Глава 3.

КОТЛОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Судовой котлотурбинной энергетической установкой – КТЭУ называется комплекс технических средств, предназначенных для выработки пара заданных параметров и преобразования энергии пара в механическую, электрическую и другие виды энергии для обеспечения движения и маневрирования судна, а также выполнения им других задач, характерных для данного класса судна.

Судовые котлотурбинные энергетические установки являются наиболее сложными среди всего многообразия других видов энергетических установок. По сложности и разветвленности систем с ними могут сравниться только ядерные энергетические установки. В свою очередь ядерные энергетические установки, в которых главным двигателем является паровая турбина, по своей сути аналогичны котлотурбинным, но в качестве генерирующей части для выработки пара в них используется не паровой котел, а ядерный реактор и парогенераторы.

В отличие от рассмотренных ранее дизельных и газотурбинных энергетических установок, в которых генерирующая и исполнительная части объединены в одном агрегате, все КТЭУ имеют раздельные генерирующую и исполнительную части. В качестве генерирующей части в КТЭУ используется котельная установка, предназначенная для выработки перегретого пара заданных параметров. В качестве исполнительной части используется паротурбинная установка, предназначенная для преобразования потенциальной энергии пара в механическую энергию вращения линии вала судна.

Принципиальная схема КТЭУ (один из возможных вариантов) показана на рис. 1. Из расходной топливной цистерны топливным насосом жидкое топливо (мазут) подается на подогрев в нефтеподогреватель. Подогретое топливо через регулятор горения поступает в топку парового котла и распыливается в ней топливными форсунками. Сюда же, в топку котла, котельным вентилятором подается воздух, необходимый для сжигания топлива. При сжигании топлива в топке котла образуется большой объем горячих газов, омывающих при своем движении по газоходам расположенные там трубные поверхности нагрева котла: испарительную, пароперегревательную, экономайзерную и воздухоподогреватель. Поток горячих газов передает свою тепловую энергию нагреваемым средам: воде, пару и воздуху. Насыщенный пар, образующийся в испарительной части, проходит через пароперегреватель, в котором происходит повышение его температуры. Из котла перегретый пар отбирается через главный стопорный клапан, и по главному паропроводу подается в маневровое устройство главной паровой турбины. В маневровом устройстве, в зависимости от заданного режима движения судна, осуществляется распределение пара в сопловые аппараты турбины переднего хода через быстрозапорный клапан переднего хода, или в турбину заднего хода через маневровый клапан заднего хода. В паровой турбине происходит преобразование потенциальной энергии пара: сначала в сопловом аппарате в кинетическую энергию движущейся струи, а затем в каналах, образованных рабочими лопатками, в механическую энергию вращения ротора турбины. Крутящий момент ротора турбины через редукторную передачу передается на линию вала судна. Отработавший в турбине пар поступает в главный конденсатор, где при соприкосновении с трубками, прокачиваемыми забортной водой, охлаждается и конденсируется. Образовавшийся конденсат стекает в нижнюю часть главного конденсатора – конденсатосборник, и забирается оттуда конденсатным насосом. В главном конденсаторе, для обеспечения как можно большей степени расширения пара и улучшения условий работы последних ступеней турбины, поддерживается вакуум. Вакуум создается за счет значительного уменьшения объема пара при его конденсации в воду, и поддерживается работой пароструйного эжектора. Конденсатный насос через ионообменный фильтр, обеспечивающий снижение концентрации растворенных в воде солей, подает конденсат в водоподогреватель – деаэратор. В деаэраторе происходит предварительный подогрев питательной воды паром и удаление из нее растворенных газов. Подогретая и очищенная от растворенных солей и газов питательная вода забирается из деаэратора питательным насосом и через регулятор питания поступает в паровой котел.

Помимо главного цикла, описанного выше, пар в КТЭУ может подаваться на турбоприводы вспомогательных механизмов ГЭУ, различного рода теплообменники (водо-, масло-, нефтеподогреватели), пароструйные эжекторы, пароэжекторные или турбокомпрессорные холодильные машины, водоопреснительные установки, бытовые нужды судна (паровое отопление, прачечные, гладильные и сушильные помещения, камбузное оборудование), приводы палубных механизмов (паровые лебедки, шпили, брашпили) и другое механическое оборудование. Отработавший пар или конденсат от всех общесудовых потребителей пара возвращается обратно в цикл КТЭУ. Так как не исключена возможность загрязнения этого конденсата горюче-смазочными материалами или солями, то он сначала сбрасывается в цистерну «грязных» конденсатов, а далее, в зависимости от степени загрязнения, направляется в главный конденсатор или сливается в трюм. Неизбежные при работе КТЭУ протечки и потери воды и пара пополняются из расходной цистерны питательной воды, которая в свою очередь подпитывается водой, вырабатываемой в водоопреснительных установках.

Особенностью котлотурбинной установки, отличающей ее от рассмотренных ранее дизельных и газотурбинных энергетических установок, является тот факт, что процессы, образующие термодинамический цикл, происходят в разных частях (механизмах и теплообменных аппаратах) установки.

Рис. 1. Принципиальная схема котлотурбинной энергетической установки.

– главный паровой котел; – турбовентилятор котельный; – экономайзер;

– воздух; – дымовые газы; – воздухоподогреватель; – регулятор питания котла; – главный стопорный клапан; – регулятор горения; – топливный фильтр; – быстрозапорный топливный клапан; – нефтеподогреватель;

– греющий пар; – конденсат греющего пара; – топливные насосы;

– расходная топливная цистерна; – регулятор давления; – маневровое устройство; – маневровый клапан заднего хода; – быстрозапорный клапан переднего хода; – сопловые клапаны переднего хода; – сопловый аппарат; – главный турбозубчатый агрегат; – турбина высокого давления;

– турбина низкого давления; – турбина заднего хода; – редуктор;

– главный упорный подшипник; – главный конденсатор;

– турбоциркуляционный насос; – конденсатный насос; – пароструйный эжектор; – ионообменный фильтр; – деаэратор; – питательный насос;

– конденсатоотводчики; – расходная масляная цистерна; – масляный фильтр; – масляные насосы; – маслоохладитель; – турбоприводы ВМ машинного и котельного отделений; – теплообменные аппараты;

– общесудовые системы.

Цикл котлотурбинной энергетической установки (применительно к схеме, изображенной на рис. 1) состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 2):

		–	адиабатное расширение пара в паровой турбине;
		–	изотермический процесс конденсации пара в главном конденсаторе;
		–	сжатие конденсата в конденсатном насосе;
		–	изобарный подогрев конденсата в водоподогревателе (деаэраторе);
		–	сжатие подогретой питательной воды в питательном насосе;
		–	изобарный подогрев питательной воды в экономайзере котла;
		–	изобарный подогрев питательной воды до температуры насыщения в испарительной части котла;
		–	испарение котловой воды в испарительной части котла;
		–	изобарный перегрев пара в пароперегревателе котла;

Рис. 2. Термодинамический цикл котлотурбинной энергетической установки.

В зависимости от состава главных и вспомогательных механизмов, типа тепловой схемы, способа подогрева питательной воды, числа ступеней подогрева питательной воды, использования принципа промежуточного перегрева пара и других факторов, вид термодинамического цикла и процессы, из которых он состоит, могут в некоторой степени меняться.

Более подробно тепловые схемы КТЭУ и особенности их термодинамических циклов будут рассмотрены в разделе «Тепловые схемы КТЭУ».

судовые паровые котлы