Файл: Богомолов В.С. Комбинированные парогазовые установки.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.04.2024
Просмотров: 17
Скачиваний: 0
За к л ю ч е н и е
Квоенным кораблям предъявляются все более высокие требования в отношении увеличения скорости хода, дально сти плавания, улучшения защиты, мореходности и увеличе ния автономности. Это обстоятельство приводит к непрерыв ному росту водоизмещения кораблей почти всех классов, причем доля водоизмещения, отводимого на установку и запа сы топлива, уменьшается,что, в свою очередь, не позволяет увеличивать скорость полного хода соответственно увеличе
нию водоизмещения кораблей [7].
Для кораблей сравнительно небольшого водоизмещения проб лема создания экономичной установки большой мощности и малого веса является юдной из
важнейших [7] .
Изменение характеристик ко раблей ПЛО иностранных флотов, показанное на рис. II, дает предсталение о направлениях изменения и некоторых характеристик энер
гетических установок.
В решении указанной пробле мы важное место должно быть от ведено созданию комбинированных установок.
При достаточно высокой эко характеристик противолономичности на спецификационных
классов* х |
скорость |
режимах работы |
комбинированные |
||
установки имеют |
значительно |
||||
полного хода; 2 - мощ- |
|||||
аость |
энергетических |
меньший вес, чем всерехимные |
|||
установок; 3 - водоизме- |
|
^ |
|||
щение; 4 - дальность пла-установки, что |
показано на |
||||
вания |
экономическим хо- |
пис |
|
||
дом; 5 - мощность кора- |
^ * • |
|
|||
оельных электростанций |
|
|
22
Так, на фрегате “Трайбл" 5 удалось добиться умень шения веса ЮГ и топлива (по сравнению с ПСУ) на 25$ при росте мощности на 11$.
При длительном плавании корабля на уменьшенных ходах эффективность КУ становится еще большей.
Рис. 12. Зависимость сум марного веса двухвальных КУ эскадренных миноносцев от мощности установки.
I - КТУ; 2 - КТУ с высо конапорным котлом; 3 - КЭУ типа
Термодинамически комбинированные парогазовые установки
Термодинамически комбинированные установки состоят из разнородных двигателей, связанных по рабочему процес су, т. е. имеющих связь циклов изменения состояния рабо чего тела, происходящих в каждом из двигателей.
Комбинирование циклов разнотипных установок дает воз можность увеличить экономичность комбинированной установ ки путем расширения диапазона между верхним и нижним темпе ратурными уровнями рабочего тела.
В паросиловых установках повышение экономичности до стигается повышением начальных параметров пара, регене ративным подогревом питательной воды и промежуточным пе регревом пара.
Так , для стационарных ПСУ повышение параметров пара от 35 ата 450°С до 90 ата 535°С; от 90 ата 535°С до
130 ата 565/565°С и от 130 ата 5б5/565°С до 240 ата
23
585/585°С соответственно обеспечивает экономию топлива
10; 5 и 2,5%.
Дальнейшее повышение начальных параметров пара дает сравнительно незначительную экономию топлива при больших начальных капиталовложениях.
Существенным преимуществом паросиловых установок яв ляется тот факт, что нижний температурный предел цикла близок к температуре окружающей среды.
По указанным причинам термодинамический к. п. д. цикла получается довольно высокий.
Для того чтобы судить о возможных предельных значе ниях к. п. д. корабельных паросиловых установок отметим, что современные стационарные паросиловые установки боль шой мощности на критические параметры пара имеют к. п. д. (нетто) 38-39%.
Приведенное выше замечание показывает практические возможности повышения экономичности паросиловых устано вок.
Достоинствами газотурбинных установок (ГТУ) по срав нению с ПСУ является их простота, быстрый пуск, отсутствие сложного котельного агрегата и незначительный расход охлаждающей воды.
Большинство ГТУ работает по схеме со сгоранием топли ва при постоянном давлении.
Рис. 13. Схема ГТУ с горением |
Рис. 14. Идеальный цикл |
при постоянном давлении |
ГТУ |
24
Идеальный цикл (процессы приняты обратимыми, степень регенерации считается равной единице) ГТУ в диаграмме T-s
показан на рис. 14.
Потеря тепла с уходящими газами составляет сравнитель но большую величину, эквивалентную площади 1—5—5^—1 -I.
Термический к. п. д. цикла определяется соотношением температур перед газовой турбиной и после нее и растет с увеличением степени сжатия в компрессоре (видно из TS
диаграммы).
Величина температуры Т3 ограничивается свойствами ма териалов проточной части газовой турбины.
Приближение процессов 2-3 к изотермическому (к циклу Карно) требует рационализировать систему охлаждения ро торов газовых турбин или усложнить их схему за счет уве личения числа подводов и отводов тепла из цикла с повы шением рабочего давления газов до 100-120 ата [4] .
Из-за высокого уровня отвода тепла из цикла газотур бинные установки уступают паросиловым по своей экономич
ности [4] .
Таким образом у ПСУ важное преимущество в том, что нижний температурный предел близок к температуре охлаж дающей воды, а у ГТУ преимущество в том, что может быть достигнут большой верхний температурный уровень цикла*
Соответственно недостатком ПСУ является ограниченный верхний температурный предел, а у ГТУ - высокий нижний температурный уровень цикла.
