книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

Для установки, изображенной на рис. 2, если все затрачиваемое в ней тепло идет на образование только перегретого пара, можно за­ писать

(7), (9) и (10) необходимо ввести сомножителем дополнительно к. п. д. электрической передачи г|э. п .

Установки без регенерации тепла просты, но имеют низкую эко­ номичность (т)у «е. 0,20) и поэтому на современных судах не приме­ няются. Однако результаты, полученные при анализе такой уста­ новки, имеют практическую ценность, так как выражение (10) ос­ тается справедливым и для любого другого типа паротурбинной установки, позволяя учесть ее особенности и вид тепловой схемы.

В обобщенном представлении в выражении (10) под % следует понимать к. п. д. идеального цикла в контуре главного двигателя, который в общем случае может и не являться циклом Ренкина (на­ пример, регенеративный цикл, цикл с промежуточным перегревом пара и др.), а характеристика тепловой схемы представляет собой отношение количества тепла, расходуемого на главный двигатель, к количеству тепла, расходуемого на всю установку в целом, т. е.

Иногда эффективный к. п. д. установки определяют по эффек­ тивной мощности главных двигателей

в о р •

у^н

Этот к. п. д. не учитывает потери в установке между главными двигателями и винтом и поэтому менее пригоден для сопоставления установок различных типов,

20

Показателями экономичности установки являются также уДельные расходы топлива, кг/(кВт-ч):

— по отношению к эффективной мощности главных двигателей

, _ ЗбООДу 3600

Установки с регенерацией тепла отработавшего пара вспомогательных двигателей. Экономичность ПТУ можно повысить, если пар, отработавший во вспомогательных двигателях и направляющийся в конденсатор (см. схему на рис. 2), использовать для подогрева питательной воды, подаваемой в парогенератор. На рис. 4 приведена тепловая схема ПТУ с подогревом питательной воды отработавшим паром вспо­ могательных двигателей.

рация питательной воды, т. е. из нее выделяются растворенные газы. Избыток отработавшего пара, если он имеется, через нагруженный клапан сбрасывается в конденсатор.

Вследствие использования для подогрева питательной воды тепла отработавшего пара вспомогательных двигателей уменьшаются за­ траты тепла в парогенераторе и расход топлива на установку.

21

Сказанное, однако, справедливо лишь для случаев, когда из­ бытка отработавшего пара нет или он сравнительно невелик. С уве­ личением относительного количества избыточного пара (по отноше­ нию к расходу на главный двигатель) экономический выигрыш в установке снижается, и при достижении некоторого определенного значения относительного количества избыточного пара к. п. д. уста­ новки с* регенерацией тепла становится равным к. п. д. установки без регенерации. Дальнейший рост избытка пара приводит к тому, что установка с регенерацией тепла уступает по экономичности уста­ новке без регенерации.

Так как мощность вспомогательных двигателей определяется не­ обходимостью обеспечения работы механизмов, обслуживающих собственно энергетическую установку и общесудовые нужды, а их к. п. д. — достижимым уровнем совершенства, практически, как правило, не удается выполнить паротурбинную установку по рассматриваемЪй схеме без избытка отработавшего пара вспомогательных двигателей.

Расход пара на вспомогательные двигатели и количество конден­ сируемого в подогревателе пара, или конденсирующая способность подогревателя питательной воды, а следовательно, и относительное количество избыточного пара, существенно зависят от противодавле­

способность подогревателя при этом также растет, ибо повышается температура подогрева питательной воды. При этом, однако, суще­ ствует некоторое оптимальное значение р 2 в , при котором относитель­ ный избыток пара минимален и, следовательно, к. п. д. установки достигает максимальной величины.

Таким образом, эффективный к. п. д. ПТУ с регенерацией тепла отработавшего пара вспомогательных двигателей, зависящий от сбрасываемого в конденсатор относительного избытка греющего пара, является также функцией противодавления вспомогательных двигателей р 2 в , т. е. при прочих равных условиях

Возвращаясь к общему выражению для к. п. д. установки (10), нетрудно прийти к выводу, что влияние р 2 в на к. п. д. осуществляется через характеристику тепловой схемы е. Конкретизируя зависимость (11), можно записать

е = / ( р 2 в ) .

На рис. 5 кривой а представлен общий вид зависимости от про­ тиводавления р 2 в характеристики е тепловой схемы установки с ре­ генерацией тепла отработавшего пара вспомогательных двигателей.

