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.
|
|
6.6. Конденсатно-питательные и паровые системы На судах с ПТУ конденсатно-питательная система является основными наиболее сложным звеном тепловой схемы установки, связывающим между собой ГК и главный котел. Она состоит из собственно конденсатно-питательнои системы и системы дистиллята и бидистиллята. Конденсатно-питательная система служит для забора конденсата из конденсатора, приема, хранения и подачи питательной воды к котлам, подогревателям, фильтрам, элементам регулирования и управления системой. Система дистиллята и бидистиллята обеспечивает забор дистиллированной и бидистиллированной воды из ВОУ, хранение и подачу ее для подпитки конденсатно-питательнои системы. 44 6.7 Общее уравнение теплового баланса Тепловой баланс – это распределение располагаемой (возможной к использованию) теплоты между полезной работой и различными потерями. Общее уравнение теплового баланса имеет вид ПОТ e Т Q Q Q (6.1) где, Т- располагаемая теплота, выделившаяся при сгорании топлива или подведенная от стороннего источника энергии e Q - теплота, эквивалентная эффективной работе ПОТ- потери теплоты. Тепловую эффективность работы оборудования принято оценивать коэффициентом полезного действия (КПД ȵ = Т / (6.2) 6.8 Уравнение теплового баланса для судовой энергетической установки Потоки энергии в СЭУ имеют сложный характер, обусловленный наличием нескольких видов энергии химической энергии топлива, механической, электрической, тепловой — в виде энергии пара, горячей воды, выпускных газов, нагретого масла, потенциальной сжатого воздуха или пара. Для судовой энергетической установки с дизельной установкой, уравнение теплового баланса можно записать в виде ПОТ e Т Q Q Q (где, Т - сумма химической теплоты, выделившаяся при сгорании топлива в главных и вспомогательных двигателях, парогенераторах, другом оборудовании e Q - сумма эффективных мощностей главных двигателей, дизельгенераторов, котлов, другого оборудования, выраженная в мощностях потоков энергии ПОТ- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого их вида. При расчете теплового баланса необходимо учесть использование вторичных источников энергии теплоту и давление отработавших (выхлопных) газов, теплоту, отводимую от охлаждающего контура пресной воды самого дизеля и от охладителя наддувочного воздуха и т.д. Например, сокращение паропроизводительности вспомогательных котлов за счет установки утилизационных котлов, или использование охлаждающей воды ДВС в водоопреснительных установках и т.д. Судно в процессе эксплуатации имеет несколько режимов работы. Для промысловых судов основными режимами работы являются - ходовой режим перехода к месту промысла - работа на промысле - ходовой режим перехода от места промысла с продукцией - стоянка в порту - стоянка на рейде - аварийный режим - другие режимы. На каждом из режимов двигатели и другое оборудование имеет разную загрузку. Так, для промысловых судов, если судно находится в ходовом режиме перехода к месту промысла, то главные двигатели работают в номинальном режиме, электростанция загружена на 20…30%, в случае установки утилизационных котлов – вспомогательные котлы практически без нагрузки, рефрижераторная установка загружена также мало. Если судно находится в 45 ходовом режиме перехода от места промысла (с продукцией, то главные двигатели работают в номинальном или максимальном режиме, электростанция загружена на 30…40%, вспомогательные котлы загружены на 50-100 %, рефрижераторная установка загружена на 90…100%. То есть, в соответствии с загрузкой оборудования, для каждого режима работы судна существует свой тепловой баланс СЭУ. 6.9 Тепловой баланс ДВС Тепловой баланс ДВС имеет вид ПОТ e Т Q N Q (6.4) или ПОТ e р н e Q N Q B 3600 / (где Т - теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт e B - расход топлива, кг/час; р н Q - низшая теплота сгорания топлива, кДж/час; e N - эффективная мощность двигателя – это мощность, измеряемая на выходном фланце коленчатого вала, для дизельредукторных агрегатов (ДРА) эффективная мощность измеряется на выходном фланце редуктора, кВт ПОТ- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт. Двигатели внутреннего сгорания относятся к числу наиболее экономичных двигателей. КПД лучших образцов ДВС достигает 50—51 %, однако ив них теряется значительное количество теплоты около 30—40 % с выпускными газами, 10—20 % с охлаждающими средами (вода, масло. На рисунке 6.1 представлена типовая диаграмма теплового баланса судовых ДВС. Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q т Рисунок 6.1 - Типовая диаграмма теплового баланса судовых ДВС Полезная работа — пол характеризуется эффективным КПД двигателя – е. 46 К потерям энергии относятся н — теплота, рассеиваемая двигателем в окружающую среду и неучтенные потери q M — теплота, отводимая с охлаждающим маслом вод — теплота, отводимая от двигателя с охлаждающей водой в — теплота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, данный вид потерь имеет существенное значение и учитывается при высоких степенях наддува q вг — теплота, отводимая с выпускными газами двигателя. Большие значения КПД – для ДВС большей мощности, меньшие для ДВС небольшой мощности. При мощности ДВС менее 200 кВт, нижнее значение КПД может уменьшиться на 5%. Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов 1. Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рассеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери. 2. Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рассеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери. 3. Тепловой баланс дизеля зависит от его типа. При этом принята следующая классификация дизелей по частоте вращения n об/мин: Малооборотные дизеля (МОД) n = 90…300 об/мин; среднеоборотные дизеля (СОД) n = 300…1000 об/мин; высокооборотные дизеля (ВОД) n≥ 1000 об/мин. 4. Наибольший КПД и соответственно наименьший удельный расход топлива, у МОД, наибольший – у ВОД. 6.10 Тепловой баланс котлов Котлы (парогенераторы) относятся к наиболее совершенным преобразователям энергии. Их КПД составляет в среднем 80- 95%. Котлы подразделяются 1. по назначению - главные, вырабатывающие пар для главных двигателей и других потребителей вспомогательные, обеспечивающие всех судовых потребителей (кроме главных двигателей) паром или горячей водой. В отдельных случаях, как например, на супертанкерах типа Крым, вспомогательные котлы могут обеспечивать паром и главные турбины при внештатных режимах работы судна 2. породу производимого теплоносителя - производящие пар (перегретый, охлажденный, насыщенный производящие горячую воду (водогрейные котлы 3. породу используемого топлива - использующие жидкое топливо (мазут или дизельное газообразное топливо (метан твердое топливо (каменный уголь. К отдельной группе относят вспомогательные утилизационные котлы, не имеющие топки и использующие теплоту уходящих газов ДВС или газовых турбин средней и большой мощности. Тепловой баланс котлов имеет вид ПОТ ПОЛ Т Q Q Q (или для парогенераторов ПОТ пв пр пр пв н н охл пе охл пв пе пе р н e Q i i D i i D i i D i i D Q B 3600 / )] ( ) ( ) ( ) ( [ 3600 / (6.7) для водогрейных котлов ПОТ пв пр пр пв н н охл пе охл пв пе пе р н e Q i i D i i D i i D i i D Q B 3600 / )] ( ) ( ) ( ) ( [ 3600 / (6.8) 47 где Т - химическая теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт ПОЛ - полезная работа, определяемая количеством и качеством вырабатываемого теплоносителя (пара или воды, кВт- расход топлива, кг/час; р н Q - низшая теплота сгорания топлива, кДж/час; н охл пе D D D , , паропроизводительность котла по перегретому, охлажденному и насыщенному пару, кг/час; пр гв пв н охл пе i i i i i i , , , , , энтальпия перегретого, охлажденного, насыщенного пара, питательной, горячей, продувочной воды соответственно, кДж/кг; пр- потери с продувочной водой, кг/час. Для водогрейных котлов и котлов, производящих только насыщенный пар в данных расчетах не учитываются ПОТ- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт. На рисунке 6.2 показана диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения. Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q т Полезная работа — пол, характеризуется КПД котла – к. К потерям энергии относятся q 5 — потери тепла в окружающую среду и неучтенные потери q 4 — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, для котлов на жидком топливе принимаются равным нулю q 3 — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива q 2 — потери тепла с уходящими газами. Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов 1. Наибольшие потери – это потери с уходящими газами. 2. Тепловой баланс котла зависит от его типа. Главные котлы имеют большой КПД, т.к. на них установлено предельно развитое хвостовое хозяйство – многосекционные экономайзеры и воздухоподогреватели, а также применены другие конструктивные усовершенствования. Тепловой баланс пароперегревателей, имеющих собственную топку, имеет вид аналогичный и рассчитывается аналогично. Тепловой баланс утилизационных котлов (УК) рассчитывается аналогично расчету теплообменных аппаратов, что изложено далее. 48 Рисунок 6.2 - Диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения 6.11 Тепловой баланс теплообменных аппаратов Тепловой баланс, рассматриваемый в данном разделе, относится к теплообменным аппаратам (ТА) и оборудованию применяемых в СЭУ: подогреватели питательной воды котлов, охладители воды, масла, подогреватели топлива, утилизационные котлы и т.п. Для теплообменных аппаратов, то есть оборудования, не использующего энергию сгорания топлива непосредственно, а получающего располагаемую теплоту в виде теплоносителей с определенной энергией (пар, горячая вода ит.д.) уравнение теплового баланса в общем виде имеет вид ОС ОТВ ПОЛ ПОД Q I Q I (6.9) где ПОД- энтальпия теплоносителя, на входе в ТА, для УК- энтальпия выхлопных газов ДВС; ПОЛ- теплота, преобразованная в полезную энергию, для УК – определяется количеством и качеством производимого пара или горячей воды аналогично вспомогательным котлам ОТВ- энтальпия теплоносителя, на выходе из ТА, для УК - УХ I энтальпия продуктов сгорания выходящих из УКОС- потери в окружающую среду от ТА. На рисунке 6.3 показана диаграмма теплового баланса основных потоков энергии для теплообменных аппаратов (утилизационного котла. Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята энтальпия теплоносителя на входе вТА - i под i под =100% 49 Рисунок 6.3 - Диаграмма теплового баланса для теплообменных аппаратов КИТ – коэффициент использования тепла УК – утилизационные котлы ТО – теплообменные аппараты в целом Полезная работа — пол, определяется количеством и качеством воспринятой энергии количеством, энтальпией, температурой и давлением произведенного пара, количеством и разностью температур охлажденной воды и т.п.), косвенно характеризуется коэффициентом использования теплоты – т. В свою очередь коэффициент использования теплоты определяется по формуле т φ•q пол /q под (6.10) где φ – коэффициент сохранения теплоты, который зависит от потерь в окружающую среду. К потерям энергии относятся q 5 — потери тепла в окружающую среду ух — энтальпия теплоносителя на выходе из ТА. Анализируя диаграмму можно сделать вывод - коэффициент использования теплоты, т, изменяется в широких пределах. 6.12 Тепловые балансы агрегатированного вспомогательного оборудования Агрегатированное вспомогательное оборудование СЭУ, в дальнейшем агрегаты, - это дизель- и турбогенераторы, дизель- и турбонасосы, дизель- компрессоры и т.