Системы СЭУ. Конспект лекций для курсантов специальности 26. 05. 06 Эксплуатация судовых энергетических установок очной и заочной форм обучения Керчь, 2021
 Скачать 6.64 Mb.
|
|
8.4 Особенности газотурбинных установок На рисунке 8.14 показано расположение оборудования ГТУ двухвального контейнеровоза типа «Евролайнер»: Рисунок 8.14 – Расположение оборудования ГТУ двухвального контейнеровоза типа «Евролайнер»: 1 — воздухоприемная шахта 2 — газовыпускной трубопровод 3 — глушители выпуска шума газовыпуска; 93 4 — вентилятор МО; 5 — ГРЩ; 6 — пульт управления ГТД; 7— ЦПУ; 8 — главный ГТД; 9 — главный редуктор 10 — валогенератор; 11 — насос забортной охлаждающей воды 12 — топливные фильтры ГТД; 13 — масляный фильтр редуктора 14 — валопровод; 15 — масляный насос редуктора 16 — ДГ; 17 — мастерская и кладовая 18, 19 — отстойная и расходная цистерны тяжелого топлива Особенность компоновки ГТУ, представленной на рисунке 8.14, заключается в том, что двигатель 8 представляет собой модульный блок, расположенный в корму от редуктора 9 над валопроводом и заключенный в тепло- и звукоизолирующий кожух, смонтированный на раме двигателя. Внос от редукторов установлены электрогенераторы мощностью по 1000 кВт, соединенные с силовой турбиной напрямую. Электрогенераторы обеспечивают судно электроэнергией вовремя работы главных ГТД на всех режимах, начиная от холостого хода до максимального, рассчитанных на частоту вращения 2000—3000 об/мин.' Вовремя стоянки судна работа ГТД на валогенератор может осуществляться либо при отключенном редукторе, либо при нулевом положении лопастей ВРШ. Пуск ГТД производится из ЦПУ, после чего управление ПУ может быть переключено на пост, расположенный в ходовой рубке. Принятая схема компоновки основных элементов ГТУ позволяет значительно сократить длину МО по сравнению с традиционной компоновкой, когда ГТД располагают внос от редуктора. Контрольные материалы для проверки усвоения учебного материала 1. Атомные судовые энергетические установки, принцип действия. 2. Атомные судовые энергетические установки, принципиальные схемы. 3. Преимущества и недостатки ЯСЭУ. 4. Газотурбинная судовая энергетическая установка. 94 Лекция №9 Вспомогательные СЭУ. Вспомогательные и утилизационные парокотельные установки, состав, назначение, область применения, системы котельных установок, тепловой баланс, КПД. Судовые насосы (2 часа) Цель занятия занятия направлены на формирование компетенций: ПК-5. Способен выполнять безопасные и аварийные процедуры эксплуатации механизмов двигательной установки, включая системы управления (З, З, У, У, ВПК Способен осуществлять подготовку, эксплуатацию, обнаружение неисправностей и меры, необходимые для предотвращения причинения повреждений следующим механизмами системам управления 1. Главный двигатель и связанные с ним вспомогательные механизмы 2. Паровой котел и связанные с ним вспомогательные механизмы и паровые системы 3. Вспомогательные первичные двигатели и связанные сними системы 4. Другие вспомогательные механизмы, включая системы охлаждения, кондиционирования воздуха и вентиляции (З, З, З, З, У, У, В. Методические материалы 1. Коршунов Л. П. Энергетические установки промысловых судов Л. П. Коршунов - Л Судостроение, 1991. – 360 с. 2. Соловьев, ЕМ. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учебник для средних спец. учебных заведений / ЕМ. Соловьев. - М Агропромиздат, 1986. - 183 с. 3. Судовые энергетические установки учебное пособие для вузов / ГА. Артемов и др. - Л Судостроение, 1987. - 477 с.