Повышение тепловой экономичности рассмотренной установки может быть достигнуто, если вспомогательные двигатели разделить на две группы:

22

—первая группа — двигатели, работающие на повышенное

противодавление р2в и потребляющие пар в количестве, соответ­ ствующем конденсирующей способности подогревателя питательной воды;

—вторая группа — остальные вспомогательные двигатели, в ко­

торых пар расширяется до давления рх, а отработавший пар направ­ ляется в конденсатор (в эту группу, как правило, входят турбины турбогенераторов судовой электростанции).

Вследствие более низкого давления в конце расширения расход пара во второй группе вспомогательных двигателей уменьшается по сравнению с расходом, который был бы при противодавлении р 2 в . Таким образом, количество отработавшего пара, сбрасываемого в кон­

тельных двигателей, пар от которых используется для подогрева питательной воды. Этому противодавле­

Как следует из рис. 5, оптимальное противодавление вспомога­ тельных двигателей, или, что то же, давление греющего пара, в рас­

обстоятельство свидетельствует о меньшей чувствительности такой установки к отклонениям противодавления от оптимального.

Некоторый дополнительный экономический выигрыш можно по­ лучить, если использовать отработавший пар вспомогательных меха­ низмов не только для подогрева питательной воды, но и в других теплообменных аппаратах и устройствах (испарители, подогреватели топлива, камбуз и др.), питающихся свежим паром согласно схеме, показанной на рис. 2.

Из-за большого количества пара, конденсируемого в конденса­ торе, и, следовательно, больших потерь с охлаждающей водой, исполь­ зование тепла отработавшего пара вспомогательных двигателей не может существенно повысить к. п. д. установки и применяется в чи­ стом виде только в корабельных установках, для которых характер­ ным является длительная работа на режимах частичных нагрузок. Постоянство температуры питательной воды при этом обеспечи­ вается поддержанием постоянного давления в магистрали отработав­ шего пара.

23

й, следовательно, будет равен к. п. д. цикла Карно при таких же значениях максимальной и минимальной температур.

На рис. 7 показан идеальный предельный регенеративный цикл для перегретого пара. Поскольку для идеального обратимого про­ цесса подогрева питательной воды характерна бесконечно малая разность температур пара и воды, в этом случае такой процесс на­ чинается с момента, когда температура пара, расширяющегося в дви­ гателе, достигнет значения температуры кипения воды в парогенера­ торе Г н .

и 1 г •

N

О

паре, так как повышается средняя температура подвода тепла. По

В приведенных выше циклах количество рабочего тела остается постоянным во всех ступенях двигателя, а его термодинамическое состояние изменяется в результате расширения и теплообмена с пи­ тательной водой.

Идеальный регенеративный цикл с использованием тепла пара, частично расширившегося в двигателе, можно осуществить также следующим образом.

При бесконечном числе ступеней расширения двигателя после каждой из них отбирается бесконечно малое количество пара и на­ правляется в соответствующий подогреватель питательной воды, где последняя подогревается на бесконечно малую величину (рис. 8). В подогревателях отбираемый пар конденсируется при давлениях, соответствующих местам отборов, а питательная вода, проходящая

25

подогреватели в направлении возрастания давления греющего пара, при идеальном теплообмене нагревается в каждом из них до темпе­ ратуры конденсации греющего пара. Конденсат греющего пара последовательно дренируется в подогреватели более низкого давле­ ния, где он, отдавая тепло, как и конденсирующийся пар, питатель­ ной воде, охлаждается сам до температуры конденсации в данном подогревателе.

Таким образом, питательная вода на выходе из подогревателя наиболее высокого давления имеет температуру кипения в пароге­ нераторе, а конденсат греющего пара на выходе из подогревателя

денсатор. На рисунке изображен идеальный предельный регенера­ тивный цикл для сухого насыщенного пара с отборами из дви­ гателя /—2—3—4—/ и круговой процесс изменения состояния рабочего тела, полностью расширяющегося в двигателе и конденси­ рующегося в конденсаторе /'—2'—3'—4—Г.

Вследствие равенства количеств тепла, отданного отбираемым паром и воспринятого питательной водой, площади на диаграмме

1"—1—2—2"—1" и 4"—4—3—3"—4" равны, линии 4—3 и 1—2

эквидистантны, а термический к. п. д. цикла, как и аналогичного цикла с постоянным количеством пара по ступеням двигателя, равен к. п. д. цикла Карно.

Таким образом, идеальные регенеративные циклы с постоянным и переменным количеством пара по ступеням двигателя с точки зре­ ния тепловой экономичности равноценны. Однако с точки зрения возможности реализации в реальной паротурбинной установке идеи регенеративного подогрева питательной воды паром, расши­ ряющимся в главном двигателе, предпочтение следует отдать ва­ рианту с переменным количеством пара в двигателе, т. е. с проме­ жуточными отборами пара.

