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.
|
Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с водоподогревателем Поверхностного типа (схема «ВПП») |
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.
|
Главный |
Цикл КТЭУ для схемы «ВПП» состоит из следующих |
|
Процессов: |
|
|
1 — 2 — |
Расширение пара в главной турбине до давления в главном |
|
Конденсаторе — рК; |
|
|
2 1 — |
Конденсация пара главной турбины в главном |
|
Конденсаторе; |
|
|
2′- 3 — |
Сжатие конденсата в насосе; |
|
3 — 2′ — ^ вм |
Подогрев конденсата главного цикла в водоподогревателе; |
|
2′ — 4 — 2 вм 4 |
Подогрев питательной воды до температуры кипения в |
|
Котле; |
|
|
4 — 5 — |
Испарение воды в испарительных поверхностях нагрева |
|
Котла; |
|
|
5 -1 — |
Перегрев пара в пароперегревателе. |
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
|
1 + аК |
|
Охл |
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.
|
В |
|
Вм |
|
1ПВ |
|
ГК |
|
2 ВМ |
|
Ротр |
|
О Пн |
|
Впс БН |
|
О г, |
|
Ки |
|
КН |
|
Кр |
 |
|
|
|
|
|
 |
|
|
|
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;
|
,впс |
KVr
|
Зависимость ^ — |
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.
|
Начальные Параметры конечные г Параметры |
Группа А |
Группа Б |
|
|
Полные Параметры Пара |
Пониженные Параметры Пара |
||
|
Группа 1 |
Работа на систему отраб. пара |
ПКБТ ТНА |
ТМН Тнн |
|
Группа 2 |
Работа на вакуум (главный конденсатор) |
ТГ |
Тцн |
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,
|
ДрпЪ- |
|
БН |
 |
 |
|
Вэж гэж кн |
 |
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.