Набор слайдов с иллюстрациями по теме лекции Учебное оборудование Аудитория, комплектованная учебной мебелью, доской и видеопроекционным оборудованием для презентаций, средствами звуковоспроизведения, экраном. Последовательность изложения учебного материала 9.1 Схема котельной установки Основу котельной установки составляет паровой котел. Паровой котел - это теплообменный агрегат, предназначенный для производства водяного пара с заданными параметрами в результате превращения химической энергии топлива в тепловую энергию пара. Котельная установка одна из составляющих СЭУ. На судах флота рыбной промышленности пар потребляется на технологические нужды - производство муки, консервов, а также на подогрев топлива и масла, воды, для личных потребностей экипажа - стирка белья, другие санитарные нужды. Современная котельная установка - это совокупность различных систем и устройств, предназначенных для обслуживания парового котла. На судах флота РП устанавливаются вспомогательные паровые котлы. Главные паровые котлы устанавливают на судах, где главная СЭУ - это паротурбинная установка, которая работает на движитель через ТЗА (турбозубчатый агрегат. Принципиальная схема котельной установки изображена на рисунке 9.1. 95 Рисунок 9.1 - Схема котельной установки Установка состоит из парового котла 7 и вспомогательных механизмов и агрегатов, которые подают в котел питательную воду, топливо и воздух. Питательная вода в водяное пространство котла нагнетается насосом 5 через подогреватель 6. Жидкое топливо (мазут) насосом 11 через подогреватель 16 и топливный фильтр 9 подается к форсунке 8. Воздух засасывается вентилятором 2 и через подогреватель 1, установленный в дымовой трубе, нагнетается в топку 12. В топке котла распыленный форсункой 8 мазут, смешиваясь с воздухом, сгорает и образующаяся при этом теплота вдет на нагрев воды, из которой получается пар. Приоткрытом клапане 3 пар отводится к потребителям по трубопроводу 4. Топливо в расходной цистерне 13 подогревается змеевиком 15, в который поступает пар по трубопроводу 14. Подогрев питательной воды и топлива в подогревателях 6 и 10, а также в расходной цистерне 13 теплотой отработавшего пара и подогрев воздуха в подогревателе 1 теплотой отводимых газов повышают экономичность котельной установки, т.к. на подогрев топлива и воздуха перед сгоранием в топке и на получение пара из предварительно подогретой питательной воды (до 40-60° С) расходуется меньше теплоты, а следовательно, и топлива. 9.2 Схема устройства и принцип действия парового котла Водотрубный котел, одна из принципиальных схем которого показана на рисунке 9.2, состоит из цилиндрических барабанов - коллекторов, которые соединены трубками небольшого диаметра (29-57 мм, заполненными водой и обогреваемыми горячими газами. Пространство в котле, заполненное водой - нижний водяной коллектор, водогрейные трубки и часть верхнего пароводяного коллектора - называется водяным пространством, а занимаемая паром — верхняя часть парового коллектора - паровым пространством. Поверхность воды, разделяющее паровое и водяное пространства, называется зеркалом испарения, а его проекция на вертикальную плоскость - уровнем воды в котле. Уровень воды в котле должен сохраняться постоянным посредством непрерывного возмещения питательными насосами испаряющейся жидкости. Поверхность, омываемая с одной стороны водой, паром или воздухом, ас другой газами, называется поверхностью нагрева. Поверхностью нагрева, служащая для испарения воды, называется испарительной поверхностью котла. 96 Рисунок 9.2 - Принципиальная схема водотрубного котла с естественной циркуляцией 1 - топливо 2 - перегретый пар 3 - питательная вода 4 - атмосферный воздух 5 - воздухоподогреватель; 6 - экономайзер; 7 - насыщенный пар 8 - второй конвективный пучок 9 - первый конвективный пучок 10 - пароперегреватель; 11 - лучевоспринимающая (радиационная) поверхность Из парового пространства большая часть насыщенного пара направляется в пароперегреватель, где повышается его температура. Испарительная и пароперегревательная поверхности являются основными поверхностями нагрева котла. Для снижения потери тепла с отходящими газами, а следовательно, повышения КПД за основными поверхностями нагрева в газоходе котла устанавливают поверхности, служащие либо для подогрева питательной воды (водяной экономайзер), либо для подогрева воздуха (воздухоподогреватель). Иногда устанавливают одновременно водяной экономайзер и воздухоподогреватель. Горячие газы, образующиеся при сгорании мазута в топке 14, двигаются к газоходу 15 и пересекают конвективные пучки труби. Первые ряды трубок, расположенные ближе к топке, воспринимают больше теплоты, чем трубки последних рядов. Поэтому в первых рядах трубок за один и тот же промежуток времени образуется больше пара, чем в трубках, расположенных дальше от зоны горения. Т.