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

и 17 и конденсатора испарительной установки 12. В более развитых тепловых схемах подогрев конденсата перед подогревателем низкого давления осуществляется также в маслоохладителях, конденсаторах системы отсоса пара от наружных уплотнений турбин, и т. д., что также повышает к. п. д. установки.

Тепловые схемы с регенеративными отборами пара от главных турбин широко применяют в установках, для которых характерна длительная эксплуатация на постоянных режимах (суда транспорт­ ного флота).

Рассмотренная тепловая схема, как видно из изложенного, ча­ стично включает элементы нерегенеративной схемы (в контуре турбо­ генератора) и схемы с подогревом питательной воды отработавшим паром вспомогательных двигателей (в контуре турбины питательного насоса).

В современных паротурбинных установках в ряде случаев на­ ходит применение привод генератора электрического тока и пита­ тельного насоса на ходовых режимах от главной турбины. Это ме­ роприятие положительно влияет на тепловую экономичность уста­ новки, так как главные турбины всегда имеют более высокий к. п. д., чем вспомогательные в виде самостоятельного привода.

§ 4

Паротурбинные установки с промежуточным перегревом пара

Цикл с промежуточным перегревом пара. В уста­ новках с промежуточным перегревом пар, частично расширившийся

Сложный цикл /—2—3—4—5—6—7—/ состоит как бы из двух простых циклов: основного (цикла Ренкина) /—2—3—4—5'—1 и

30

1iR

и r\tR — к. п. д. соответственно основного и дополнительного циклов.

Таким образом, к. п. д. суммарного цикла выше к. п. д. основного цикла в том случае, если т],д > r\tR. На величину прироста к. п. д. влияет отношение количества тепла, подведенного в процессе перегрева, ко всему теплу, за­ траченному в сложном цикле.

Промежуточный перегрев па­ ра является мероприятием, поз-

воляющим использовать положительное влияние высокого начального давления пара на к. п. д. цикла. Так как промежуточный перегрев сдвигает на Т — s-диаграмме процесс расширения в турбине в об­ ласти низких давлений вправо, уменьшая тем самым конечную влаж­ ность пара, появляется возможность в основном цикле начальное давление существенно повысить по сравнению с сопряженным при температуре первоначального перегрева (см. § 2).

Фактический выигрыш от применения промежуточного перегрева необходимо оценивать не по выражению (13), сопоставляя сложный цикл с основным, а сравнением к. п. д. сложного цикла с простым циклом при той же максимальной температуре перегрева и сопря­ женном с ней начальном давлении. По этой причине промежуточный перегрев может оказаться целесообразным даже в случае, если r\t <

31

В судовых паротурбинных установках температура промежуточ­ ного перегрева пара обычно принимается близкой к начальной тем­ пературе. Применение промежуточного перегрева пара позволяет повысить экономичность установки на 3—5%.

жуточный перегрев^пара сочетается с регенеративным подогревом питательной воды паром, отбираемым из промежуточных ступеней главных турбин.

втурбине высокого давления 6 направляется в промежуточный паро­ перегреватель парогенератора /, а затем расширяется последова­ тельно в турбинах среднего давления 5 и низкого давления 4. В схеме предусмотрен пятиступенчатый подогрев питательной воды в подо­ гревателях /7, 10, 8, 7 и деаэраторе 9 паром, отбираемым от главной турбины. Главный конденсатор 13 и конденсатный насос 12 выпол­ няют те же функции, что и в рассмотренных ранее установках. Гене­ ратор электрического тока 3 и питательный насос 2 на ходовых ре­ жимах приводятся в действие от промежуточных звеньев главной зубчатой передачи; все прочие вспомогательные механизмы электри­ фицированы.

Врассмотренной схеме вторичный перегрев пара осуществляется

вгазовом пароперегревателе, вмонтированном в трубную систему парогенератора. В принципе возможны и другие способы перегрева, например выполнение вторичного пароперегревателя с самостоятель­

ной топкой, перегрев свежим паром из парогенератора и др.

