1. КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА МОРСКОГО СУДНА

1.1. ПОТРЕБИТЕЛИ ПАРА НА СУДНЕ

Судовая энергетическая установка независимо от назначения судна и типа применяемого главного двигателя должна непрерывно обеспечивать энергией все судовые потребители как в море, так и на стоянке в порту. С этой целью СЭУ вырабатывают энергию различных видов (механическую, электрическую, тепловую), которая хранится на судне в виде скрытой химической энергии органического топлива.

Тепловая энергия вырабатывается в основном в котельных установках, являющихся составными элементами СЭУ. Теплопроизводительность (тепловая мощность) котельной установки полностью определяется суммарной тепловой мощностью потребителей теплоты, работающих в данный момент. Обычно носителем тепловой энергии является водяной пар (редко - органические теплоносители).

Состав потребителей пара, их конструктивные особенности и технико-экономические характеристики зависят от назначения и района плавания судна, типа и мощности ГД и других факторов. В общем случае все потребители пара могут быть разделены следующим образом.

1. Потребители (будем называть их машинными), обеспечивающие нормальное функционирование элементов СЭУ, следующие.

Главный двигатель:

-паровые спутники топливной системы;

-паровые турбина и машина, ходовые турбогенераторы;

-системы обогрева топливных и масляных запасных, отстойных, переливных и расходных цистерн и др.

Котельная установка:

-системы обогрева запасных, отстойных и расходных топливных цистерн;

-подогреватели топлива и питательной воды, турбоприводы питательных насосов и других мехнизмов;

-паромеханические форсунки,

-сажеобдувочные устройства,

-система очистки котлов.

Другие вспомогательные устройства:

-турбогенераторы, испарительная установка;

-подогреватель сепаратора льяльных вод;

-локальная система пожаротушения в МО.

2. Потребители общесудовые, работающие в следующих направлениях.

Нормальные условия обитания экипажа и пассажиров, а также хозяйственно-бытовые нужды:

-подогреватели пресной и забортной воды (общего назначения);

-система отопления жилых и служебных помещений.

Безопасность судна:

-системы обогрева балластных танков, кингстонных ящиков, патрубков забортной воды, якорей

ит. п.;

-система паротушения служебных и грузовых помещений.

Перевозка грузов, другие технологические нужды:

-системы обогрева грузовых танков и мойки танков;

-турбоприводы грузовых насосов;

-подогреватели воздуха в системе вентиляции грузовых помещений;

-системы предотвращения загрязнения моря с судна.

На конкретных судах используют только те потребители, применение которых обусловлено назначением судна, типом и мощностью ГД и некоторыми специфическими требованиями. В остальном классификация не требует дополнительных комментариев.

Для выбора теплопроизводительности котельной установки, кроме состава и характеристик потребителей пара, необходимо иметь информацию о режимах их использования - периодичности и продолжительности циклов непрерывной работы потребителя с той или иной тепловой мощностью (нагрузкой). Режимы использования потребителей имеют вероятностный характер, что в принципе исключает возможность заранее устанавливать их нагрузку, периодичность и продолжительность работы. Здесь воз-

можны только некоторые общие соображения, базирующиеся на анализе опыта эксплуатации транспортных морских судов.

Режимы работы машинных потребителей пара зависят от того, где находится судно - в море (на ходу) или на стоянке. Очевидно, что на ходу судна используются все машинные потребители пара, а их нагрузка определяется в основном режимом работы ГД и временем года (зимой она максимальная). Отличительной особенностью режимов использования потребителей пара, обслуживающих КУ, является то, что они работают непрерывно как на ходу, так и на стоянке. Это обусловлено тем, что работа общесудовых потребителей пара зависит от других факторов (района плавания, вида перевозимого груза, времени года, специфических требований).

Таким образом, вероятностный характер режимов использования потребителей пара не позволяет дать однозначные рекомендации по выбору паропроизводительности КУ и параметров пара. При проектировании обычно считают, что все потребители работают одновременно с номинальной тепловой мощностью. В большинстве случаев это приводит к завышению паропроизводительности и, следовательно, стоимости КУ. Очевидно, нужны другие подходы к выбору характеристик установки, которые учитывали бы вероятностный характер работы потребителей пара.

