В основе работы всех комбинированных установок с термодинамической связью лежит принцип максимально возможного использования теплоты отработавших газов главного двигателя. Так как теплота отработавших газов в тепловом балансе любого типа двигателя является самой большой по величине потерей, то вернув часть теплоты газов обратно в общий термодинамический цикл КЭУ (комбинированная энергетическая установка), можно полезно использовать эту теплоту и одновременно снизить величину потерь с уходящими газами.
Вернуть часть теплоты газов в цикл КЭУ возможно с помощью использования утилизационных паровых котлов или утилизационных газовых турбин. В первом случае речь идет о комбинированных установках с паровой (или паротурбинной) утилизационной частью, в которых теплота отработавших газов используется для испарения питательной воды и выработки из нее пара заданных параметров, с последующим использованием этого пара в утилизационных пропульсивных паровых турбинах, утилизационных турбогенераторах, или для бытовых нужд судна. Во втором случае речь идет об использовании энергии отработавших газов в утилизационной газовой турбине, которая может осуществлять передачу мощности на движитель судна, а также являться приводным двигателем утилизационных газотурбогенераторов, вырабатывающих электроэнергию, или наддувочных агрегатов главных дизельных двигателей и паровых котлов.
Газо-паротурбинные установки с термодинамической связью
В газотурбинных установках основным способом утилизации теплоты уходящих газов является использование цикла ГТУ (газотурбинная установка) с регенерацией, в котором осуществляется предварительный подогрев воздуха, подаваемого в камеры сгорания. Но использование регенератора существенно влияет на конструктивную схему ГТД (газотурбинный двигатель), которая в этом случае не может быть основана на прямоточном принципе. Использование прямоточного принципа построения ГТУ дает возможность получить наиболее совершенные осесимметричные конструктивные формы корпусов турбомашин, свести потери давления рабочих сред в трубопроводах к минимуму, а также исключить потери давления воздуха в самом регенераторе. Прямоточный принцип движения газов в ГТУ значительно сокращает массогабаритные показатели установки, позволяет использовать в судовых ГТУ конструктивные узлы и агрегаты достаточно дешевых авиационных двигателей, выпускаемых крупными сериями. Однако КПД прямоточных ГТД сравнительно невысок. Поэтому существенным способом повышения КПД установки является использование теплоты уходящих газов в теплообменном аппарате, включенном в схему другой энергетической установки с любым рабочим телом. В качестве такой энергетической установки вполне может использоваться котлотурбинная установка с утилизационным паровым котлом, расположенным в выпускном газоходе газотурбинного двигателя.
В основе построения термодинамически комбинированных ГПТУ (газо-паротурбинная установка) лежит газотурбинная установка, включающая в свой состав компрессор, камеры сгорания и газовые турбины. Отработавшие в ГТД газы поступают в утилизационный паровой котел, в котором за счет передачи теплоты в поверхностях нагрева от газов к питательной воде образуется пар, после чего охлажденные газы выбрасываются в атмосферу. В качестве УПК (утилизационный паровой котел) может использоваться котел любого типа: с естественной циркуляцией, с многократной принудительной циркуляцией или прямоточный. С целью повышения параметров вырабатываемого пара в состав котла может входить пароперегреватель. ГТУ может выполняться прямоточной или с регенерацией, со ступенчатым сжатием и промежуточным охлаждением воздуха. Но для комбинированных установок целесообразнее использовать прямоточные ГТД, так как после регенератора газы имеют достаточно низкую температуру, и для обеспечения заданной паропроизводительности ТУК (теплоутилизационный контур) испарительная поверхность нагрева УПК должна иметь большую площадь, что увеличивает размеры как самого утилизационного котла, так и всей установки в целом. При этом пар, вырабатываемый таким котлом, имеет низкие параметры: Pk=0,6 МПа , D=4,5 т/ч, , и может использоваться только для привода турбогенератора и обеспечения теплом общесудовых потребителей и бытовых нужд судна. В схемах ГПТУ, использующих прямоточные ГТД, температура выхлопных газов ГТД намного выше, поэтому УПК вырабатывают пар достаточно высоких параметров. Паротурбинная часть такой ГПТУ имеет значительную мощность, и может выполнять роль пропульсивного двигателя дополняя мощность основного ГТД.
