 |
Анализ теплоиспользования на судне-прототипе
|
|
|
|
Оглавление
Введение………………………………………………………………..…....5
1 Общие сведения ………………………………………………………….……...6
1.1 Обоснование и выбор системы глубокой утилизации теплоты...…..6
1.2Анализ теплоиспользования на судне-прототипе….………………....7
1.3 Описание выбранной схемы утилизации теплоты…………….…….10
2 Анализ системы глубокой утилизации теплоты …..………..……………….13
2.1 Исходные данные……………………………………………………...13
2.2 Определение расхода топлива основных элементов СЭУ……….....15
2.3 Определение эффективности СЭУ и ее основных элементов….…..17
2.4 Расчет возможной производительности главного
утилизационного парового котла…………………………………..…………....18
2.5 Расчет производительности воздушного утилизационного
парового котла………………………………………………………………….....27
2.6 Исследование возможности использования горячей воды вместо
пара котельной установки……………………………………………………......31
2.7 Расчет производительности утилизационного турбогенератора..….33
2.8 Расчет производительности утилизационной газовой турбины…....35
2.9 Расчет мощности насосов системы глубокой утилизации теплоты.
3 Оценка эффективности проекта……………………………………….……..…39
3.1 Определение коэффициентов замещения элементов СЭУ…….….…39
3.2 Расчет прироста КПД СЭУ и ее экономии топлива……………..…40
3.3 Экономическая эффективность проекта ………………………….…...41
Заключение……………………………………………………………..……42
Список использованных источников…………………………………..….43
Введение
В работе представлены 3 раздела, в которых приводится анализ отечественных и зарубежных разработок систем глубокой утилизации теплоты, описывается турбокомпаундная схема утилизации теплоты главного двигателя, приводятся расчеты возможной производительности газового утилизационного парового котла (ГУПК) и воздушного утилизационного парового котла (ВУПК), подсчитываются мощности насосов СГУТ для обоснованного их выбора, описывается выбранная схема СГУТ, разрабатываются схемы замещения энергогенераторов СЭУ (дизельгенераторов и парогенераторов), даются оценки технической и экономической эффективности проекта.
|
|
|
Принятые сокращения
ВДГ – Вспомогательный дизельный генератор
ВПК – Вспомогательный паровой котел
ВУПК – Воздушный утилизационный паровой котел
ГД – Главный двигатель
ГДГ – Главный дизельный генератор
ГТК – Газотурбокомпессор
ГУПК – Газовый утилизационный паровой котел
ГЭ – Гребной электродвигатель
ГЭУ – Главная энергетическая установка
ДРА – Дизель-редукторный агрегат
НСВО – Низкотемпературная секция воздушного охладителя
СГУТ – Система глубокой утилизации теплоты
ССВО – Среднетемпературная секция воздушного охладителя
СТ – силовая турбина
СЭС – Судовая электростанция
СЭУ – Судовая энергетическая установка
ТК – турбокомпрессор
УГТ – Утилизационная газовая турбина
УПК – Утилизационный паровой котел
УПТ – Утилизационная паровая турбина
УТГ – Утилизационный турбогенератор
Общие сведения
Обоснование и выбор системы глубокой утилизации теплоты
Использование органического топлива как основного источника энергии сопряжено, как известно, с выбросами в атмосферу углекислого газа, твердых (сажа, пепел) и вредных для здоровья (окислы азота и серы, альдегиды и пр.) продуктов.
Вопросы энергосбережения и экологии тесно переплетены между собой. Тут действует прямая зависимость: чем меньше сжигается топлива на единицу продукции, тем меньшими будут выбросы парникового и вредных газов в атмосферу.
|
|
|
Существенный шаг в снижении удельного расхода топлива был сделан совершенствованием газотурбинного наддува. В настоящее время благодаря достигнутым высоким значениям КПД турбокомпрессоров и среднего эффективного давления (Р е) имеется возможность без ухудшения воздухоснабжения дизеля использовать часть энергии отработавших газов в силовой турбине. Турбокомпаундные системы, состоящие из дизеля и СТ обеспечивают дальнейшее улучшения топливной экономичности судовых силовых установок и дизельных теплоэлектростанций.
Для утилизации тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания на современных теплоходах отечественной и зарубежной постройки применяют утилизационные установки различных типов.
