3.13. Утилизация теплоты на морских судах
Даже в самых современных СЭУ около половины энергии, выделяемой при сгорании топлива, отдается окружающей среде с отходящими продуктами сгорания и охлаждающей водой. Логичным является желание использовать эту теплоту. Утилизация теплоты отходящих продуктов сгорания предусматривает получение пара в утилизационных парогенераторах, а теплоты охлаждающей главный двигатель воды – получение пресной воды. Упомянутые способы утилизации теплоты на морских судах являются общепринятыми, так как источники теплоты характеризуются достаточно высоким уровнем температур:
– отходящие продукты сгорания за газовой турбиной у двухтактных ДВС имеют температуру 265÷350°С и у четырехтактных – 380÷500°С;
– вода системы охлаждения дизелей имеет температуру 65÷85°С.
Достаточно высокий потенциал имеет также надувочный воздух после компрессоров, имеющий температуру 90÷160°С (его необходимо охлаждать перед подачей в цилиндры для увеличения весового заряда воздуха).
Самым простым видом утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания является использование этой теплоты для работы водогрейных котлов. Этот вид утилизации применяется на вспомогательных судах, не имеющих потребителей пара.
Наибольшая эффективность такого варианта утилизации достигается при работе утилькотла на утилизационный турбогенератор, что позволяет на ходовых режимах частично или полностью отключить дизельгенераторы, что повышает экономичность СЭУ до 12%.
Схема утилизационной установки при таком варианте утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания показана на рис. 34.
Отработавшие газы главного двигателя последовательно проходят поверхности нагрева пароперегревателя 4, испарительных (кипятильных) змеевиков 2 и экономайзера 1 утилизационного парогенератора 3.
На схеме показана совместная работа вспомогательного котла ВК и утилизационного парогенератора УПГ, что исключает нарушение снабжения судовых потребителей паром при уменьшении оборотов и остановке главного двигателя.
Пароводяная смесь из испарительной поверхности УПГ поступает или в пароводяной барабан 6 или в сепаратор 7, где отделяется от воды. Вода из водяного барабана 17 и из сепаратора 7 циркуляционным насосом 18 отправляется в економайзер 1.
Отделившийся от воды сухой насыщенный пар из сепаратора и пароводяного барабана отправляется в пароводяную магистраль 5, откуда его часть отправляется в пароперегреватель УПГ, а оставшвяся часть идет к потребителям 11, где конденсируется и через водоотделители 12 возвращается в теплый ящик 15.
Перегретый пар отправляется в турбину 9 электрогенератора 10. После турбины отработавший пар конденсируется в конденсаторе 13 и конденсатным насосом 14 через охладитель эжектора 8 поступает тоже в теплый ящик (эжектор служит для создания вакуума в конденсаторе, и для его работы используется перегретый пар). Питательный насос 16 подает конденсат из теплого ящика в ВК и УПГ.
Опыт утилизации теплоты отходящих продуктов сгорания показал, что в СЭУ с главными двигателями мощностью более 6000 кВт и имеющими температуру отходящих продуктов сгорания за турбинами более 320ºС, утилизационный турбогенератор достигает мощности, позволяющей полностью обеспечивать потребности СЭУ в электроэнергии и производимого пара достаточно для всех судовых нужд.
При наличии в составе СЭУ длинноходовых двухтактных двигателей (которые имеют температуру отходящих продуктов сгорания до 280ºС) даже при мощности более 10000 кВт получить перегретый пар с параметрами и в количестве, необходимом для нормальной работы утилизационного турбогенератора, достаточно трудно. В этом случае применяют систему утилизации, использующую весь комплекс источников бросовой теплоты: отходящие продукты сгорания, надувочный воздух и охлаждающую воду.
В этом случае, для полного использования теплоты надувочного воздуха, охладители выполняют двух– или трехсекционными. При этом первые две секции охлаждаются пресной водой и считаются высокотемпературными, а последняя (низкотемпературная, теплота которой уже не может быть использована) охлаждается забортной водой.
Для повышения эффективности таких комплексных систем утилизации теплоты судовые потребители комплектуют по группам (в зависимости от температурного потенциала бросовой теплоты).
В первую группу входят потребители теплоты системы охлаждения главного двигателя. Это глубоковакуумные опреснительные установки, подогреватели воздуха в системах вентиляции, подогреватели конденсата утилькотла.
Во вторую группу входят потребители, использующие теплоту высокотемпературных секций охладителей надувочного воздуха – подогреватели питательной воды утилькотлов, топлива и масла в цистернах, питьевой и мытьевой воды.
К третьей группе относятся потребители, использующие теплоту высокого потенциала – подогреватели топлива и масла перед сепарацией, подогреватели пресной воды системы охлаждения, паровое отопление.
Четвертой группой потребителей являются потребители теплоты самого высокого потенциала – теплоты перегретого пара утилькотлов.
Утилизационные котлы работают, как это было отмечено выше, на отходящих продуктах сгорания и производят насыщенный пар для общесудовых нужд и подогрева топлива, и перегретый пар, который расходуется на привод утилизационных турбогенераторов. В некоторых случаях этот перегретый пар приводит в действие паровую турбину, кинематически связанную с коленчатым валом главного дизеля. Такая турбина может развивать до 10% от мощности дизеля и позволяет экономить до 9% топлива.