к. пар в несколько сотен раз легче воды, занимающей тот же самый объем, то плотность пароводяной смеси в первых рядах конвективного пучка 9 и 8 будет меньше чем в последних рядах. Следовательно, в течении всего времени работы котла в его трубках происходит непрерывное движение воды и пароводяной смеси, направленное вверх в трубках 97 первых рядов. Это движение воды внутри котла, вызываемое неодинаковым нагревом трубок, называется естественной циркуляцией воды в котле. Трубки, по которым вода и пароводяная смесь поднимается вверх, называются подъемными, а трубки, по которым вода опускается - опускными. Пар из подъемных трубок попадает в пароводяной коллектор, проходи толщу воды и собирается над поверхностью воды. Так образуется насыщенный пар. Массовый расход среды в сложном контуре Дцк, равный расход воды через спускные трубы, значительно превышает количество образующегося в контуре пара Дпк. Отношение Дцк и Дпк называется кратностью циркуляции воды в этом контуре, те. Кк = Дц.к./Дц.к.. Применительно ко всему паровому котлу среднее значение кратности циркуляции получим по формуле К = Дц/Дп, где Дц - количество воды, поступающей в единицу времени вовсе опускные трубы ПК, кг/с; Дп - количество пара, образующегося за это же время в паровом котле, или просто паропроизводительность, кг/с. Кратность циркуляции вспомогательных вертикальных водотрубных ПК находится в пределах 20-40 и более. То. количество воды, циркулирующей по контуру, в десятки раз больше паропроизводительности контура. Скорость входа воды в подъемные трубы называется скоростью циркуляции, которая в экранных трубах и трубах первого ряда достигает 1,1-2,4 мс и 0,3-0,9 мс в трубах последующих рядов. В опускные трубы поступает вода, которая представляет собой смесь питательной и кипящей воды, выходящей из подъемных труб. Т.к. температура питательной воды ниже температуры кипящей, тов опускные трубы входит вода, недогретая до кипения. По мере опускания воды в необогреваемой трубе недогрев воды увеличивается из-за повышение давления на величину массы столба воды за вычетом напора, израсходованного на преодоление гидравлического сопротивления. Тов подъемные трубы поступает недогретая до кипения вода. Поэтому на некотором участке подъемной трубы называется экономайзерным, происходит лишь подогрев воды закипание происходит лишь в точке К. Тот участок, по которому движется пароводяная смесь выше точки К) называется паросодержащим. Его высоту от точки К до уровня зеркала испарения в пароводяном коллекторе обозначают Нпар. Из теплового подъема трубы можно определить положение точки К и величину Нпар. Зная высоту паросодержащего участка, найдем движущий напор циркуляции S = Нпар(Рв - Рсм)g (9.1) где Рв - плотность воды, кг/м; Рсм - плотность пароводяной смеси g = 9,81 м/сек - ускорение свободного падения. Предельное значение коэффициента циркуляции не должно быть менее 4, те. Кв противном случае прекращается циркуляция воды и наступает опрокидывание котла (застой. На промысловых судах используются вспомогательные котлы низких параметров. Давление пара обычно не превышает 1,2 МПа (12 кгс/см 2 ). Температура насыщенного пара при этом от 152° С при р = 0,5 МПа до 188° С при 1,2 МПа (12 кгс/см 2 ). Процесс перехода жидкости в пар называется парообразованием, а пар в жидкость - конденсацией. Пар, находящийся в динамическом равновесии с жидкостью, из которой он получен, называется насыщенным. Процесс кипения происходит при определенной температуре, те, 98 при t = const, называемой температурой кипения или температурой насыщения ts, давление р при котором происходит кипение также постоянно, тер Основы теплопередачи