Назначение, состав и принципиальная схема ПТУ.

Паротурбинная установка предназначена для обеспечения движения судна, а также для приведения в действие вспомогательных механизмов и агрегатов за счет энергии пара.

Основными элементами главной ПТУ являются: паровой котел (парогенератор – на атомной энергетической установке), главная паровая турбина, главный конденсатор, главная зубчатая передача. Совокупность перечисленных элементов (без парового котла) представляет собой главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА).

Кроме ГТЗА в ПТУ входят: вспомогательная паровая турбина с конденсатором, приводящая в действие электрогенератор (турбогенератор) судовой электростанции. На судах с электродвижением турбогенератор является главным. Отработанный во вспомогательном турбогенераторе пар может сбрасываться в свой (вспомогательный) или в главный конденсатор.

Принципиальная схема ПТУ показана на рисунке 3.1.

Пар с необходимыми температурой и давлением создается в паровом котле и подается в турбину, где тепловая энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора. Эта энергия передается через редуктор и судовой валопровод гребному винту.

Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор, где, охлаждаясь, превращается в питательную воду (конденсат), которая питательным насосом подается в паровой котел. В конденсаторе охлаждающей средой является забортная (морская) вода.

Паротурбинная установка на ряду с ГТЗА имеет в своем составе вспомогательные паровые турбины и электрические двигатели для привода насосов и вентиляторов; теплообменники (подогреватели и охладители рабочих тел); вспомогательные конденсаторы; системы подогрева, охлаждения, герметизации лабиринтных уплотнений между статором и валом ротора турбины, циркуляции, дренажа и др. Совокупность указанного оборудования представляет собой единый энергетический комплекс ПТУ.

Рисунок 3.1 Принципиальная схема простейшей ПТУ:

ПК – паровой котел; Т – турбина; Р – редуктор; К – конденсатор; ПН – питательный насос; ПВ – питательная вода; ЗВ – забортная вода; ВМ – вспомогательные механизмы.

Тепловые схемы ПТУ

Для расчета и изучения теплоэкономических характеристик ПТУ используются их тепловые схемы.

Под тепловой схемой понимается условная схематизированная модель реальной установки и взаимосвязи между ее частями, необходимыми для осуществления рабочего процесса и выполнения функций ПТУ.

В зависимости от поставленных целей тепловая схема может быть исполнена как принципиальная или развернутая.

Принципиальная тепловая схема (рисунок 3.1) отражает последовательное соединение элементов ПТУ, тип термодинамического цикла и способ обеспечения энергией главных и вспомогательных механизмов и потребителей.

На развернутой схеме, кроме того, что указывается на принципиальной, демонстрируются количество и вид включенных в схему механизмов и аппаратов, емкостей, автоматов и прочих важных устройств.

Развернутые схемы бывают полными или менее полными. Все тепловые схемы делятся на нерегенеративные и регенеративные. Регенеративные делятся на схемы 1^го рода, 2^го рода и 3^го рода.

Схемы 1^го рода предусматривают регенеративный подогрев питательной воды паром, отобранным из главной турбины. В схемах 2^го рода регенеративный процесс осуществляется отобранным паром от вспомогательных турбин.

В тепловых схемах 3^го рода (смешанного типа) для регенерации используется пар, отобранный от главных и вспомогательных турбин одновременно.

Рассмотрим названные тепловые схемы ПТУ,

3.2.1 Нерегенеративная тепловая схема ПТУ

Нерегенеративная тепловая схема ПТУ (рисунок 3.2) используется на судах с жесткими массогабаритными ограничениями, на военных надводных кораблях и атомных подводных лодках. КПД установки, работающей с таким циклом, на 6…10% ниже, чем КПД регенеративной ПТУ.

Главная турбина работает на перегретом паре, который генерирует паровой котел (ПК). Паром этих же параметров питается вспомогательная турбина (ВТ) и теплообменные аппараты (ТА). Отработанный во всех перечисленных элементах пар сбрасывается в общий главный конденсатор (ГК), в котором пар превращается в воду (конденсат). Конденсат конденсатным насосом (КН) подается в теплый ящик (ТЯ), играющий роль аккумулятора питательной воды. Теплый ящик через вентиляционную трубу соединен со средой машинного отделения. Поэтому в питательной воде может находиться излишнее количество агрессивных газов. Такая схема питания парового котла имеет название открытой.

