 |
Прямоточные паровые машины
|
|
|
|
Прямоточные паровые машины возникли в результате попытки преодолеть один недостаток, свойственный паровым машинам с традиционным парораспределением. Дело в том, что пар в обычной паровой машине постоянно меняет направление своего движения, поскольку и для впуска и для выпуска пара применяется одно и то же окно с каждой стороны цилиндра. Когда отработанный пар покидает цилиндр, он охлаждает его стенки и парораспределительные каналы. Свежий пар, соответственно, тратит определенную часть энергии на их нагревание, что приводит к падению эффективности. Прямоточные паровые машины имеют дополнительное окно, которое открывается поршнем в конце каждой фазы, и через которое пар покидает цилиндр. Это повышает эффективность машины, поскольку пар движется в одном направлении, и температурный градиент стенок цилиндра остается более или менее постоянным. Прямоточные машины одинарного расширения показывают примерно такую же эффективность, как компаундные машины с обычным парораспределением. Кроме того, они могут работать на более высоких оборотах, и потому до появления паровых турбин часто применялись для привода электрогенераторов, требующих высокой скорости вращения.
Рис. 1.6 Принцип работы прямоточного парового двигателя
Прямоточные паровые машины бывают как одинарного, так и двойного действия.
Паротурбинные установки
Низкий к.п.д. паровых двигателей существенно уменьшал полезную грузоподъемность паровых судов и настоятельно требовал поиска более эффективных методов топливоиспользования. Однако кардинальное повышение эффективности судовых энергетических установок было связано не с совершенствованием паровых двигателей, а с появлением многоступенчатых паровых турбин, позволивших не только поднять к.п.д. СЭУ, но и на порядок уменьшить массогабаритные характеристики судового двигателя.
|
|
|
Формирование в начале XIX в. теоретической базы для расчета тепловых машин, позволило сформулировать задачу разработки судовой энергетической установки на базе паровой турбины с вакуумным конденсатором. Патент на первый паротурбинный двигатель получил американский морской инженер, адмирал Бенжамин Франклин Изервуд (Benjamin Franklin Isherwood, 1822-1915) в 1857 г.
После проведения в 1870 г. инженерных разработок несколько паротурбинных установок (ПТУ) были установлены на военные фрегаты серии USS "Wampanoag". Новый двигатель позволил обеспечить относительно высокую скорость (17,75 узла / 33 км. час), но ПТУ на базе одноступенчатой турбины оказались слишком сложными в изготовлении, но не более эффективными, чем паровые машины (к.п.д. 6-8%), вследствие чего нашли применение лишь в качестве двигателей судов береговой охраны (USGS), предназначенных для перехвата контрабандистов.
Массовое применение паротурбинных установок на флоте связано с созданием многоступенчатых паровых турбин, позволивших поднять КПД паровых машин с 4-5% до 15-18%., что было незамедлительно использовано в промышленной и морской энергетике. Создание современных паровых турбин связано с именами выдающихся инженеров XIX века: шведом К. Лавалем и англичанином Ч. Парсоном.
Применение паровых турбин резко повышало экономичность энергетических установок за счет более полной отдачи энергии пара. Однако рост удельной мощности СЭУ привел не только повышению абсолютного расхода пара, но потребовал существенного повышения его параметров: давления и температуры. Широко распространенные огнетрубные (газотрубные) котлы из-за присущих им недостатков не могли удовлетворить этим требованиям и оказались несовместимыми с турбинным двигателем. Поэтому на кораблях с паротурбинной установкой (ПТУ) стали применять только водотрубные котлы, позволяющие не только генерировать пар с повышенными параметрами, но и обеспечивающие более высокую маневренность, паропроизводительность, меньший вес и размеры.
|
|
|
Важнейшим достоинством водотрубных котлов оказалась их приспособленность к нефтяному отоплению. Поэтому одновременно с внедрением водотрубных котлов на миноносцах стали вводить и нефтяное отопление. Это позволило снизить удельный весовой расход топлива по сравнению с угольным отоплением
Паротурбинные установки очень широко применяются в военном флоте, где требуются главные двигатели большой мощности. В гражданском флоте они применяются на крупнотоннажных танкерах, газоходах и сухогрузных судах. На газоходах используется пары перевозимого груза метановой группы, образующиеся в процессе необходимого охлаждения сжиженного газа, в качестве котельного топлива. Использование этого бросового горючего повышает экономичность ПЭУ.