На рис. 7 показана схема ГПТУ с регенеративным ГТД, использующим цикл с двухступенчатым сжатием воздуха и промежуточным его охлаждением. Отработавшие газы, пройдя регенератор, поступают в утилизационный котел комбинированного типа, имеющий утилизационную и топливную части.
Выхлопные газы ГТД с температурой 245 °C после регенератора поступают в утилизационный паровой котел. Перегретый пар, выработанный в УПК, подается в турбогенератор, и частично – на общесудовые потребители и бытовые нужды судна. Отработавший в турбогенераторе пар сбрасывается в конденсатор и конденсируется. Конденсат забирается конденсатным насосом и поступает в специальную емкость – «теплый ящик», которая предназначена для сбора дренажей и конденсата от всех потребителей пара, а также играет роль емкости, компенсирующей тепловые расширения воды конденсатно-питательной системы. Вода из теплого ящика забирается питательным насосом и подается в утилизационный паровой котел для выработки пара.
На полных режимах работы ГТД тепловой энергии выхлопных газов хватает для выработки заданного количества пара и обеспечения им работы УТГ и общесудовых потребителей. На режимах уменьшенных ходов автоматически включается в работу топливная часть комбинированного котла, восполняя недостаток теплоты отработавших в ГТД газов.
Возможные варианты принципиальных схем ГПТУ на основе прямоточных ГТД показаны на рис. 8.
В составе ТУК рассматриваемых ГПТУ используются утилизационные паровые котлы с многократной принудительной циркуляцией. Высокие параметры отработавших газов прямоточного ГТД позволяют вырабатывать 24 т/ч перегретого пара ( pпе=1,17 МПа; tпе=309 °C ) и 2 т/ч насыщенного пара для общесудовых нужд. Полученный в котле перегретый пар направляется в утилизационную пропульсивную паровую турбину, передающую свою мощность совместно с основным ГТД через суммирующий редуктор на общую линию вала судна, и в утилизационный турбогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработавший в УПТ и УТГ пар поступает в конденсаторы. Образовавшийся конденсат забирается конденсатными насосами, подается в теплый ящик, и из него, с помощью питательного насоса, направляется в сепаратор УПК.
Интерес представляет вариант ГПТУ с отключаемым наддувом, в котором мощность утилизационной паровой турбины используется для привода наддувочного компрессора (фрагмент схемы такой установки показан на рис 8.б). На увеличенных скоростях хода судна ГТД работает по схеме двухступенчатого сжатия воздуха с промежуточным его охлаждением. При использовании в комбинированной ГПТУ паровой турбины для привода компрессора можно получить значительно большее увеличение мощности на фланце редуктора, чем при простом суммировании мощностей пропульсивных турбин ГТУ и УПТ. Это объясняется тем, что при подключении дополнительного наддува мощность пропульсивной газовой турбины увеличивается как за счет увеличения массового расхода газа, так и за счет увеличения теплоперепада, срабатываемого в ее проточной части. Поэтому пропульсивная газовая турбина в этой схеме ГПТУ должна иметь более развитую проточную часть, чем в схеме с пропульсивной УПТ.
Термодинамический цикл комбинированной ГПТУ состоит из двух частей: цикла ГТД и цикла ПСУ (паросиловая установка). Цикл ПСУ использует теплоту отработавших газов ГТД для подогрева питательной воды, ее испарения и перегрева образовавшегося пара. Совмещенный термодинамический цикл ГПТУ состоит из следующих процессов (рис. 9):
Описанные выше термодинамические процессы и цикл ГПТУ (рис. 9) соответствуют комбинированной установке, включающей в состав прямоточный ГТД и простейшую нерегенеративную тепловую схему ПСУ.