Тепловая схема установки с регенерацией тепла в цикле главного двигателя. Реальный регенеративный цикл в ПТУ практически

26

вия теплообмена в подогревателях отличаются от идеальных, так как между теплообменивающимися средами имеется конечная раз­ ность температур. Эти факторы несколько снижают эффективность 'реального регенеративного цикла.

На рис. 10 изображена тепловая схема паротурбинной установки с регенерацией тепла в цикле главного двигателя. В данном случае главная турбина является единственным потребителем свежего пара, - а отбираемый из турбины пар используется только для подогрева питательной воды. Такая схема называется идеализированной.

В схеме предусматривается три промежуточных отбора пара и соответственно три подогревателя питательной воды: подогреватель низкого, среднего (деаэратор) и высокого давления. Подогреватели низкого и высокого давления по­ верхностного типа. Подогреватель среднего давления выполнен как теплообменный аппарат смеситель­ ного типа.

Тепловая экономичность установки при прочих равных условиях зависит от числа регенеративных отборов пара. Чем больше число отборов, тем выше экономичность. Вместе с тем каждому числу реге­ неративных отборов соответствует оптимальное значение температуры питательной воды на выходе из последней ступени подогрева, повы­ шающееся с ростом числа отборов.

Из графика следует, что интенсивность роста относительной эко­ номии от применения регенерации с увеличением числа отборов сни­ жается. Поскольку увеличение числа отборов одновременно приво­ дит к усложнению установки, увеличению ее массы и начальной стои­ мости, выбор числа отборов производится на основе общего техникоэкономического анализа проектируемой установки.

27

В настоящее время в судовых ПТУ число регенеративных отбо­ ров пара от главных турбин, как правило, не превышает четырех-пяти.

Реальная тепловая схема в отличие от идеализированной должна учитывать дополнительные затраты энергии, присущие действитель­

тора 13 и конденсатор 12 испарительной установки, где частично подогревается. Главный эжектор служит для отсоса паровоздушной смеси из главного конденсатора и поддержания в нем таким образом высокого вакуума. В холодильнике эжектора смесь охлаждается, а находящийся в ней пар конденсируется. Образующийся конденсат направляется в конденсатор, а воздух выходит в атмосферу. Испа­ ритель 14 служит для приготовления дистиллята, необходимого для пополнения утечек воды и пара. Греющей средой в испарителе слу­ жит пар одного из промежуточных отборов. Конденсат греющего пара испарителя и полученный дистиллят направляются в запасную ци­ стерну питательной воды 9, откуда осуществляется пополнение ра­ бочего тела в цикле.

Из промежуточного отбора высокого давления часть пара идет в испаритель грязных конденсатов 4, производящий вторичный пар для теплообменных аппаратов 5, в которых возможно загрязнение конденсата, например подогреватели топлива. Этим самым предот­ вращается загрязнение конденсата в основном контуре.

Перегретый пар из парогенератора кроме главной турбины рас­ ходуется на турбину 1 турбогенератора судовой электростанции. Отработавший в этой турбине пар конденсируется во вспомогатель­ ном конденсаторе 20, а конденсат вспомогательным конденсатным насосом 18 через холодильник 17 вспомогательного эжектора по-

28

дается в конденсатный трубопровод главного контура после холо­ дильника главного эжектора.

Насыщенный пар из парогенератора используется в качестве рабочего пара в главном и вспомогательномзжекторах, а также в тур­ бине питательного насоса. Отработавший пар из турбины питатель­ ного насоса, работающей на повышенное противодавление, посту­ пает в деаэратор, где используется вместе с паром отбора среднего давления как греющая среда. На схеме показаны также циркуля­ ционные насосы 16 и 19, обеспечивающие прокачку главного и вспо­ могательного конденсаторов забортной водой.

подогревом питательной воды.

В рассматриваемой паротурбинной установке все вспомогатель­ ные механизмы, за исключением питательного насоса, электрифи­ цированы. Выбор парового привода для питательного насоса обу­ словлен удобством регулирования производительности в широком диапазоне режимов работы и относительно большой его мощностью.

Данная тепловая схема отличается от приведенной ранее идеали­ зированной схемы (см. рис. 10) наличием дополнительных потребителей пара непосредственно из парогенератора (турбогенератор, питательный насос, эжекторы) и из промежуточных отборов (испа­ ритель грязных конденсатов 4, испаритель испарительной уста­ новки 14). Дополнительные расходы пара в некоторой степени снижают выигрыш от регенерации тепла по сравнению с идеализиро­ ванной схемой. Частичная компенсация потерь, связанных с допол­ нительными расходами пара, достигается включениемвконденсатную линию холодильников главного и вспомогательного__эжекторов 13

29