Термодинамическое сочетание газового и паросилового цикла с использованием тепла уходящих из газовой турбины газов в паросиловой части цикла позволяет сочетать в ком бинированной установке преимущества раздельных циклов за счет устранения их недостатков.
Этот принцип и применяется в парогазовом цикле, в котором удается уменьшить ограничения по верхнему темпе ратурному уровню (для ПСУ) и резко снизить нижний темпе ратурный уровень (для ГТУ).
25
Принципиальная схема установки, работающей по парога зовому циклу, показана на рис. 15.
Рис. 15.Принципиальная схема установки,работающей
по парогазовому циклу: I - компрессор; 2 - газовая турбина БД; 3 - камера сгорания парогенератора;^ - газовая турби на НД; 5 - экономайзер; 6 - дополнительная камера сгорания
Газовая ступень работает по открытому циклу.
На диаграмме Т- s паровой и газовый циклы изображены ус ловно.Раздельное рассмотрение циклов газового и паросилово го возможно для котлов обычного типа,так как взаимное влия ние температуры уходящих газов и температуры подогрева пи тательной воды у них проявляется слабо и мало влияет на к. п. д. котла.
Следует иметь в виду, что относительная полезная рабо та газовой ступени с ростом коэффициента избытка воздуха растет а к.п.д. котла падает.Как показывают исследования [i],оптимальное значение к.п.д.котла,соответствующее наи большему к.п.д. установки,будет при умеренных параметрах пара и допустимой температуре газаtb= 650-750°С в пределах оС— 2,5тЗ,0. Приращение термического к.п.д. растет с уве личением относительной полезной работы газовой ступени и с уменьшением термического к.п.д.паросилового цикла при раздельном рассмотрении циклов.
26 |
/ |
Отличие паросилового цикла такой установки от рассмот ренных ранее тепловых схем заключается в том, что подогрев воды осуществляется не в водоподогревателе, а в экономай зере (по линиит-п).
1г + In |
(12) |
B-Qp |
0-3 - изобранный отвод тепла в конвентивных пучках;
3- |
|
4 |
- |
адиабатное расширение газов в газовой турбине; |
4- |
|
5 |
- |
отдача тепла воде в экономайзере; 5-1 - условная ли |
ния |
замыкания цикла в атмосфере; а - т - подогрев воды в БП |
|||
|
п |
- в |
|
- подогрев воды до температуры кипения в котле |
При одинаковых параметрах пара и при параметрах газа перед газовой ступенью t3 = 700°С и в = 5 экономичность парогазовой установки во всем диапазоне нагрузок в среднем на 10% выше экономичности установки с высоконапорными котлами при практически равноценных весовых показателях.
В некоторых КПСУ имеем частный случай термодинамиче ски комбинированной установки, когда вся мощность газовой
27
турбины используется для подачи воздуха в топку котла и его подогрева.
Для етанционарных установок [4] к.п.д.(нетто) комбини рованной паросиловой установки с высоконапорным парогенера тором на параметры пара 140 ата 570/570°С достигает значе ний 42v 43%,4t o выше к.п.д.паросиловых и газотурбинных установок.
Габариты судовой парогазотурбинной установки выше, чем паросиловой, за счет газопровода газовых турбин.
В качестве примера термодинамически комбинированной парогазотурбинной установки могут быть использованы уста новки, схемы которых показаны ниже.
а) Комбинированная парогазотурбинная энергетическая установка с утилизационным котлом. В этой установке газы, отработавшие в газовой турбине, поступают в утилизацион ный паровой котел, который снабжает паром паровую турбину.
Газовая
турбина
Паровая - турбина
Рис. 17. Схема комбинированной парогазотурбинной установки с утилизационным котлом
Паровая и газовая турбины через общий редуктор рабо тают на один вал.
При высокой температуре газов после газовой турбины и применении в газотурбинной установке промежуточного подогрева газа и охлаждения воздуха экономичность такой
28
комбинированной установки получается достаточно высокой. б) Комбинированная парогавотурбинная установка с вы
соконапорным котлом. Эта установка отличается от предыду щей тем, что высоконапорный котел (ВНК) дает пар паровой турбине и одновременно как бы служит камерой сгорания газотрубинной части установки.
Рис. 18. Комбинированная парогазотурбинная энерге тическая установка с высоконапорным котлом
Изменяя площадь использованной поверхности нагрева ВНК, изменяют мощность ГТУ от 0 до 100%.
Преимуществами таких термодинамически комбинированных парогазотурбинных установок являются достаточно высокая экономичность и простота конструкции передачи мощности от турбин на винт.
Особенностью рассматриваемого типа установок является использование обеих частей (паротурбинной и газотурбин ной) во всем даипазоне мощностей совместно и с достаточно высокой экономичностью комбинированной установки.
Эта особенность сопровождается и сложной, пока еще не решенной проблемой создания надежной системы регулирования и управления установкой,где два вэаимозависящих по парамет рам рабочего тела агрегата,обладающих малой инерционностью, работают при высокой интенсивности рабочих процессов и
быстром их протекании.
29