Важной особенностью ГПТУ является специфика режимов реверса и маневрирования. Мощности пропульсивной паровой турбины, как правило, недостаточно для обеспечения реверса, а использование любой части установки (паротурбинной или газотурбинной) для обеспечения реверса предполагает отключение другой части от редуктора, что влечет за собой необходимость использования специальных быстроотключаемых муфт и соответствующих средств дистанционного управления и автоматики. По этой причине для ГПТУ наиболее рациональным способом обеспечения реверса является использование винтов регулируемого шага.
Принципиальные схемы газо-паровых установок аналогичны схемам ГПТУ. Различие состоит в том, что ТУК газопаровых установок вырабатывает пар более низких параметров, тепловой энергии которого недостаточно для получения значительной избыточной мощности в утилизационной пропульсивной паровой турбине или в УТГ. Поэтому весь пар, вырабатываемый в ТУК, направляется на обеспечение бытовых нужд судна: системы парового отопления, камбузное оборудование, сушильные и гладильные помещения, обогрев различных сред и т.д.
Паро-газотурбинные установки с термодинамической связью
Типичной ПГТУ с термодинамической связью является котлотурбинная установка с высоконапорным котлом. В такой установке тепловая энергия газов, прошедших через поверхности нагрева высоконапорного котла, срабатывается в утилизационной газовой турбине, приводящей в действие наддувочный компрессор. Компрессор забирает воздух из атмосферы и подает его в топку ВНК (высоконапорный котел) под давлением, существенно превышающим атмосферное (0,2 ÷ 0,4 МПа). Такая организация дутья в ВНК дает следующие преимущества:
- газотурбинный привод компрессора сокращает затраты пара или электроэнергии на собственные нужды котельной установки (из-за отсутствия котельного вентилятора), что снижает расход топлива на собственные нужды установки и повышает ее КПД в целом;
- в процессе сжатия воздуха в компрессоре его температура повышается до 160 ÷ 170 °C, что позволяет исключить из состава ВНК громоздкую поверхность нагрева подогревателя воздуха (роль воздухоподогревателя выполняет воздушный компрессор ТНА);
- более полно и эффективно используется энергия дымовых газов.
Повышенное давление воздуха и газов значительно интенсифицирует процессы горения топлива, теплопередачи в топке и конвективных поверхностях нагрева, увеличивает теплонапряжение топочного объема котла, что в комплексе дает возможность значительно (в 5 ÷ 8 раз) сократить массогабаритные показатели ВНК по сравнению с аналогичным котлом, использующим вентиляторное дутье, повысить его маневренные характеристики.
Схема комбинированной ПГТУ с высоконапорным котлом показана на рис. 10. Воздух из атмосферы забирается компрессором ТНА , сжимается и подается в топку ВНК. Топливо в топке ВНК сгорает при повышенном давлении воздуха, образовавшиеся газы омывают поверхности нагрева котла и отдают часть своей энергии на испарение воды в испарительной части котла, перегрев пара в пароперегревателе и подогрев воды в экономайзере. После прохождения через поверхности нагрева горячие газы очищаются от механических частиц (сажи) в газоочистном устройстве и поступают в проточную часть газовой турбины. Мощность, вырабатываемая газовой турбиной, передается на вращение компрессора. На тех режимах работы ВНК, когда энергии газов не хватает для обеспечения потребной мощности компрессора, дополнительно к газовой турбине автоматически подключается добавительная паровая турбина, компенсирующая недостачу мощности. Добавительная турбина также выполняет роль пускового двигателя для ВНК. Пар для работы добавительной паровой турбины отбирается из самого котла. Отработавший в ДПТ пар поступает в водоподогреватель для предварительного подогрева питательной воды перед подачей ее в котел. Поскольку ДПТ работает не все время, а только в режимах пуска и малых нагрузок котла, то становится очевидной экономия пара, затрачиваемого на собственные нужды котельной установки (по сравнению с котлами с вентиляторным дутьем, у которых котельный вентилятор работает на всех режимах работы котла). Три турбоагрегата, находящиеся на одном валу: осевой компрессор, газовую турбину и добавительную паровую турбину, конструктивно объединяют в единый механизм – турбонаддувочный агрегат.
