Тема 3. ПАРОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ Назначение, состав и принципиальная схема ПТУ

История создания парового котла
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 ,главная паровая турбина, главный конденсатор, главная зубчатая передача. Совокупность перечисленных элементов (без парового котла) представляет собой главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА).

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

котел; Т – турбина; Р – редуктор; К – конденсатор;

ПН – питательный насос; ПВ – питательная вода; ЗВ – забортная вода; ВМ – вспомогательные механизмы.

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.

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.

делятся на нерегенеративные и регенеративные. Регенеративные делятся на схемы 1го

рода, 2го рода и 3го рода.
Схемы 1го рода предусматривают регенеративный подогрев питательной воды паром, отобранным из главной турбины. В схемах 2го рода регенеративный процесс осуществляется отобранным паром от вспомогательных турбин.
В тепловых схемах 3го рода (смешанного типа) для регенерации используется пар, отобранный от главных и вспомогательных турбин одновременно.
Рассмотрим названные тепловые схемы ПТУ

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.

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.

который частично отработал в турбине. За счет этого уменьшается количество

отработанного пара, который сбрасывается в конденсатор. Одновременно уменьшаются потери теплоты, отводимой забортной водой.

Регенеративная тепловая схема 2го 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).

вспомогательных турбин (2го рода).

от 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.

отделение растворенных в воде газов. В данной тепловой схеме 2го

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.

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).

цикле главной турбины (схема 1го 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 1го 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.

специальные и другие суда), большие пассажирские суда и ледоколы.
Основными

характеристиками судовых ПТУ являются:
количество парогенераторов (паровых котлов);
давление пара, мПа (за парогенератором, за промежуточными пароперегревателями);
температура пара, ºС (за парогенератором, за промежуточным пароперегревателем);
тип ПТУ (без промежуточного перегрева, с промежуточным перегревом);
мощность ГТЗА, мВт (номинальная и максимальная);
количество отборов пара;
количество ступеней подогрева питательной воды;
удельный затраты топлива на все потребители судна, кг/(кВт.ч).

ПТУ.
Например, наиболее мощной ПТУ обладает пассажирское судно «Юнайтед Стейтс» водоизмещением

53.330 т и эксплутационной скоростью хода 30 узлов. Для обеспечения такой скорости хода это судно имеет 4 ГТЗА суммарной мощностью 181 мВт.
Для сравнения, танкер серии «Крым» имеет водоизмещение 150.000 т, а скорость хода 17 узлов, мощность его ГТЗА – 22 мВт. На таком танкере установлен один ГТЗА с турбинами высокого, среднего и низкого давления. Давление пара за парогенератором 7,65 мПа, за промежуточным пароперегревателем 1,46 мПа. Температура рабочего пара 510ºС. От турбины осуществляется 5 отборов пара, который используется в 5-ти ступенях подогрева питательной воды. Удельные затраты топлива на все потребители танкера – 0,258 кг/( кВт.ч).

мВт (на танкере «Крым» - 22 мВт);
паропроизводительность котлов, т/ч;
электрическая мощность

генераторов, кВт;
эффективный КПД ГТЗА (на танкере «Крым» - 0,807);
КПД котла (на танкере «Крым» - 0,96);
тип главного и вспомогательного конденсаторов (одноходовой, двухходовой и т.д.);
тип редуктора (одноступенчатый, двухступенчатый, трехступенчатый, смешанного типа; тип зубьев);
реверсивный или нереверсивный ГТЗА;
тип винта (фиксированного или регулируемого шага).

(3.1)

Абсолютный КПД ГТЗА определяется по формуле:
е=t.bi.be,
где t – термический КПД цикла (характеризует затраты энергии в конденсаторе); bi – внутренний индикаторный КПД ГТЗА; be – эффективный КПД ГТЗА.

химической энергии топлива переходит в полученную работу, а большая доля

теряется. Наибольшие затраты энергии происходят при конденсации пара (50…60% теплоты, от подаваемой к ГТЗА).
В то же время имеется возможность повышать характеристики ПТУ. Например:
повышение только давления пара за котлом позволяет снизить затраты топлива на 3…8%;
увеличение количества ступеней регенеративного подогрева питательной воды позволяет повышать КПД ПТУ. Так при одноступенчатом подогреве питательной воды КПД цикла повышается на 3,5…4%, двухступенчатом – на 5,5…6%, трехступенчатом – на 7…7,5%, четырехступенчатом – на 8…8,5%.

дает эффекта увеличения КПД цикла;
увеличение КПД главного котла до 0,96…0,98

достигается улучшением процессов горения топлива, а также снижением затрат с выпускными газами.
Существуют и другие способы повышения КПД ПТУ.
Следует отметить, что несмотря на большую и плодотворную работу конструкторских фирм по совершенствованию ПТУ, такие установки до сегодняшнего времени не находят широкого применения на транспортном флоте. Начиная с конца 70-х годов XX в. флот наполняется за год лишь единицами судов с паротурбинными энергетическими установками.