п. Они состоят из двух единиц оборудования – привода и преобразователя механической энергии, установленных на общей переходной раме или на общем судовом фундаменте и функционально связанных. Приводы бывают двух типов дизельный и турбинный. Дизельный привод превращает в механическую энергию вращения выходного вала (N e ) химическую энергию сгорания топлива, турбинный - превращает в механическую энергию во внутреннюю энергию рабочего тела (пара или масла. Преобразователи механической энергии (генераторы, насосы, компрессоры и т.п.) превращают механическую энергию вращения входного вала в другой вид энергии (электрическую, сжатый воздух, давление перекачиваемой жидкости и т.п.). ух 50 Рассмотрим тепловой баланс агрегата на примере дизель – генератора (рисунок 6.4). Рисунок 6.4 - Схема основных потоков энергии дизель-генератора N e - мощность дизеля Р – мощность генератора электрического тока (генератора) Тепловой баланс для дизель-генераторов имеет вид ГЕН ПОТ ВД ПОТ e Т Q Q P Q (6.11) или ГЕН ПОТ ВД ПОТ e р н e Q Q P Q B 3600 / (где Т - теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт В - расход топлива ВД, кг/час; р н Q - низшая теплота сгорания топлива, кДж/час. ВД ПОТ Q - потери теплоты в ВД, кВт ГЕН ПОТ Q -потери теплоты в генераторе, кВт Р – мощность генератора ГЕН (где e N - эффективная мощность ВД, кВт ГЕН- КПД генератора. Для турбогенераторов, работающих на паре, вырабатываемом утилизационными котлами (УК), тепловой баланс имеет вид ГЕН ПОТ ВД ПОТ ГЕН e ВЫХ ВГ ВХ ВГ ВГ Q Q N i i D 3600 / ) ( (6.14) где ВГ D - количество выхлопных газов, выходящих из ДВС или газовой турбины, кг/ч; ВЫХ ВГ ВХ ВГ i i , - энтальпия выхлопных газов на входе и выходе в УК соответственно, кг/час; e N - эффективная мощность турбины, кВт ГЕН- КПД генератора ВД ПОТ Q - потери теплоты в турбине и УК, кВт ГЕН ПОТ Q -потери теплоты в генераторе, кВт. Дизель Химическая энергия сгорания топлива N e П отер и Генератор электрического тока П отер и Р e 51 6.13 Понятие энергетического баланса Тепловой баланс по определению рассматривает распределение затраченной (вновь привнесенной) теплоты на полезную работу и различные потери, в соответствии с основными потоками энергии. В объектах также имеются дополнительные потоки энергии, которые движутся по замкнутыми открытым контурам (рисунок 6.5). Рисунок 6.5 - Замкнутый циркуляционный пароводяной контур утилизационного котла, производящего перегретый и насыщенный пар Дополнительные замкнутые контуры потоков энергии основного оборудования - для ДВС: 1 - контур охлаждающей пресной воды (двигатель–ТА-насос-двигатель), теплоноситель - вода 2 - контур смазочной системы (двигатель–ТА – насос – фильтрующий элемент - двигатель, теплоноситель – смазочное масло 3 – воздушный контур, для ДВС с наддувом (двигатель - турбина нагнетателя – компрессор – охладитель наддувочного воздуха - двигатель, теплоноситель - до турбины – выхлопные газы, после компрессора – воздух - для вспомогательных котлов – пароводяной контур (выход из котла - потребитель - теплый ящик - питательный насос - котел, теплоноситель – пар на выходе из котла, постепенно переходящий при движении по контуру в питательную воду на входе в котел, а затем постепенно переходящий в пар при движении по поверхностям нагрева котла - для утилизационных котлов, производящих перегретый и насыщенный пар – пароводяной контур по рисунку 6.6; - для утилизационных котлов, производящих только насыщенный пар – в пароводяном контуре будет отсутствовать пароперегреватель и потребители перегретого пара рисунок 6.7; для водогрейных котлов - контур движения воды (выход из котла - потребитель - теплый ящик - питательный насос - котел, теплоноситель-вода. Рассмотрим работу контура охлаждающей пресной воды ДВС на установившемся режиме см. рис. 7. Пресная вода выходит из двигателя с теплотой Q вых и температурой 70 С, далее, проходя ТА, вода охлаждается на 12 Си теряет соответственно теплоту, отводимую с забортной водой пот. Затем вода возвращается в двигатель с температурой 58 Си соответствующей теплотой Q вх . Далее, проходя через двигатель, вода, забирая теплоту Q дв от двигателя, вновь возвращается к исходному состоянию с температурой 70 Си теплотой Q вых на выходе из двигателя. Из рисунка 6.6 можно сделать вывод, что пресная вода с теплотой (энергией) Q вх является постоянной составляющей потоков энергии, движущейся на всех участках контура, и ее можно считать теплоносителем, забирающим (принимающим) у двигателя теплоту Q дв и выход из котла Сепаратор Паропере- греватель Потребители перегретого пара Потребители насыщенного пара греватель Питательный насос вход в котел Теплый ящик 52 отдающим эту теплоту в эквиваленте пот забортной воде, без учета потерь в холодильнике и при перемещениях в других элементах трубопровода. Затем теплоноситель возвращается в двигатель за новой долей энергии, совершая непрерывную циркуляцию. Для вспомогательной котельной установки можно рассмотреть замкнутый контур потока энергии, приняв питательную воду с теплотой Q п.в. как теплоноситель, принимающий получающий) энергию в котле, переходя в пари затем отдающий эту энергию потребителям пара, при этом вновь превращаясь вводу, которая возвращается в котел через теплый ящик за новой долей энергии. Таким образом, обеспечивается циркуляция по замкнутому контуру. Рис. 6.6 - Движение энергетических потоков в контуре пресной воды системы охлаждения ДВС Рассмотрим также движение потоков энергии по воздушному контуру ДВС с наддувом рисунок 6.7) Q вых =Q вх + Q дв Q вх Двигатель ТА охладитель пресной воды) пот Q дв Q дв 53 Рисунок 6.7 - Энергетические потоки выхлопных газов и наддувочного воздуха в ДВС с наддувом Наддувочный воздух с энергией В Н Q поступает в двигатель и участвует в процессе горения топлива. Из двигателя в выпускной коллектор выходят выхлопные газы с энергией ТН Q , энергия наддувочного воздуха В Н Q находится в составе этой энергии. Далее выхлопные газы поступают в турбонагнетатель, где совершают полезную работу по сжатию воздуха, при этом их энергия распределяется по уравнению ) 1 ( НВ ТН ОС ТН ВЫХ ТН ОХЛ ТН Q Q Q Q Q (6.15) где - энергия выхлопных газов, поступивших в турбонагнетатель, кВт - энергия отводимая от наддувочного воздуха в турбонагнетателе, кВт - энергия выхлопных газов, выходящих из турбины турбонагнетателя в газоотводной трубопровод, кВт; ТН ОС Q - потери в турбонагнетателе; ТН ВЫХ Q ТН Q ТН ОХЛ Q 54 НВ Q - энергия, полученная наддувочным воздухом в турбонагнетателе, и возвращаемая в двигатель, кВт. Тепловой баланс рассматривает только распределение энергии, полученной от сгорания топлива, а энергия вносимая наддувочным воздухом рассматривается как циркулирующий поток энергии. Поэтому формула имеет вид ТН ОС ТН ВЫХ ТН ОХЛ ТН ВХ Q Q Q Q (6.16) где - энергия выхлопных газов, поступивших в турбонагнетатель, без учета циркуляционного потока наддувочного воздуха кВт Движение потоков энергии по открытым контурам в анализе энергетического теплового) баланса СЭУ непосредственно учитывается только при составлении баланса котельных установок, когда рассматриваются потери с уходящими газами как разности энтальпий уходящих газов и подводимого воздуха. Другие подобные потоки не рассматриваются в связи сих незначительностью до 0,5%. Энергетический баланс рассматривает полные фактические потоки энергии в объектах. В энергетическом балансе необходимо, кроме потоков энергии теплового баланса, указать также дополнительные потоки энергии замкнутых и открытых контуров. |