3.21. Регенеративные тепловые схемы 2-го рода

Реальные тепловые схемы КТЭУ включают достаточно большое число вспомогательных механизмов, работающих на противодавление. Отработавший пар турбомеханизмов, поступающий в систему отработавшего пара, имеет довольно высокие параметры: давление 0,19 ÷ 0,2 МПа, и температуру около 120 ÷ 130 ^оС. 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 = 4,0 МПа температура кипения воды составляет 250 ^оС. При подаче воды в котел без подогрева с температурой 60 ^оС, эту воду необходимо довести до кипения – нагреть на 190 ^оС. При подаче предварительно подогретой питательной воды с температурой 110 ^оС, температурный диапазон нагрева воды до кипения уменьшается до 140 ^оС.

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 с водоподогревателем поверхностного

типа (схема «ВПП»)

Работа схемы «ВПП» происходит следующим образом (рис. 75). Пар, вырабатываемый главным котлом, направляется в главную турбину – , и на турбоприводы вспомогательных механизмов – . Отработавший пар главной турбины поступает в главный конденсатор, отработавший пар вспомогательных механизмов – в систему отработавшего пара, в которой клапаном излишков автоматически поддерживается постоянное давление – , 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.

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.

Рис. 75. Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с водоподогревателем

поверхностного типа (схема «ВПП»)

– водоподогреватель поверхностного типа;

Главный цикл КТЭУ: ;

Вспомогательный цикл КТЭУ: .

Главный цикл КТЭУ для схемы «ВПП» состоит из следующих процессов:

		–	расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе – ;
		–	конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев конденсата главного цикла в водоподогревателе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в котле;
		–	испарение воды в испарительных поверхностях нагрева котла;
		–	перегрев пара в пароперегревателе.

Для вспомогательного цикла схемы «ВПП» характерны следующие термодинамические процессы:

		–	расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в системе отработавшего пара – ;
		–	охлаждение отработавшего пара ВМ в водоподогревателе до температуры насыщения;
		–	конденсация греющего пара в водоподогревателе;
		–	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: , происходит процесс дросселирования части пара в КИ, характерный для схемы «П»: .

Площадь диаграммы характеризует уменьшение потерь теплоты в цикле КТЭУ за счет использования регенерации.

Тепловая схема КТЭУ с водоподогревателем смесительного

типа (схема «ВПС»)

В схеме «ВПС» в качестве водоподогревателя используется деаэратор (рис. 76). Пар, вырабатываемый главным котлом, направляется в главную турбину – , и на турбоприводы вспомогательных механизмов – . Отработавший пар главной турбины поступает в главный конденсатор, отработавший пар вспомогательных механизмов – в систему отработавшего пара, в которой клапаном излишков автоматически поддерживается постоянное давление – , выше атмосферного. Из системы отработавшего пара греющий пар поступает в деаэратор, смешивается с разбрызгиваемым конденсатом и, отдавая ему свое тепло, конденсируется.

Конденсат пара главной турбины из главного конденсатора забирается конденсатным насосом и подается в деаэратор, где происходит его разбрызгивание и перемешивание с греющим паром. 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.

В тепловой схеме «ВПС» отсутствует линия сброса конденсата греющего пара, благодаря чему не происходит потери теплоты из цикла при охлаждении конденсата греющего пара в главном конденсаторе. По этой причине КПД схемы «ВПС» имеет более высокое значение, чем у схемы «ВПП», при прочих равных условиях. Кроме того, в деаэраторе происходит удаление из питательной воды растворенных в ней газов, что приводит к снижению интенсивности коррозионных процессов в паровом котле.

Рис. 76. Тепловая схема и термодинамический цикл КТЭУ с водоподогревателем

смесительного типа (схема «ВПС»).

– водоподогреватель смесительного типа (деаэратор);

– конденсатный насос; – бустерный насос; – питательный насос;

Главный цикл КТЭУ: ;

Вспомогательный цикл КТЭУ: .

Главный цикл тепловой схемы «ВПС» описывается следующими термодинамическими процессами:

		–	расширение пара в главной турбине до давления в главном конденсаторе – ;
		–	конденсация пара главной турбины в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в насосе;
		–	подогрев конденсата главного цикла в деаэраторе;
		–	подогрев питательной воды до температуры кипения в паровом котле;
		–	испарение воды в котле;
		–	перегрев пара в пароперегревателе котла.

Вспомогательный цикл схемы «ВПС» включает следующие процессы:

		–	расширение пара в турбоприводах ВМ до давления в системе отработавшего пара – ;
		–	охлаждение греющего пара в деаэраторе до температуры насыщения;
		–	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: , происходит процесс дросселирования пара в клапане излишков, характерный для схемы «П»: .

Регенеративная тепловая схема 2-го рода для реальной КТЭУ

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.

		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

При работе КТЭУ 2-го рода на некоторых режимах, количества отработавшего пара, поступающего от вспомогательных механизмов в систему отработавшего пара, может не хватать для поддержания требуемого давления в системе. Например, на ходах начиная со среднего и выше, выключаются из работы добавительные турбины ТНА. Во избежание провалов давления в системе отработавшего пара появляется необходимость в добавке некоторого количества свежего пара в трубопровод отработавшего пара. Для этого в тепловую схему установки вводится клапан добавки – КД. Клапан добавки и клапан излишков в совокупности представляют собой регулятор давления в системе отработавшего пара. Для более точного поддержания давления в самом деаэраторе используется отдельный регулятор давления.

Для устойчивой работы главного и вспомогательного эжекторов, их холодильники должны обеспечиваться определенным расходом охлаждающей воды. В качестве охлаждающей воды для эжекторов используется конденсат, подаваемый в цикл конденсатным насосом. На любых режимах работы установки через холодильники эжекторов прокачивается фиксированное значение расхода конденсата. Излишек конденсата через специальный регулятор – клапан рециркуляции – сливается

Рис. 77. Регенеративная тепловая схема 2-го рода с учетом разбивки турбоприводов ВМ

на группы по начальным и конечным параметрам пара.

– главный котел; – главный турбозубчатый агрегат;

– главный конденсатор; – конденсатный насос (гидравлическая часть);

– главный эжектор; – вспомогательный эжектор; – деаэратор;

– бустерный насос (гидравлическая часть); – питательный насос (гидрав-лическая часть); – турбопривод масляного насоса; – турбопривод топливного насоса; – добавительная паровая турбина ТНА;

– питательный конденсатно-бустерный турбоагрегат (турбопривод КН, БН и ПН);

– турбопривод циркуляционного насоса; – турбогенератор; – регулятор давления в системе слабоперегретого пара; – клапан добавки слабоперегретого пара; – клапан излишков отработавшего пара; – дифференциальный регулятор давления в деаэраторе; – клапан рециркуляции;

– двухимпульсный регулятор питания котла; – цистерна грязных конденсатов; – теплообменные аппараты; – общесудовые системы и механизмы;

– пар на теплообменные аппараты; – пар на общесудовые потребители и системы; – пар на эжекторы; – пар в систему уплотнений турбины.

обратно в главный конденсатор.

В реальной КТЭУ пар, помимо главных и вспомогательных механизмов, поступает в теплообменные аппараты (масло- и нефтеподогреватели), пароэжекторные холодильные машины, 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.

С учетом изложенного, регенеративная тепловая схема КТЭУ 2-го рода примет вид, показанный на рис. 77.