Костылев ИИ СКУ 2021

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА» И. И. КОСТЫЛЕВ СУДОВЫЕ КОТЕЛЬНЫЕ И ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ Учебник Рекомендовано Федеральным Учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 26.00.00 «Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта» в качестве учебника для реализации основной профессиональной образовательной программы высшего образования по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» Санкт-Петербург Издательство ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова 2021 УДК 621.181:629.12 ББК 31.361 К72 К72 Костылев, И. И. Судовые котельные и паропроизводящие установки: учебник. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2021. — 352 с. ISBN 978-5-9509-0435-6 Соответствует учебной программе ФГОС ВО по дисциплине «Судовые котельные и паропроизводящие установки» специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Рассмотрены классификация, рабочие процессы, конструктивные исполнения судовых котлов и режимы использования потребителей пара для наиболее характерных двигательных установок морских судов. Приведены особенности наиболее распространенных типов судовых котельных установок, устройство и принцип действия судовых систем, обслуживающих котел: питательных, топливных, подвода воздуха, систем автоматического регулирования, а также сигнализации и защиты. