1.5 Паротурбинные энергетические установки [2]

В ПТУ рабочее тело непрерывно циркулирует по замкнутому контуру, претерпевая циклическое изменение свое­го состояния (вода—пар—вода и т. д.). В простейшей ПТУ без регенерации теплоты (рис.1.4) за счет тепловой, энергии топ­лива вода в паровом котле 4 превращается в водяной пар задан­ных давления и температуры, который поступает в турбину 3. Тепловая энергия пара сначала преобразуется в сопловых аппа­ратах турбины в кинетическую энергию пара с высокими скорос­тями, а затем превращается на лопатках ротора в механическую работу, вращая через редуктор 2 гребной винт 1. Отработавший пар направляется из турбины в конденсатор 6, где охлаждается забортной, водой, проходящей по змеевику 7, и конденсируется. Питательный насос 5 забирает конденсат и под необходимым дав­лением подает его в паровой котел. В состав ПТУ также вхо­дят вспомогательные механизмы, обслуживающие паровой котел и турбину, теплообменные аппараты, паротурбоэлектро генераторы и др. Паротурбинные установки преимущественно исполь­зуют на морском флоте. Они позволяют получить общую мощ­ность на гребных валах судов 220 тыс. кВт и более. Вместе с тем в эксплуатации находятся судовые ПТУ относительно не­большой мощности (730 кВт).

Одновальными паротурбинны­ми установками оборудованы се­рийные танкеры типа «Пекин», «София» мощностью до 13970 кВт и сухогрузы типа «Ленинский комсомол» мощностью 9560 кВт. Параметры рабочего пара при этом составляют 44-102 кПа и 470°С.

Рис.1.4. Принципиальная схема

простейшей ПТУ

Повышение экономичности ПТУ достигается:

- применением дешевых сортов топлива;

- улучшением начальных параметров пара и соответствующим изменением схем и конструкции элементов ПТУ;

- совершенствованием тепловых схем, увеличением эффективно­сти регенеративного подогрева питательной воды;

- сокращением потерь теплоты, отводимой забортной водой уте­чек пара и воды;

- повышением КПД отдельных элементов ПТУ.

В отличие от ДВС, КПД которых мало зависит от мощности у паровых турбин с ростом мощности он существенно возраста­ет. При больших мощностях затраты на топливо и смазку а так­же на другие эксплуатационные расходы ПТУ оказываются меньше, чем у ДЭУ. Достигнутые успехи в области улучшения тепловой экономичности и надежности ПТУ привели к преимуще­ственному использованию их на судах с мощностью на гребном винте более 20 тыс. кВт. Этому также способствует возможность применения в сочетании с ПТУ более экономичных малооборот­ных гребных винтов.

1.6 Атомные энергетические установки [2]

В атомных энергетических установках (АЭУ) тепловую энергию получают в ядерном реакторе за счет энергии, освобождающейся при делении ядер расщепляющихся элемен­тов.

Принципиальная схема судовой атомной энергетической уста­новки приведена на рис.1.5. В ядерном реакторе 3, заключенном в контейнер 1, осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция с преобразованием освобождающейся при этом энергии в теплоту.

В качестве ядерного топлива в энергетических реакторах при­меняется обогащенный уран. В природном уране U238 содержа­ние самопроизвольно (спонтанно) делящегося изотопа U235 со­ставляет 0,712%. Обычно в реакторах используется искусственно обогащенный уран с различным процентным содержанием изо­топа U235.

В энергетических реакторах деление ядра урана происходит под воздействием нейтронов. Ядро урана U235 расщепляется на два-три новых вторичных быстрых нейтрона, обладающих внут­ренней энергией до 2 МэВ и скоростью до 20 тыс. км/с. При опре­деленных условиях такие вторичные нейтроны вызывают деление других ядер U235. В этом и заключается сущность цепной реакции деления ядерного горючего.

Для повышения вероятности деления U235 энергию быстрых нейтронов в реакторе снижают до уровня тепловых нейтронов (примерно до 0,025 МэВ) путем замедления их скорости. Горючее окружают веществом, называемым замедлителем нейтронов; в ка­честве него в судовых установках используется вода. Им могут быть также графит и органические вещества.

Рис.1.5. Принципиальная схема АЭУ

Часть объема реактора, в котором расположено горючее с за­медлителем и происходит реакция деления, называется активной зоной. По типу последней реакторы делятся на гомо- и гетеро­генные. Реакторы, в которых активная зона составлена из одно­родной смеси ядерного горючего и замедлителя (раствор, сплав, суспензия), называют гомогенными, а реакторы, в которых бло­ки ядерного топлива окружены замедлителем, называют гетеро­генными.

Судовые реакторы на тепловых нейтронах имеют гетерогенную структуру активной зоны. Последняя окружена отражателем, уменьшающим утечку нейтронов из активной зоны. В качестве отражателей используют те же вещества, что и для замедлите­лей.

Чтобы регулировать тепловыделение (мощность), в реакторе необходимо изменять интенсивность потока нейтронов и число де­лений в единицу времени, т. е. влиять на скорость цепной реакции. Для этой цели служит система регулирования. Основу ее состав­ляют подвижные стержни 2, содержащие вещества, активно по­глощающие нейтроны (карбид бора, бористая сталь, кадмий). Для увеличения мощности (тепловыделения) стержни выдвигают из активной зоны, для уменьшения — опускают. В целях мгно­венного прекращения цепной реакции при аварийной ситуации предусмотрена система аварийной защиты (стержни аварийной защиты).

Теплота из реактора отводится теплоносителем, циркулирую­щим по замкнутому контуру, с помощью циркуляционного насо­са 10. Теплоносителем могут быть вода, органические жидкости, газы, жидкие металлы.

В судовых установках теплоносителем и замедлителем нейтро­нов является вода, поэтому реакторы обычно называются водо-водяными.

Замкнутая теплопередающая система, в которой циркулирует теплоноситель, называется первым контуром. Теплоноситель про­ходит через парогенератор 4, где отдает теплоту жидкости вто­рого тепловоспринимающего контура.

При ядерных реакциях примерно 80% выделяющейся энергии превращается в теплоту, а остальные 20% теряются в виде излу­чений. Часть излучений (нейтронное и гамма - излучение) обладает большой проникающей способностью и оказывает вредное воздейст­вие на биологические процессы в организме людей. Поэтому комплекс, состоящий из реактора, парогенератора, вспомогатель­ного оборудования и систем первого контура, заключают в био­логическую защиту 11, поглощающую все излучения до уровней, безопасных для человека. Биологическую защиту выполняют из металла, бетона, воды, карбида бора. Она значительно увеличи­вает массу АЭУ.

Образующийся в парогенераторе 4 пар направляется в турби­ну 5, которая через редуктор 6 вращает гребной винт 7. Из кон­денсатора 8 конденсат питательным насосом 9 вновь направляется в парогенератор.

Атомные энергетические установки целесообразно использо­вать в тех случаях, когда наиболее полно проявляются их пре­имущества перед судовыми энергетическими установками, рабо­тающими на органическом топливе. Преимущества атомных энергетических установок обусловле­ны прежде всего высокой концентрацией энергии в ядерном топ­ливе, исключающей необходимость частого пополнения его запа­сов. Известно, что при выгорании 1 кг урана U235 выделяется теплоты в 1,5 млн. раз больше, чем при сгорании 1 кг органиче­ского топлива. Таким образом, запасы топлива можно свести к минимуму и обеспечить практически неограниченную дальность плавания и автономность.