§ 5

Атомные паротурбинные установки

Классификация атомных паротурбинных уста­ новок. В атомных паротурбинных установках (АПТУ) для приго­ товления пара используется тепло, выделяющееся в результате ядер­ ной реакции в атомном реакторе. В зависимости от способа передачи тепла от тепловыделяющих элементов реактора рабочему телу раз­

посредством промежуточного теплоносителя.

Впервом случае атомный реактор сам является парогенератором. Во втором случае выделяющееся в реакторе тепло воспринимается промежуточным теплоносителем, а затем уже в специальном паро­ генераторе используется для парообразования.

Вкачестве промежуточного теплоносителя может служить вода под давлением, органические жидкости (например, дифенил, трифенил), жидкие металлы (натрий, сплав натрия с калием) или газы.

32

Тепловые схемы АПТУ. В одноконтурных АПТУ (установках с кипящим реактором) тепловая схема в принципе, за исключением систем, обслуживающих непосредственно реактор, может быть по­ строена как рассмотренные ранее схемы установок, работающих на органическом топливе. Параметры пара на выходе из реактора соот­ ветствуют начальным параметрам пара турбинной установки. Выра­ батываемый реактором пар радиоактивен и поэтому одноконтурная установка должна вся располагаться внутри биологической защиты. Для обеспечения паром общесудовых потребителей в установке предусматривается специальный парогенератор, греющей средой

2 1

7ZZZZZZZZZZ-

парогенератора нерадиоактивен и выдается за пределы биологической защиты.

Принципиальная схема двухконтурной АПТУ с электродвиже­ нием изображена на рис. 15.

Основные элементы первичного контура: реактор 8, парогенера­ тор 7, циркуляционный насос 10. Вторичный контур образует в при­ веденном примере тепловую схему с регенерацией тепла отработав­ шего пара вспомогательных механизмов и включает: парогенера­ тор 7, главную турбину 3, главный конденсатор 18, деаэратор 12, подогреватель питательной воды 11, турбину вспомогательного турбогенератора 15, вспомогательный конденсатор 16, конденсатные 14 и 17 и питательный 13 насосы. Для подогрева воды в деаэра­ торе и подогревателе используется отработавший пар вспомогатель­ ных двигателей 4, 5 я 6, приводящих в действие конденсатные и питательный насосы, а также циркуляционные насосы главного и вспо­ могательного конденсаторов (на схеме не показаны). Гребной винт приводится в действие гребным электродвигателем /, электроэнергия для которого вырабатывается главным генератором 2.

Все элементы первичного контура и системы, обслуживающие реактор, размещаются в необитаемом отсеке-контейнере, окружен­ ном биологической защитой 9.

Наибольшее распространение на судах получили двухконтурные АПТУ с использованием в качестве теплоносителя в первичном кон­ туре воды под давлением. Давление воды определяется в зависимости от ее температуры на выходе из реактора и должно быть таким, чтобы в первичном контуре исключалась возможность вскипания. Практи­ чески давление выбирается так, чтобы соответствующая ему темпера­ тура насыщения была на 30—40° С выше максимальной температуры воды в реакторе *.

Так как давление в первичном контуре по конструктивным и тех­ нологическим условиям ограничивается величиной 17—20 МН/м 2 (температура насыщения 355—365° С), то максимальная температура воды, поступающей из реактора в парогенератор, составляет 325— 335° С.

Температура вторичного пара в парогенераторе с целью полу­ чения приемлемых размеров поверхностей нагрева принимается на 15—30° С ниже температуры греющей воды. Таким образом, началь­ ная температура пара в паровом контуре составит 310—320° С, а сопряженное начальное давление 2,8—3,0 МН/м2 .

По схеме, изображенной на рис. 15, выполнена атомная паро­ турбинная установка ледокола «Ленин». В установке приняты: давление воды в первичном контуре 17,6 МН/м2 , начальное давление пара во вторичном контуре 2,74 МН/м2 , температура перегретого пара 310° С.