В общем случае тепло может передаваться нагретому телу теплопроводностью, конвекцией и излучением. Теплопроводность - это процесс перехода тепла внутри тела, осуществляемый непосредственным соприкосновением отдельных его не перемещающихся частиц он может происходить в твердом, жидком и газообразном теле. Конвекция - это процесс теплообмена в движущихся массах жидких и газообразных тел, происходящий путем перемещения частиц и их взаимного перемешивания он сопровождается и теплопроводностью в самом теплоносителе. Тепловое излучение - это процесс распространения энергии электромагнитными волнами. При передаче теплоты излучением тепловая энергия горячего тела превращается в энергию излучения. Энергия излучения, встречая на своем пути какое-либо тело, частично или полностью может опять превратится в тепловую энергию, воспринимаемую этим телом. Совокупное действие теплопроводности, конвекции и теплового излучения при теплообмене называется теплопередачей. Во всех частях парового котла участвуют все виды распространения тепла. Однако в зависимости от теплового источника и конструкции котла в разных его частях преобладает один из указанных способов распространения- тепла. Так, например, поверхность нагрева, обращенная к топке, воспринимает преимущественно тепло, излучаемое факелом пламени или раскаленным горящим слоем твердого топлива, и ее называют лучевоспринимающей радиационной) поверхностью. В других частях котла тепло от газов передается поверхностям нагрева преимущественно конвекцией такие поверхности называются конвективными. Поверхности нагрева, которые не расположены на пути движения газов и воспринимают в основном энергию излучения, называются экранными поверхностями. Процесс теплообмена и горения топлива в топке котла схематически показан на рисунок 9.3. 1. Площадь поверхности нагрева - это площадь поверхности всех металлических стенок котла, которая с одной стороны обогревается пламенем горящего топлива и дымовыми газами, ас другой стороны омывается водой. Этот параметр позволяет судить о размерах котла. Он обозначается буквой Ни обозначается в м со стороны, омываемой газами. В современных главных ПК Нм, а вспомогательных - 10-1000 м 2 Рисунок 9.3 - Схема теплообмена в топке котла 99 1 - лучевоспринимающая поверхность 2 - кирпичная обмуровка; 3 - раскаленные газы 4 - факел пламени или слой раскаленного топлива Основные характеристики паровых котлов 2. Паропроизводительность ПК — это количество пара, производимое котлом в единицу времени при заданных параметрах пара (Р и t°C); обозначается она буквой Д и измеряется в тоннах/час (т/час) или в кг/час, кг/сек. Паропроизводительность главных ПК 5-60 т/ч, вспомогательных 0,5 - 12 т/час. 3. Удельный паросъем представляет собой количество пара т/м 2 ∙час или кг/м 2 ∙час получаемого см поверхности нагрева в единицу времени ДН Удельный паросъем характеризуется интенсивностью работы котла. На современных судах с каждого метра поверхности нагрева снимается до 0,06 т/час пара. 4. К параметрам пара относятся рабочее давление Р и температура. Состояние перегретого пара определяют два параметра - давление Р и t°C, а насыщенного Р, t°C и степень сухости х или влажности. В установках с паровыми машинами применяется пар с избыточным давлением 1,5-2 МПа и температурой 300 - С, а для паровых турбин параметры пара в современных ПК вырабатываются до Р = 4,0 - 4,2 МПа и t°C = 420 - 450. 5. Коэффициент полезного действия - КПД - это отношение количества теплоты, использованной для получения пара к теплоте, выделившейся при сгорании топлива в ПК. Для вспомогательных ПК КПД - 0,76 - 0,82, а для главных ПК - до 0,93 - 0,96. Это значит, что во вспомогательных ПК 76 - 82% теплоты ушло на парообразование, у главных ПК - 0,93 - 0,96. 7. Температура питательной воды на входе в пароводяной коллектор - 40 - С. 8. Сухая масса ПК (без воды Си с водой Си В, кг, т. 9. Относительное водосодержание g B = В /Д, кг м 2 ∙час (где Д - паропроизводительность 9.4 Классификация паровых котлов Паровые котлы классифицируются по ряду признаков 1. Главные и вспомогательные - по назначению. 