1.2.5Комбинированные установки

Совместное использование двух или более типов тепловых двигателей в одной установке улучшает термодинамические качества комбинированного цикла, в котором достоинства одного простого цикла компенсируют недостатки другого.

Рис. 1.8 Схема и цикл комбинированной установки, примененной при проектировании речного толкача «Маршал Блюхер»

На Рис. 1 .8 показана схема и цикл комбинированной установки, которая была применена при проектировании речного толкача «Маршал Блюхер». Выпускные газы дизеля (ДВС) здесь используются в утилизационном парогенераторе УК. За счёт тепловой энергии газов получается водяной пар, который направляется в паровую турбину ПТ, которая вращает электрогенератор ЭГ, входящий в состав судовой электростанции. Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор КН, а затем конденсат вновь подаётся питательным насосом НС в парогенератор.

На диаграмме T – s изображены: идеальный цикл поршневого ДВС с изохорно-изобарным подводом теплоты 12345 и пароводяной цикл Ренкина 6789. В циклах происходят следующие процессы:

1-2 – адиабатное сжатие в цилиндре ДВС,

2-3 – изохорный процесс подвода теплоты,

3-4 – изобарный процесс подвода теплоты,

4-5 – адиабатное расширение газа в цилиндре,

5-1 – изохорный отвод теплоты,

6-7 – адиабатное расширение пара в паровой турбине,

7-8 – изобарно-изотермический процесс конденсации отработанного пара в конденсаторе КН,

8-9-6 – изобарный процесс подвода теплоты в парогенераторе.

Процесс сжатия и подачи воды в парогенератор на диаграмме не показан из-за его незначительного влияния на общую схему энергообмена.

В рассматриваемой схеме предусмотрена передача части бросовой теплоты отходящих газов (процесс 5-5´) для полезного использования в утилизационном парогенераторе, где за счёт этой теплоты происходит преобразование воды в пар (процесс 7-8-9). Таким образом, здесь используется достоинство цикла ДВС – высокая температура подвода теплоты, а недостаток этого цикла – высокая температура отвода теплоты компенсируется применением цикла Ренкина, в котором температура отвода теплоты очень низкая и составляет всего 330-340 К. В то же время недостаток цикла Ренкина – низкая температура подвода теплоты не играет роли в комбинации с циклом ДВС, так как подвод теплоты происходит в последнем.

Термический кпд этой комбинированной установки равен

,

где и - мощности, соответственно, ДВС и парового двигателя, а Ф1 – подведенная (от сжигания топлива) в ДВС тепловая мощность.

На Рис. 1 .9 показана тепловая схема комбинированной установки морского ролкера (сухогрузного теплохода с горизонтальным способом погрузки-выгрузки) «Капитан Смирнов», состоящая из газотурбинной установки ГТД и паротурбинного двигателя ПТД, в котором пар вырабатывается в утилизационном котле УК, работающим на энергии отходящих газов газотурбинного двигателя. Пар утилизационного котла используется для работы главной паротурбинной установки ГПТ и вспомогательной паровой турбины ВПТ, вращающей электрогенератор ЭГ. Газотурбинная установка и главная паровая турбина работают совместно через редукторную передачу РП на один гребной винт. Паровой контур содержит, кроме вышеперечисленных агрегатов, конденсаторы ГКН и ВКН, и питательный насос ПН.

Рис. 1.9 Тепловая схема комбинированной установки морского ролкера «Капитан Смирнов»

В этой установке суммарной мощностью 17000 кВт на долю ГТД приходится около 14000кВт, а на долю ПТД – около 3000 кВт. Здесь достигнут достаточно низкий удельный расход топлива (256 г/кВт ч) при снижении температуры отходящих газов в утилизационном котле с 390 ºС до 180ºС и получении перегретого пара давлением 1,5 МПа и температурой 310 ºС.

Рис. 1.10 Схема комбинированной установки с разнотипными параллельными двигателями

Похожая комбинированная установка использована в СЭУ американского сухогрузного теплохода «Джон Суджент», где теплота отходящих газов ГТД используется для выработки водяного пара. Отличие заключается в том, что здесь пар используется только во вспомогательной турбине, приводящей в действие электрогенератор.

Иногда комбинированные установки применяют на тех судах, где по условиям эксплуатации требуется кратковременное увеличение мощности. Такие условия могут быть у ледоколов, а также у неводоизмещающих судов. На Рис. 1 .10 показана главная СЭУ ледокола, включающая дизельные двигатели ДВС и газотурбинные установки ГТД. Параллельная работа всех двигателей и отключение форсажных ГТД осуществляется с помощью специальных муфт МФ.