Выбор параметров пара (давления и температуры) базируется на одном из главных требований – обеспечении высокой экономичности комплекса котельная установка - потребители пара. При этом в основе лежит принцип термодинамической целесообразности, сущность которого состоит в том, чтобы в создаваемых устройствах максимально эффективно использовалась располагаемая тепловая энергия рабочего тела (пара). С этой точки зрения для потребителей, в которых рабочее тело (пар) в процессе выполнения работы не изменяет своего агрегатного состояния (в турбинах, машинах и т. п.), целесообразно повышать начальные давление и температуру пара (с учетом технической целесообразности и безопасности): для вспомогательных турбоприводов (насосов, генераторов и т. п.) до pПЕ = 3 - 3,5 МПа и tПЕ = 300 - 350 "С, а для ГТЗА паротурбинных судов - до рПЕ = 8 - 10 МПа и tПЕ = 510 - 520 °С..

Для большей части судовых потребителей, в которых пар в процессе теплообмена изменяет свое агрегатное состояние (конденсируется), с учетом указанного принципа целесообразно понижать начальные давление и температуру пара до определенных минимальных значений. Объясняется это тем, что при снижении давления возрастает теплота парообразования, передающаяся нагреваемой среде при конденсации пара. Например, если при конденсации насыщенного пара давлением 1 МПа выделяется 2018 кДж/кг теплоты, то при давлении 0,5 МПа это значение составит 2110 кДж/кг (т. е.почти на 5 % больше). Однако понижение давления пара ограничивается гидравлическим сопротивлением паропроводов и самих потребителей пара. В настоящее время эти гидравлические сопротивления составляют 0,1-0,3 МПа, поэтому для рассматриваемых потребителей используют насыщенный пар давлением 0,5- 0,7 МПа. На теплоходах, где, кроме обычных потребителей насыщенного пара, установлены турбоприводные механизмы, используется пар двух уровней давления - перегретый давлением до 1,5 МПа (реже до 3 МПа) и насыщенный давлением 0,5 МПа (для понижения давления используют редукционные устройства).

1.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, СОСТАВ И ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Судовая котельная установка называется главной, если потребителями пара являются главные двигатели, и вспомогательной, если пар используется во вспомогательном оборудовании судна.

Основным составным элементом любой котельной установки является котел, тип и конструктивные особенности которого определяют состав и характеристики вспомогательного оборудования обслуживающих его систем. В состав главной котельной установки входит один или несколько главных котлов. При использовании на судне только одного ГК обычно предусматривается установка одного - двух вспомогательных котлов, обеспечивающих потребности судна в паре на стоянках и в экстремальных ситуациях в море. Вспомогательные котельные установки в зависимости от назначения судна и типа СЭУ состоят из одного или нескольких вспомогательных и утилизационных котлов.

Принцип действия парового котла определяется сущностью его рабочего процесса, который состоит в том, чтобы путем подвода определенных количеств теплоты и воды генерировать заданное количество пара требуемого качества.

Существуют два источника получения теплоты в котле: непосредственное сжигание органического топлива в топках котла; использование тепловой энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания или газотурбинной установки.

Впервом случае котельная установка не зависит от других судовых установок, во втором - утилизационный котел неразрывно связан с ДВС или ГТУ и образует утилизационный контур котельной установки, режимы работы которого определяются режимами использования главного двигателя.

Паровой котел в агрегатированном исполнении может состоять из топки, парообразующих элементов, пароперегревателя, экономайзера и воздухоподогревателя. Во вспомогательных котлах в зависимости от назначения из трех последних элементов могут использоваться либо любые их комбинации, либо не использоваться никакие.

Втопке котла сжигается органическое топливо. Выделившаяся теплота передается нагреваемым теплоносителям, в результате чего в котельных элементах происходит парообразование, а в пароперегревателе - превращение влажного насыщенного пара в перегретый до заданной температуры. Экономайзер служит для подогрева воды, поступающей в котел, а воздухоподогреватель - для подогрева воздуха, поступающего в топку. Нагревающей средой в парообразующих элементах, пароперегревателе и экономайзере являются дымовые газы, а в воздухоподогревателях могут использоваться как дымовые газы, так и водяной пар.

Паровой котел на жидком топливе обслуживают следующие системы: питательная, топливная, подачи воздуха и отвода дымовых газов, автоматического регулирования и сигнализации, продувки котла

иввода химических реагентов. Рассмотрим их на примере вспомогательной котельной установки с утилизационным контуром (рис. 1.1).