Утилизационные котлы с естественной циркуляцией. На теплоходах особенно малой и средней грузоподъемности в качестве утилизационных котлов с естественной циркуляцией применяют вертикально-огнетрубные и вертикально-водотрубные котлы.
Паропроизводительность котлов данного типа 100‒4000 кг/ч при давлении пара 3‒15 бар; поверхность нагрева 15‒500 м2. Огнетрубные котлы сварной конструкции прочны и надежны в эксплуатации, не очень чувствительны к качеству питательной воды. Однако они имеют большую массу и габарит и требуют прочного фундамента.
Среди котлов с естественной циркуляцией часто встречаются котлы смешанного типа (вспомогательно-утилизационные), в которых поверхность нагрева попеременно обогревается выхлопными газами в ходовом режиме судна и путем сжигания топлива на стоянке, и комбинированные, имеющие раздельные поверхности нагрева при отоплении газами и сжигании жидкого топлива. При этом используют котлы как газотрубные, так и водотрубные. Паропроизводительность котлов данного типа обычно не превышает 2800 кг/ч, а давление насыщенного пара ‒ 7 бар.
Водотрубные котлы с принудительной циркуляцией. Котлы типа «Ла Монт» ‒ наиболее распространенный вид водотрубного утилизационного котла. В котлах современной постройки часто водогрейные трубки смещены относительно оси котла, чем при практически одинаковых условиях эксплуатации достигается более высокий коэффициент теплопередачи и меньший объем конструкции по сравнению с котлами, в которых трубки расположены на одной прямой. Паропроизводительность котла данного типа обычно 150‒6000 кг/ч при давлении пара 5‒12 бар; поверхность нагрева 30‒700 м2. Котлы с ребристыми трубками. Преимущество этих котлов заключается в том, что при минимальном объеме достигается максимально полезная теплоотдача. Поверхность нагрева котлов до 4000 м2, а паропроизводительность до 13‒15 т/ч при расходе выпускных газов 200‒250 т/ч. Результаты исследований показали, что перспективным является применение водотрубных утилизационных котлов с принудительной циркуляцией и прямоугольной компоновкой трубной системы, с использованием водяных экономайзеров и пароперегревателей.
|
|
|
Анализ теплоиспользования на судне-прототипе
В середине 80-х годов в связи со значительно возросшим КПД турбонагнетателей оказалось возможным образовавшиеся излишки теплоты ОГ использовать в силовых газовых турбинах, что привело к созданию принципиально новых систем утилизации теплоты.
Работы по созданию высокоэкономичных утилизационных паровых турбин ведутся многими фирмами в направлении развития их проточной части, использования в них только перегретого пара и обеспечения достаточно глубокого вакуума в конденсаторе. Так, фирмой «Шинкокинзоки Индастриес Хиросима» (Япония) создана 12-ступенчатая турбина мощностью около 700 кВт, работающая на паре давлением около 0,4 МПа и температурой 260 °С, удельный расход пара составляет 7,1 кг/(кВт·ч). Высокоэкономичные турбогенераторы с удельным расходом пара (7,3-7,6) кг/(кВт·ч) созданы также фирмой «Бразерхуд» (Великобритания) и др. Фирма «MAN-B&W» в своих технико-экономических обоснованиях СГУТ расчетные значения удельных расходов пара УТГ мощностью (700‒1000) кВт принимает равными (6,8‒7,0) кг/(кВт·ч).
Большое значение имеет использование котлов с оребренными тепло-передающими поверхностями, что позволяет в стесненных помещениях верхней части машинного отделения расположить компактную поверхность нагрева, обеспечивающую и температуры отработавших газов около (170‒180) °С. Такие котлы созданы фирмами «Санрод» (Швеция), «Дизекон» (Великобритания), «Ольберг» (Дания), а также заводами в ГДР и ПНР. Котлы удовлетворительно показали себя в работе. Естественно, что в таких котлах должна быть обеспечена хорошая наружная очистка, как в ходовых режимах, так и на стоянки судна.
|
|
|
Фирма Sulzer для МОД 6RND90M рекомендует схему СГУТ (рис. 1.1).