Наибольшие преимущества от применения газотурбинного наддува можно получить, если высоконапорный котел выполнить не на основе естественной циркуляции воды, а с принудительной циркуляцией (особенно в случае осуществления принудительной циркуляции по прямоточному принципу).
При использовании газотурбинного наддува ВНК возможны три варианта размещения газовой турбины в воздушно-газовом тракте котла:
- газовая турбина ТНА располагается за экономайзерной поверхностью нагрева в самом конце газового тракта котла (рис. 11.а). Такая схема размещения позволяет упростить конструкцию котла, использовать для изготовления ТНА менее жаропрочные и более дешевые материалы, а также значительно упрощает систему регулирования подачи воздуха в ВНК. Но размещение газовой турбины в области пониженных температур газов влечет за собой увеличение числа ее ступеней и более раннее включение добавительной паровой турбины на меньших значениях нагрузок котла из-за недостаточной мощности газовой турбины. Сам ВНК при этом имеет пониженный КПД из-за недостаточно развитой экономайзерной поверхности нагрева;
- газовая турбина ТНА располагается за пароперегревателем, до экономайзерной поверхности нагрева (рис. 11.б). Такое размещение упрощает конструкцию газовой турбины ТНА (она может быть выполнена одноступенчатой с достаточно низким КПД); практически исключает работу добавительной паровой турбины на всех нагрузках котла (кроме режима пуска) и даже позволяет получить значительную избыточную мощность на валу ТНА, которую можно использовать для привода навешенного турбогенератора или добавлять к линии вала судна. Сам паровой котел при этом может иметь высокое значение КПД, так как ограничений по площади экономайзерной поверхности нагрева не имеется. Но размещение газовой турбины ТНА в зоне высоких температур предполагает изготовление ее деталей из дорогих жаропрочных материалов и значительно усложняет систему регулирования подачи воздуха в котел;
- газовая турбина располагается между секциями экономайзера (врассечку экономайзера – рис. 11.в). ВНК, выполненные по такой схеме, сочетают преимущества предыдущих схем, имеют достаточно высокий КПД, так как экономайзерную поверхность нагрева за газовой турбиной, с целью максимального использования теплоты газов, можно выполнять достаточно большой. Но система регулирования подачи воздуха в котел в этом случае получается еще более сложной, чем в предыдущем варианте.
Описанный выше термодинамический цикл характерен для ПГТУ с ВНК, в котором газовая турбина установлена врассечку экономайзера, а тепловая схема паротурбинной части установки выполнена с одноступенчатым регенеративным подогревом питательной воды.
В энергетических установках с ВНК газотурбинные ТНА выполняют вспомогательные функции, не принимая прямого участия в процессах, связанных с получением энергии для движения судна. Но некоторый интерес может представить превращение ТНА из вспомогательного агрегата в один из элементов установки, пригодных для получения дополнительной мощности на гребном валу. Для этого к валу ТНА, работающему с избытком мощности, подключают электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию на основном ходовом режиме. При достаточно большой избыточной мощности ТНА возможно его использование в качестве пропульсивного двигателя, передающего избыточную мощность через суммирующий редуктор на линию вала судна совместно с главной паровой турбиной.