Рис.1.1. Принципиальная схема вспомогательной котельной установки с утилизационным контуром

Питательная система служит для подготовки и подачи воды в котел. В состав питательной системы входят теплый ящик 21, питательные насосы (один резервный) 17, трубопроводы, путевая и регулирующая арматура и КИП. В теплый ящик конденсат поступает через конденсатор 18охладитель чистого конденсата от потребителей пара, в которых отсутствует возможность контакта воды с топливом и маслом, через конденсатор 19 - охладитель грязных конденсатов и контрольно-смотровую цистерну 20. Предусмотрены заполнение теплого ящика и подпитка его насосом 22 из цистерны 23 добавочной воды. Так как в теплом ящике питательная вода имеет непосредственный контакт с атмосферным воздухом (открытая система питания), то создаются благоприятные условия для насыщения воды кислородом,

обусловливающим интенсивную коррозию металла трубопроводов, арматуры и элементов котла. В главных и вспомогательных КУ ответственного назначения применяют закрытые системы питания, в которых вместо теплого ящика устанавливают деаэратор.

Топливная система служит для подготовки и подачи топлива к форсункам котла. Из отстойнорасходной цистерны 8 топливо забирается топливным насосом 10 к подается им через подогреватель 11 к форсункам 16. На топливном трубопроводе установлены фильтры холодного 9 и горячего 12 топлива, путевая и регулирующая арматура и КИП. В цистерну 8 топливо подается из бункера (танка) 4 топливоперекачивающим насосом 7. Для снижения вязкости топлива перед его перекачиванием топливный трубопровод 6 на участке между танком и отстойно-расходной цистерной смонтирован вместе с паровым спутником 5 системы подогрева топлива в емкостях и трубах.

Воздушно-газовая система служит для подачи воздуха в топку котла и отвода из него дымовых газов. В ее состав входят котельный вентилятор 13, воздухопровод 15 с заслонками 14 и газоход котла.

В систему автоматического регулирования, сигнализации и защиты входят подсистемы регулирования питания котла, горения и температуры перегретого пара, элементы сигнализации и защиты котла (принцип их действия рассмотрен далее).

Система продувки предназначена для периодического удаления из котла накапливающихся в котловой воде солей и шлама.

Система ввода в котел химических реагентов, состоящая из дозерного бачка, насоса и трубопроводов с арматурой, предназначена для ввода химических реагентов с целью предотвращения накипеобразования и коррозии.

В утилизационном котле отсутствуют топливная и воздушная системы, а конструктивные особенности остальных систем, обслуживающих УК, определяются типом и назначением котла. Так, в утилизационном контуре (см. рис. 1.1) использован утилизационный котел 2 с принудительной циркуляцией. Питательная система состоит из собственно питательной и циркуляционной систем, объединенных сепаратором пара 3. Питательная вода из теплого ящика 21 подается питательным насосом 17 в сепаратор пара 3, откуда циркуляционный насос 1 забирает воду и подает ее в парообразующую часть УК. Пароводяная смесь из утилизационного котла поступает в сепаратор, где пар отделяется от воды и направляется к потребителям пара.

1.3. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОТЛОВ

Сравнительную оценку конструктивных решений и теплотехнических характеристик паровых котлов производят в соответствии с их классификацией. Обычно судовые котлы классифицируют по нескольким признакам:

а) принципу организации относительного движения теплообменивающихся сред:

-дымовых газов и воды (это главный признак, определяющий не только конструктивные особенности котлов, но и их различия по экономичности и безопасности);

-водотрубные и огнетрубные. В водотрубном котле внутри труб движутся вода и пароводяная смесь, а горячие дымовые газы омывают трубы снаружи. В огнетрубном котле органическое топливо сжигается в размещенных в водяных объемах котла жаровых трубах (отсюда огнетрубный -" огонь в трубе) и топочных камерах, а дымовые газы движутся внутри дымогарных труб. Стремление использовать достоинства и водотрубных, и огнетрубных котлов привело к созданию огнетрубно-водотрубных котлов, в которых применены оба принципа организации относительного движения теплообменивающихся сред;

б) назначению

-главные;

-вспомогательные;

в) характеру движущих сил, определяющих движение воды и пароводяной смеси - с естественной циркуляцией и принудительным током воды. Процесс естественной циркуляции, т.

е. движение воды и пароводяной смеси по замкнутому контуру, происходит вследствие разности плотностей воды и пароводяной смеси и соответствующей компоновки парообразующих элементов. Принудительный ток воды и пароводяной смеси в котле создается специальным насосом. Различают котлы прямоточные, в которых принудительный ток теплоносителя создается питательными насосами, и с искусственной циркуляцией (или многократно принудительной), создаваемой отдельным циркуляционным насосом;

г) способу подачи воздуха для горения топлива, т. е. по давлению в топке