низкие значения термического к. п. д. парового цикла. При указан­ ных выше сопряженных начальных параметрах пара и давлении в конденсаторе 0,005 МН/м2 к. п. д. цикла равен 0,30—0,32. Неко­ торый выигрыш в экономичности может быть получен, если начальное давление принять выше сопряженного при той же температуре пара. Так как повышение начального давления приводит к росту влажности пара в конце процесса расширения, необходимо предусмотреть про­ межуточную сепарацию пара в турбине. Практически это удобно сделать, выполнив главную турбину двухкорпусной и поместив сепа­ ратор между ТВД и ТНД.

Органические теплоносители и жидкие металлы имеют более высокую температуру кипения и поэтому не требуют высоких давле­ ний в первичном контуре. В этом их основное преимущество перед водой. Практическое применение органических и жидкометаллических теплоносителей в судовых установках встречает значительные затруднения, связанные с их физическими свойствами.

Органические теплоносители характеризуются низкой стойкостью при высоких температурах и радиоактивном облучении и, разла-

1 Во вновь разрабатываемых установках иногда допускается меньшая разность температур.

34

Жидкий натрий имеет низкую теплоемкость, очень активно реа­ гирует с водой и кислородом, застывает при высокой температуре (97° С).

Из газовых теплоносителей наиболее перспективным является гелий. Он имеет достаточно большую удельную теплоемкость, не активируется, коэффициент теплоотдачи сравнительно высокий, за­ траты энергии на прокачку в контуре невелики. В то же время стои­ мость гелия относительно высока. Гелий характеризуется большой текучестью, что повышает требования к плотности систем.

Глава II

ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СУДОВЫХ ПТУ

§ 6

Парогенераторы, работающие на органическом топливе

Классификация и принцип действия парогенера­ торов. В зависимости от конструкции судовые парогенераторы под­ разделяются на типы:

—водотрубные, у которых внутри трубок движутся вода и паро­ водяная смесь, а газы омывают трубки снаружи;

—огнетрубные, у которых внутри трубок движутся газы, а вода

ипароводяная смесь омывают трубки снаружи;

—комбинированные, включающие частично элементы водотруб­ ных и огнетрубных парогенераторов.

Водотрубные парогенераторы наиболее совершенны по конструк­ ции, имеют меньшие удельные массы и габариты, позволяют получить пар высоких параметров и большую паропроизводительность. Бла­ годаря этим качествам в современных судовых ПТУ в качестве глав­ ных применяют исключительно водотрубные парогенераторы.

Вода и пароводяная смесь в трубках парогенераторов движутся под действием разности удельных масс воды и пароводяной смеси в различных рядах трубок или под действием напора, создаваемого специальным насосом. В первом случае имеем парогенераторы с есте­ ственной циркуляцией, во втором — парогенераторы с принудитель­ ной циркуляцией.

Парогенераторы с принудительной циркуляцией могут быть:

— с многократной циркуляцией, если вода до полного испарения проходит по трубкам несколько раз;

— прямоточными, если испарение воды происходит за один ход воды по трубкам.

Принцип действия водотрубного парогенератора с естественной циркуляцией рассмотрим на примере конструктивной схемы, пока­ занной на рис. 16.

Основные элементы парогенератора: пароводяной коллектор 3, водяной коллектор 9, экранный коллектор 6, конвективный пучок труб 8, экранный пучок 4, пароперегреватель 10. Конвективный и экранный пучки труб, передняя и задняя фронтовые стенки и под­ дон 7, выложенный огнеупорным кирпичом, образуют топку паро­ генератора. Топливо и воздух, необходимый для его сжигания, по­

даются в топку через форсунки

тивного теплообмена. В конвективном и экранном пучках обра­ зуются самостоятельные контуры циркуляции воды и пароводяной смеси. По трубкам, расположенным ближе к топке и вследствие этого более обогреваемым, вода с примесью образовавшегося пара подни­ мается вверх и поступает в пароводяной коллектор, а по трубкам, расположенным дальше от топки, менее нагретая вода опускается из пароводяного коллектора в нижние коллекторы 9 я 6. Для обеспе­ чения надежной циркуляции в экранном пучке, который обычно имеет небольшое число рядов трубок, первые два ряда трубок оттопки сводятся в сплошную стенку, чем предохраняют от нагревания опуск­