2. По конструкционному исполнению - водотрубные, в которых вода циркулирует по трубкам, а газы между трубками огнетрубные, у которых газы проходят внутри трубок, а вода между труб комбинированные котлы соединяют в себе отдельные элементы водотрубных и огнетрубных котлов. 3. Породу используемого топлива - котлы, работающие на жидком (мазут) и твердом уголь) топливе. Вспомогательные котлы работают на мазуте, утилизированные на теплоте выхлопных газов ДВС - 380 - С. 4. По типу циркуляции воды и пароводяной смеси - котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительной циркуляцией, у которых движение воды создается насосом утилизатором. 100 5. По виду тяги - котлы с искусственной тягой, у которых непрерывная подача воздуха в топку котла и удаление продуктов сгорания осуществляется с помощью котельного вентилятора, и котлы с естественной циркуляцией, у которых тяга осуществляется с помощью дымной трубы. У современных вспомогательных ПК применяется комбинированная тяга. 9.5 Тепловой баланс ПК Эффективность рабочего процесса, осуществляемого в вспомогательном или водогрейном котле, характеризуется коэффициентом полезного действия ПК - КПД. Теплота, поступающая в топку ПК, разделяется на полезно используемую (для производства пара или горячей воды) и на тепловые потери. Тепловой баланс составляет для установившегося режима, те. такого режима, при котором расходы пара, продуктов сгорания, воздуха и их параметры вовремя работы не изменяются. Количество теплоты, поступающей в топку в расчете на 1 кг топлива, складываются из следующих составляющих низшей температуры сгорания мазута (39500 - 39700 кДж/кг); теплоты, внесенной атмосферным воздухом, Iх.в.; физической теплоты воздуха i TJI ; теплоты, внесенной распиливающим (форсуночным) паром при применении паромеханических или паровых форсунок, ф большая часть этой теплоты расходуется на генерацию пара или парогрев воды и называется полезно использованной теплотой Q 1 , кДж/кг. Остальная часть теплоты расходуется на тепловые потери с уходящими газами 1 ук вследствии неполноты сгорания Q 3 — химической, механической неполноты сгорания Q 4 и наружного охлаждения Q 5 . При установившемся режиме приход топлива равен расходу, терн+ 1 тл + ф = Q l + 1 ук + Q 3 + Q 4 + Q 5 При некоторых преобразованиях уравнение теплового баланса примет вид р р =Q l +Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 (9.5) 2. То. Q 2 - потери тепла с уходящими газами. Эти потери зависят от конструкции котла. С увеличением коэффициента избытка воздуха аи уходящих газов потери увеличиваются. При загрязнении накипью внутренней пароводяной поверхности ПК, а также поверхностей со стороны топки сажей резко ухудшается теплоотдача вводу, температура уходящих газов увеличивается, ас ними увеличивается Q 2 , те. потери тепла. У современных ПК с развитой хвостовой частью (пароперегреватели, экономайзеры, воздухоподогреватели) потери тепла с отходящими газами составляют 5 - 23%. Q 2 - самая значительная из всех тепловых потерь. Для ВПК Q2 ближе к величине предела. 3. Потери тепла от химической неполноты сгорания топлива Q 3 . продукты сгорания топлива в топке котла при недостатке кислорода Она отдельных участках зоны сгорания в условиях низких температур горения образуют СОН, СН 4 и углеводороды, те. продукты неполного сгорания. Ориентировочно можно считать, что Q 3 ≈ 3 - 3,5%. 4. Потери тепла от физической неполноты сгорания Q 4 происходят по причине плохого смешивания с воздухом, плохой работы форсунки, неправильной регулировки факела и др. причинами составляют до 0,5%. В расчетах этими величинами обычно пренебрегают. 