Дизель-газотурбинные установки
К этому типу КЭУ относят дизельные двигатели, в которых, с целью увеличения мощности, используется газотурбинный наддув. Использование наддува повышает плотность заряда воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, увеличивает среднее эффективное давление в цилиндрах, что в итоге приводит к значительному повышению мощности двигателя без изменения его геометрических размеров и форсирования. Мощность на привод наддувочного компрессора можно отбирать непосредственно от коленчатого вала двигателя, на что тратится от 7 до 10 % эффективной мощности дизеля. Но более целесообразным и экономичным вариантом наддува является привод наддувочного компрессора от газовой турбины, использующей энергию выхлопных газов двигателя. На практике возможны следующие способы осуществления газотурбинного наддува дизелей:
- изобарный наддув, при котором выхлопные газы собираются в выхлопном коллекторе. Здесь происходит выравнивание полей давлений и скоростей газов, покидающих цилиндры, и уже при постоянном давлении газы подаются в проточную часть газовой турбины, приводящей во вращение компрессор;
- импульсный наддув, при котором дополнительно используется кинетическая энергия газов в виде импульсов в периоды свободного выпуска. Соединительные трубы между выпускными окнами (клапанами) и газовыми турбинами делаются как можно короче с целью уменьшения дросселирования газов в выхлопном патрубке и максимального сохранения их кинетической и тепловой энергии;
- комбинированный наддув, который предполагает использование механического привода турбонагнетателя от коленчатого вала в сочетании с одним из способов газотурбинного наддува, либо сочетание импульсного газотурбинного наддува с изобарным.
Применение газотурбинного наддува дизельного двигателя позволяет:
- наиболее полно использовать тепловую и кинетическую энергию продуктов сгорания, покидающих цилиндры двигателя (т.е. уменьшить потери с уходящими газами QГ – самую большую составляющую тепловых потерь дизельного двигателя);
- без дополнительных затрат энергии осуществить сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, что в свою очередь повышает среднее эффективное давление в цилиндрах и, соответственно, мощность дизеля;
- за счет использования перечисленных мероприятий повысить общий КПД дизельной энергетической установки.
Дизель-паровые и дизель-паротурбинные установки
Применение комбинированных установок на судах с ДЭУ имеет свои особенности. Они связаны с тем, что теплота выхлопных газов дизельных двигателей значительно меньше, чем у ГТД равной эффективной мощности, и дополнительно имеется возможность использования низкопотенциальной теплоты жидкостей систем охлаждения двигателя.
Теплоту выхлопных газов можно использовать так же, как и в комбинированных ГПТУ, т.е. для получения пара в утилизационном паровом котле. Этот пар, в свою очередь, может использоваться:
- для теплоснабжения судна и подачи пара на потребители общесудовых систем с частичным или полным вытеснением пара вспомогательного котла. Такой тип установки называется дизель-паровой установкой – ДПУ;
- для выработки электроэнергии в утилизационном турбогенераторе с частичным или полным вытеснением электроэнергии вспомогательных дизельгенераторов. Такой тип установки называется дизель-паротурбинной – ДПТУ (Э);
- для выработки пропульсивной мощности, передаваемой на движитель судна параллельно с мощностью главных двигателей. Такой тип установки называется дизель-паротурбинной – ДПТУ.
Низкопотенциальную теплоту охлаждающих жидкостей можно использовать для обеспечения теплоснабжения судна (при достаточной температуре охлаждающей воды); для получения пара в вакуумных расширителях и его использования в УТГ; для подогрева воздуха в системах кондиционирования; для испарения воды в опреснительных установках; в абсорбционных или пароэжекторных холодильных установках. Целесообразно также совместное использование энергоресурсов выхлопных газов и охлаждающих жидкостей, за исключением случаев, когда теплоты газов достаточно для покрытия всех потребностей судна в тепло- и электроснабжении.