Пар, поступающий в пароводяной коллектор из подъемных тру­ бок в смеси с водой, здесь отделяется от нее вследствие меньшей

36

плотности и собирается в верхней части над уровнем жидкости, а от­ туда по трубопроводу направляется в коллектор пароперегревателя. Последний имеет внутри продольную перегородку. Разделенные перегородкой полости коллектора соединены петлеобразными труб­ ками. Проходя по трубкам из одной полости в другую, пар перегре­ вается в результате теплообмена с омывающими трубки дымовыми газами. Перегретый пар из пароперегревателя поступает к потреби­ телям.

Температура дымовых газов в газоходе после пароперегревателя еще достаточно высокая. Для снижения потерь тепла с уходящими в атмосферу газами за пароперегревателем установлен экономайзер 2, служащий для подогрева питательной воды, поступающей в парово­ дяной коллектор. Вода в экономайзере подогревается до температуры,

Основные характеристики парогенераторов. Для оценки и срав­ нения судовых парогенераторов принято пользоваться следующими основными характеристиками.

Поверхность нагрева Н — поверхность рабочих элементов, омы­ ваемая газами. Различают суммарную поверхность нагрева, испари­ тельную поверхность, поверхность нагрева экономайзера, паропере­

где D — паропроизводительность;

Н— испарительная поверхность.

Взависимости от напряженности парогенераторов удельный па­ росъем может составлять 50—600 кг/(м2 -ч).

Удельная тепловая нагрузка топочного объема — отношение количества тепла QT O n , выделяющегося в единицу времени в топке, к ее объему VTOn

<7То„ = тИ-3600.

' топ

Удельная тепловая нагрузка топочного объема колеблется от (2,1—3,3) • 106 в слабонапряженных парогенераторах до (1,2—2,1) X X 10' кДж/(м3 -ч) в высоконапряженных парогенераторах.

37

Относительная масса парогенератора — отношение полной массы парогенератора с водой G n r к его паропроизводительности D

е=пг ~ д . 3 6 0 0 "

Слабонапряженные парогенераторы имеют относительную массу, равную 2,5—5,0 кг/(кг/ч), высоконапряженные—0,65—0,75 кг/(кг/ч).

Коэффициент полезного действия — отношение количества по­ лезно использованного в парогенераторе тепла к затраченному. У высоконапряженных парогенераторов к. п. д. обычно составляет 0,75—0,85, у слабонапряженных 0,88—0,95.

Тепловой баланс парогенератора. Тепло, вносимое в топку паро­ генератора, должно быть равно сумме полезно использованного тепла, потерь тепла непосредственно в самом парогенераторе и тепла, уно­ симого отработавшими газами. Это может быть записано следующим образом:

—тепло, вносимое паром в случае применения его в форсун­ ках для распыла топлива;

38

Коэффициентом избытка воздуха называется отношение коли­ чества воздуха, подаваемого в топку, к количеству воздуха, теоре­ тически необходимому для полного сгорания топлива. Теоретически необходимое количество воздуха определяется по составу топлива с помощью уравнений горения и для топочных мазутов составляет величину 1 0 — 1 1 м3 /кг. В зависимости от совершенства топочных устройств и организации процесса горения коэффициент избытка

Тепло, полезно использованное в парогенераторе, при выработке только перегретого пара

Др'пе — 'п. в)

Если кроме перегретого пара от парогенератора отбирается также и насыщенный пар, то

В —- расход топлива. Энтальпия отработавших газов

как без воздухоподогревателя, так и с газовым воздухоподогревате­ лем. Дело в том, что тепло, переданное от газов воздуху QB n , войдет в левую часть равенства (14) как тепло, вносимое в топку, а в пра-

39