5. Потери тепла во внешнюю среду лучеиспусканием Q 5 обычно объясняются отдачей тепла во внешнюю среду всеми нагретыми частями котельной установки. Величина этих 101 потерь зависит от размеров, качественной теплоизоляции ПК. Обычно потери тепла во внешнюю среду лежат в пределах 1 - 6%. Если все члены уравнения теплового баланса выразить в процентах от Q p p , то уравнение теплового баланса запишется следующим образом 100 = q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + где q i = (Q i / Q p p )∙100 КПД ВПК можно выразить следующей зависимостью, если ВПК выдает только насыщенный пари если пренебречь теплотой, удаляемой с продувочной водой (что вполне допустимо р р НП Q В i i * ) ( Д ПВ НП (9.8) где Д нп. - производительность насыщенного пара, кг/ч; п. - интальпия насыщенного пара, кДж/кг; i ПВ - интальпия питательной воды, кДж/кг; В - часовой расход топлива, кг/час; Q p p - располагаемая теплота в расчете на 1 кг топлива, кДж/кг. ; ф ТЛ Q i Q Q р н р р ; * ТЛ ТЛ ТЛ t С i (где C ТЛ = l,74; t ТЛ = 110-115°C К характеристике топлив для котлов Основными характеристиками всех видов топлив являются элементарный состав и теплота сгорания. К числу важных характеристик жидкого топлива следует отнести вязкость, плотность, температуру застывания, вспышки и воспламенения, а также наличие влаги и твердых механических примесей. Топливо, подаваемое в топку, называется рабочим, а его масса - рабочей. 1. Элементарный состав топлива из ми элементов. C p + H p + S р Л + N p + O p + A p + W p = 100% горючие элементы - С, Н, S, остальные N - азот, О - кислород, W - влага, А - механические примеси зола - балласт, теплотворную способность топлива. 2. Если из топлива удалить влагу, то останется сухая масса C C + С + S С Л + N C + Ос + A C =100% Если использовать влагу и золу, то останется горючая масса С г + Н г + ГЛ + О г = 100% (9.12) 102 л к+ S o - S K - колчеданная, горючая сераорганическая, негорючая. S K -> (FeS 2 , ZnS); S 0 ->(CaSO 4 , MgSO 4 ) В зависимости от содержания серы в топливе оно может быть малосернистым, где S < 0,5%, сернистым, где 0,5% < S < 2% и высокосернистым где 2% < S < 3,5%. Теплота сгорания топлива - это количество теплоты, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива, которая определяется в калориметрической колбе. Q p н - количество теплоты, выделившейся при сгорании 1 кг топлива без учета конденсации водяных паров. Для мазута Q p н = 39500 - 39700 кДж/кг. Реакция горения Горение топлива представляет собой химический процесс быстрого соединения окисления) горючих элементов топлива с кислородом воздуха, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным тепловыделением. Различают полное и неполное сгорание. Сгорание называется полным, если горючие элементы топлива полностью сгорели, те. окислились полностью. При полном сгорании образуется углекислый газ СО, водяные пары НО и сернистый газ При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания наряду с перечисленными выше соединениями находятся окись углерода СО, водород Н, метан СН 4 и другие углеводороды. Расчеты химической реакции горения - это определение количества воздуха необходимого для горения топлива (таблица 9.1). Таблица 9.1 - Количество необходимого для горения кислорода и образующихся продуктов сгорания в расчете на 1 кг горючего элемента топлива. Горючие элементы топлива Конечный продукт горения Количество кислорода Количество продуктов сгорания кг/кг мкг кг/кг мкг Углерод, С Углекислый газ СО 2,67 1,87 3,67 1,87 Окись углерода СО 1,33 0,935 2,33 1,87 Водород, Н 2 Водяные пары НО 8 5,6 9 11,2 Сера, S Сернистый ангидрид SO 2 1 0,7 2 0,7 Для технических расчетов принимают следующий состав сухого воздуха объемная доля О - 21%, массовая доля — 23,2%; объемная доля N 2 - 79%, массовая доля - 76,8%. Тогда количество сухого воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг топлива будет 2 , 23 100 100 8 67 , 2 л 0 р р Р О S Н С l кг/кг после преобразования 103 232 , 0 8 67 , 2 л 0 р р Р О S Н С l кг/кг При С = 86%, S = 0,5%, НО. а 14,5 кг/кг, те. 4 , 14 23 , 0 05 , 0 05 , 0 13 , 0 8 86 , 0 67 , 2 0 l кг/кг Для полного сгорания топлива в топку необходимо подавать несколько большее количество воздуха, а именно I, тогда а = l/l 0 =1,05-1,3 где а - коэффициент избытка топлива. |