Схема дизель-паровой комбинированной установки, рассчитанной только на выработку пара для обеспечения теплоснабжения судна, показана на рис. 13. Утилизационный паровой котел в такого рода установках вырабатывает, как правило, насыщенный пар низких параметров, который направляется в паровую распределительную коробку. Сюда же подается пар от вспомогательного котла, работающего на стоянке судна. Из коробки пар распределяется по потребителям тепла. Пройдя через потребители, пар поступает в конденсатор, конденсируется, и конденсат стекает в цистерну сбора конденсата. Конденсатный насос забирает скопившийся в цистерне конденсат и подает его в теплый ящик. Теплый ящик играет роль емкости для компенсации тепловых расширений воды и хранения некоторого запаса питательной воды. Возможные утечки воды из цикла восполняются подачей свежей питательной воды в теплый ящик из запасной цистерны питательной воды. Питательный насос забирает воду из теплого ящика и подает ее в утилизационный котел. УПК в такого рода установках обычно выполняется по схеме многократной принудительной циркуляции или прямоточным (на схеме изображен УПК с МПЦ). Паропроизводительность установки регулируется сбросом излишков пара через автоматический клапан травления в конденсатор.
На рис. 14 показана примерная схема ДПТУ с глубокой утилизацией теплоты с использованием теплоты как отработавших газов главного двигателя, так и горячей воды контура охлаждения двигателя. В первую очередь энергия выхлопных газов срабатывается в проточной части газовой турбины наддувочного агрегата главного двигателя. После расширения в газовой турбине отработавшие газы поступают в утилизационный котел. В отличие от схемы ДПУ, утилизационный котел может иметь развитые экономайзерную и пароперегревательную поверхности нагрева, и вырабатывать как насыщенный, так и перегретый пар. Насыщенный пар из сепаратора УПК поступает в пароперегреватель, и частично может подаваться в паровую распределительную коробку на обеспечение теплом общесудовых потребителей пара. Перегретый в пароперегревателе пар направляется в турбину утилизационного турбогенератора.
Конденсат от общесудовых потребителей пара и из конденсатора УТГ конденсатными насосами подается в теплый ящик. Питательный насос забирает воду из теплого ящика и прокачивает ее через подогреватель питательной воды. В водоподогревателе происходит подогрев питательной воды за счет теплоты воды контура охлаждения двигателя. Подогретая в водоподогревателе питательная вода поступает в экономайзер УПК, и частично – в парогенератор низкого давления ПГНД.
В рассматриваемой установке возможны несколько вариантов утилизации теплоты отработавших газов главного двигателя:
- УПК вырабатывает пар только для утилизационной паровой турбины. Турбина при этом имеет максимальную мощность и передает ее на линию вала судна через гибкую муфту и механический редуктор, либо работает в режиме турбогенератора на выработку электроэнергии, которая передается на гребной электродвигатель – ГЭД, добавляющий пропульсивную мощность к линии вала судна. Электроэнергетическая система судна в этом случае получает питание от дизельгенераторов, а пар на общесудовые потребители вырабатывается в ПГНД;
- УПК вырабатывает пар только для утилизационной паровой турбины, которая в свою очередь вырабатывает электроэнергию только для питания электроэнергетической системы судна с полным или частичным замещением дизельгенераторов. ПГНД вырабатывает пар на общесудовые потребители судна;
- УПК вырабатывает пар как для работы утилизационной паровой турбины, так и для общесудовых потребителей. При этом паровая турбина работает только на выработку электроэнергии для питания электропотребителей судна с частичным или полным замещением функций дизельгенераторов. ПГНД в этом режиме может быть отключен.
Помимо теплоты отработавших газов в такой комбинированной установке полезно используется теплота воды контура охлаждения главного двигателя. Горячая вода из рубашки охлаждения двигателя направляется:
- в водоопреснительную установку, где ее теплота используется для испарения забортной воды и получения из нее пресной воды;
- в утилизационную холодильную машину;
- в подогреватель питательной воды.
Совместное использование энергоресурсов выхлопных газов и охлаждающей воды позволяет повысить тепловую экономичность установки и расширить область режимов работы энергетической установки, в которой ТУК способен заместить (вытеснить) и вспомогательные паровые котлы и дизельгенераторы.
Как и в случае ГПТУ с пропульсивными паровыми турбинами, для ДПТУ также существуют определенные проблемы с обеспечением реверса установки. Для таких установок целесообразно применять внешние средства реверса, из которых наиболее приемлемыми и простыми являются электрические передачи или ВРШ.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