Рис. 1.7 Схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды
На Рис. 1.7 Схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды показана тепловая схема пароэнергетической установки с закрытой системой питательной воды. В главной паровой турбине имеется несколько отборов пара: на нагрев питательной воды в подогревателе низкого давления ПНД, в подогревателе высокого давления ПВД непосредственно перед подачей питательной воды в котёл; часть отобранного пара направляется в деаэратор ДАЭ для удаления воздуха из конденсата. Термодинамический анализ цикла пароэнергетической установки показывает, что отбор пара на подогрев воды повышает термический кпд цикла. На схеме показаны также: конденсатор КН, редукторная передача РП, насос НК для подачи охлаждающей воды в конденсатор, насос прокачки конденсата НПК и питательный насос ПН.
Преимущества ПТУ перед другими типами главных двигателей:
- возможность получения больших мощностей в единичном агрегате (до 200 000 кВт);
- возможность использования дешёвых низкосортных видов топлива (ископаемого угля, мазута и др.).
|
|
|
К недостаткам ПТУ следует отнести:
- невысокий коэффициент полезного действия;
- большие габаритно-массовые показатели;
- плохие маневровые качества – длительный период пуска, сложности с маневрированием и пр.
Современные ПТУ работают со следующими параметрами – давлением в парогенераторе до 10 МПа, температурой перегретого пара до 520-580 ºС и давлением в конденсаторе – 0,005-0,006 МПа. В некоторых схемах мощных ПТУ применяется вторичный перегрев пара для повышения эффективности.
Экономический анализ показывает, что ПТУ становятся конкурентноспособными с другими главными судовыми установками при мощностях, превышающих 15-20 тысяч киловатт.
=========================================
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определен как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен
,
где
Wout — механическая работа, Дж;
Qin — затраченное количество теплоты, Дж.
Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причем в расчетах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):
Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 - 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 - 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счет использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.
|
|
|
Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.
Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счет применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.
Комбинированные 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.
Атомные судовые установки
В российском гражданском флоте готовы к эксплуатации семь ледокольных судов с атомными СЭУ. Первым был построен и введён в эксплуатацию в 1959 году ледокол «Ленин», который несколько десятилетий трудился на проводке судов по Северному морскому пути. Тепловая мощность парогенераторов этого атомохода составляла 280 МВт, а эффективная мощность, передаваемая на гребные винты, была равна 30 МВт.
В одно время с атомоходом «Ленин» на морях работало несколько зарубежных гражданских судов с атомными установками: американский сухогруз «Саванна» грузоподъёмностью 20000 тонн, немецкое исследовательское судно-рудовоз «Отто Ган» и японское учебно-транспортное судно «Муцу».
Рис. 1.11 Схема атомной установки
В настоящее время в составе российского флота числятся четыре атомных ледокола типа «Арктика» и два ледокола с уменьшенной осадкой типа «Вайгач». Кроме того, в составе флота есть уникальное судно – лихтеровоз «Главсевморпуть», предназначенное для перевозки к северным районам груженых лихтеров – барж грузоподъёмностью около 1000т. Все эти корабли имеют эффективную мощность от 29 до 50 МВт.
На всех отечественных атомоходах установлены водоводяные реакторы типа ВВР, работающие на уране-238, обогащенном до 5% ураном-235. Одной заправки реактора (около 30 т) достаточно для работы СЭУ в течение года.
Атомная судовая установка (Рис. 1.11) работает по пароводяному циклу Ренкина. Функции котла выполняет атомный реактор АР, в котором тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) контактируют с водой, выполняющей роль теплоносителя и замедлителя нейтронов. Уровень ядерного деления в реакторе поддерживается с помощью специальной системы регулирования (на схеме не показана).
Вода в реакторе находится под давлением около 20 МПа, что позволяет нагревать её без кипения до 320-330 ºС. Горячая вода циркуляционным насосом подаётся в парогенератор ПГ, где передаёт теплоту во второй водяной контур. Давление во втором контуре составляет 3-4 МПа, и вода здесь вскипает, в результате чего образуется перегретый пар с температурой около 300-310 ºС. Этот пар поступает в турбину ПТ, откуда затем – в конденсатор КН и питательный насос ПН. Термодинамический цикл, осуществляемый во втором контуре, по принципиальным параметрам не отличается от цикла обычной паротурбинной установки.
Вся атомная судовая установка защищена экраном биологической защиты.
Кроме главной установки СЭУ атомохода имеет вспомогательные паротурбинные установки для привода электрогенераторов, аварийные дизель-генераторы и котлы, работающие на жидком углеводородном топливе.
Ограниченность применения кораблей с ядерными энергетическими установками во многом связано с тем, что порты многих стран (Японии, Южной Кореи, Австралии и др) закрыты для этих судов. С восстановлением северных перевозок в ближайшие десятилетия следует ожидать интенсивного использования атомоходов на внутренних арктических линиях.
|
|
|
