневре зависит от многих причин и, в частности, от принципа движения воды и пара, степени экранирования топки, металлоемкости, объема воды в трубах и коллекторах, организации подачи питательной воды, топлива и воздуха.
Проектированию паровых котлов предшествует начальная стадия проектирования главной энергетической установки, включающая разработку схемы термодинамического цикла (тепловой схемы) и составления теплового баланса пара.
Выбор типа парового котла выполняют на основе анализа технического задания, экономического обоснования и других условий.
Для разработки проекта парового котла или его проверочного расчета должны быть заданы следующие исходные данные:
1) паропроизводительность насыщенного или перегретого пара;
2) давление насыщенного пара в пароводяном коллекторе или перегретого пара в главном паропроводе (после основного пароперегревателя)
3) температура перегретого пара;
4) температура питательной воды;
5) коэффициент полезного действия (КПД) или температура выпускных газов;
6) марка топлива и состав его рабочей массы;
7) низшая теплота сгорания топлива.
При наличии промежуточного перегрева пара в задачи дополнительно включают данные о величинах давления и температуры пара при входе в промежуточный пароперегреватель и при выходе из него.
Существует несколько понятий паропроизводительности парового котла, а именно: номинальная (спецификационная), минимальная и максимальная. Номинальной (спецификационной) считают такую паропроизводительность, которая достаточна для того, чтобы обеспечить паром турбину в режиме полного хода судна. Ее также называют нормальной, расчетной, полной.
Под минимальной и максимальной паропроизводительностью понимают наименьшее или, соответственно, наибольшее количество пара, вырабатываемого паровым котлом в единицу времени при условии надежной и вместе с тем достаточно длительной его работы. Максимальная паропроизводительность назначается в зависимости от класса судна и превышает нормальную на 15... 35 %. Минимальная паропроизводительность, что составляет 10... 15 % от спецификационной, зависит от типа парового котла и определяется наименьшими затратами пара в стояночном режиме при эксплуатационной надежности.
Величину КПД котла при проектировании принимают в зависимости от типа и назначения судна, дальности плавания, допустимого запаса топлива, степени регенерации теплоты в энергетической установке, сложности и стоимости изготовления энергетического оборудования, величины эксплуатационных расходов и других факторов. Повышение КПД всегда приводит, при прочих равных условиях, к увеличению габаритов и массы парового котла. Следует иметь в виду, что чем выше значение КПД, тем ниже температура выпускных газов, тем ниже температура стенки труб «хвостовых» поверхностей нагрева (например, газовых подогревателей воздуха). Очень низкая температура для стенки труб нежелательна, так как при сжигании сернистых топлив в продуктах сгорания появляются пары серной кислоты, которые приводят к интенсивной сернистой коррозии труб, если не будут приняты специальные защитные меры.
КПД паровых котлов транспортных судов при проектировании принимают равным 92... 96 %. При проверочных расчетах КПД котла принимают с учетом его технического состояния, а также общей наработки.
Выбор величины коэффициента избытка воздуха α зависит от многих причин, в том числе от марки топлива, конфигурации, размера и степени форсирования топки, а также от конструкции топочных устройств. Величина коэффициента избытка воздуха для различных котлов находится в пределах α = 1,05... 1,25. Полное сгорание топлива в топке судового парового котла, обеспечивается при α = 1,1–1,15. При снижении нагрузки парового котла, коэффициент избытка воздуха увеличивают до значений α = 1,8... 2,5.
В настоящее время наблюдается тенденция снизить коэффициент избытка воздуха до величины α = 1,03... 1,05. Применение такой малой величины α дает ряд преимуществ. С уменьшением α уменьшается потеря тепла с выхлопными газами. При малых значениях α снижается опасность сернистой коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева. Наконец, снижается расход воздуха на горение топлива, а следовательно, и уменьшается мощность нагнетателей, подающих воздух в топку котла.
Теплообменная камера утилизационного котла своим входом соединена с камерой сгорания главного судового котла и выхлопными коллекторами вспомогательных и резервных двигателей внутреннего сгорания и дизель-генераторов, а выходом, ко всем возможным потребителям тепла на судне в порядке уменьшения требуемой температуры теплообмена. Водяной контур утилизационного котла через циркуляционный насос подключен к баку питательной воды и служит для повышения её температуры.
Полезные модели системы питания парового котла и тепловой схемы с глубокой утилизацией выхлопных газов позволяют повысить КПД и получить высокие энергетические и эксплуатационные характеристики судовой энергоустановки за счет оптимизации процесса утилизации выхлопных газов всех тепловых двигателей, а также уменьшить расход потребляемого топлива.
Литература:
- Баев С. Ф. Судовые компактные теплообменные аппараты. — Л.: Судостроение, 1965. — 240 с.
- Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. — М.: Энергия, 1975. — 488 с.
- Бажан П. И. Справочник по теплообменным аппаратам. — М.: Машиностроение, 1989. — 200 с.
- Енин В. И. Судовые паровые котлы. — М.: Транспорт, 1984. — 249 с.
- Лубочкин Б. И. Морские паровые котлы. — М.: Транспорт, 1970. — 368 с.
- Курзон А. Г. Основы теории проектирования судовых паротурбинных установок. — Л., Судостроение. 1974. — 536 с.
- Зайцев Ю. И. Основы проектирования судовых паровых турбоагрегатов. — Л.: Судостроение, 1974. — 440 с.
- Ривкин С. А., Александров А. А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. — М.: Энергоиздат, 1980. — 424 с.