1 ‒ УПК; 2 ‒ сепаратор пара УПК; 3 ‒ общесудовые потребители; 4 ‒ подогреватель питательной воды ВПК; 5 ‒ указатель потока конденсата; 6 ‒ атмосферный конденсатор; 7 ‒ питательный насос ВПК; 8 ‒ теплый ящик; 9, 10 ‒ питательные насосы сепараторов соответственно низкого и высокого давлений; 11 ‒ конденсатный насос; 12 ‒ вакуумный конденсатор; 13 ‒ УТГ; 14, 15 ‒ соответственно конечная и промежуточная секции ВО; 16 ‒ ВТС; 17 ‒ ТК; 18 ‒ ГД; 19 ‒ главный циркуляционный насос; 20 ‒ главный водоохладитель; 21 ‒ циркуляционный насос; 22 ‒ сепаратор пара низкого давления
Рисунок 1.1 ‒ Схема двухконтурной СГУТ дизеля 6RND90M фирмы Sulzer
Рост давления наддува, как уже указывалось ранее, привел к резкому возрастанию потерь теплоты с охлаждением надувочного воздуха. Поэтому многие дизелестроительные фирмы (в частности, Sulzer и «MAN») усиленно ведут работы по утилизации этой теплоты. В этих целях разрабатываются многосекционные воздухоохладители. Например, первая секция (высокотемпературная) двигателей GFCA, GB и МС фирмы MAN обеспечивает подогрев пресной воды в замкнутом, циркуляционном контуре до (100‒105) °С. Эта теплота используется для подогрева питательной воды УК, топлива в расходном танке и танках запаса, а также обогрева судовых помещений.
В схеме предусмотрена организация двух парообразующих контуров, утилизация теплоты охлаждения воздухоохладителя: ГД, теплоты воды, охлаждающей цилиндры ГД, теплоты ОГ. В контуре высокого давления пар вырабатывается по обычной схеме. Питательная вода перед поступлением в сепаратор УК. подогревается в ВТС воздухоохладителя. В данной схеме предусмотрен 3х-ступенчатый воздухоохладитель, нижние секции которого охлаждаются забортной водой. СГУТ рассчитана на эксплуатацию при (80‒90) %-ной нагрузке ГД.
В схеме СГУТ для двигателей RTA фирмы Sulzer также сохраняет трехступенчатый воздухоохладитель ГД, однако отказывается от применения двойного давления пара по причине значительного усложнения СГУТ и систем ее автоматического регулирования. Фирма рекомендует схему, изображенную на рисунке 1.2.
1 ‒ УК; 2 ‒ циркуляционный насос; 3 ‒ сепаратор УПК; 4 ‒ питательный бустерный насос; 5 ‒ деаэратор; 6 ‒ УТГ; 7 ‒ общесудовые потребители; 8 ‒ конечный подогреватель тяжелого топлива; 9 ‒ потребители теплоты охлаждения ВТС; 10 ‒ паровой подогреватель системы утилизации теплоты ВТС; 11 ‒ вакуумный конденсатор; 12 ‒ конечный охладитель: конденсата; 13 ‒ теплый ящик; 14 ‒ баллон; 15 ‒ питательный насос деаэратора; 16 ‒ конденсатный насос; 17 ‒ циркуляционный насос ВТС; 18 – конечный охладитель циркуляционного контура; 19 ‒ регулирующий клапан; 20, 21 ‒ соответственно конечная и промежуточная секции воздухоохладителя; 22 ‒ ВТС
|
|
|
Рисунок 1.2 ‒ Схема СГУТ дизелей RTA фирмы Sulzer
В ней первая ступень охладителя воздуха используется теплоснабжения основных судовых потребителей, а вторая ‒ для подогрева питательной воды УК.
Температура воды, охлаждающей цилиндры ГД, поднята до 85 °С. Эта вода также может использоваться для подогрева различных сред.
Что касается МОД, то повышение температурного уровня в системах их охлаждения пока наталкивается на определенные трудности. В двигателях серий GB и МС фирмы MAN удалось поднять температуру на выходе из двигателя всего лишь до 75–80 °С. Это означает, что 9–10 % теплового потока в систему охлаждения цилиндров МОД смогут использоваться не только в опреснительных утилизационных установках, но и для обогрева помещений, топлив и масла, питьевой воды, воздуха - кондиционеров и др.
На рисунке 1.3 показаны конструктивные отличия дизелей серии RTA разного типоразмера
Рисунок 1.3 – Поперечные сечения дизелей RTA 84C (слева) и RTA 96C в одном масштабе
|
|
|