Питательный насос (ПН) принимает воду из теплого ящика и подает ее в паровой котел.

Открытая система питания применяется в ПТУ с давлением пара не более 2 мПа.

Рисунок 3.2 Нерегенеративная тепловая схема ПТУ.

ГТ – главная турбина; ВТ – вспомогательная турбина; ТА – теплообменный аппарат; ТЯ – тепловой ящик; ПН – питательный насос;

КН – конденсатный насос; ГК – главный конденсатор.

В регенеративных тепловых схемах подогрев питательной воды осуществляется теплотой пара, который частично отработал в турбине. За счет этого уменьшается количество отработанного пара, который сбрасывается в конденсатор. Одновременно уменьшаются потери теплоты, отводимой забортной водой.

3.2.2 Регенеративная тепловая схема 2^го рода.

Такая схема используется в ПТУ, которые длительно работают на режимах с частичной нагрузкой.

В рассматриваемой схеме (рисунок 3.3) регенеративный процесс осуществляется отработанным паром вспомогательных турбин (турбогенератора, турбонасоса и т.п.).

Главная турбина (ГТ) работает на перегретом паре. Пар таких же параметров приводит в действие вспомогательные паровые двигатели (ВТ) и теплообменные аппараты (ТА). Отработанный пар от ГТ, ВТ и ТА сбрасывается в общий для них главный конденсатор (ГК), где происходит превращения пара в конденсат (горячую воду).

Рисунок 3.3 Тепловая схема ПТУ с регенерацией теплоты отработанного пара вспомогательных турбин (2^го рода).

Конденсат конденсатным насосом (КН) подается в деаэратор (Дэ), который работает отОТ отработанного в ВТ пара. Этот пар поступает также и в ГК, но через подпружиненный невозвратный клапан (НК). Давление в магистрали отработанного пара выше, чем в ГК, поэтому излишек отработанного пара в ГК перепускается автоматически. Необходимое количество отработанного пара с высокой температурой подходит к подогревателю питательной воды – деаэратору (Дэ), в котором конденсируется. При нагревании воды до температуры насыщения происходит ее деаэрация, т.е. отделение растворенных в воде газов. В данной тепловой схеме 2^го рода применяется закрытая схема питания котла. При этом газы выделяются в деаэраторе. Кроме того, деаэратор используется как аккумулятор и емкость, достаточная для подпитки котла в течение 12…15 минут при неработающем конденсатном насосе.

Оставшаяся часть теплоты отработавшего пара используется полезно. В результате затраты топлива и теплоты на ПТУ меньше, чем в ПТУ нерегенеративного типа.

3.2.3 Регенеративная тепловая схема 1^го рода.

По этой схеме пар, который частично расширился в главной турбине, используется для подогрева питательной воды в теплообменниках поверхностного типа.

Такая тепловая схема называется идеализированной, потому что главная турбина является единым потребителем свежего рабочего пара, а отработанный в ней пар используется только для подогрева питательной воды. На схеме (рисунок 3.4) показаны три промежуточных отбора пара (I, II, III) от главной турбины и этот пар поступает в три регенеративных подогревателя питательной воды (ПП₁, Дэ и ПП₃).

Рисунок 3.4 Тепловая схема идеализированной ПТУ с регенерацией теплоты в цикле главной турбины (схема 1^го рода).

Конденсат (горячий) от подогревателя ПП₁ подводится к главному конденсатору, а из теплообменника ПП₃ – к деаэратору, где смешивается с питательной водой и подогревает ее. Питательная вода из деаэратора Дэ подается питательным насосом ПН в паровой котел. Количество отборов пара влияет на экономичность ПТУ. С увеличением количества отборов повышается температура питательной воды на выходе с последней ступени подогрева. В судовых ПТУ выполняют как правило 4…5 ступеней отбора пара. Таким образом, схемы 1^го рода предусматривают подогрев питательной воды паром, отобранным от главной турбины. Такие тепловые схемы ПТУ применяются на транспортных судах, имеющее длительность плавания более 90% времени жизни судна.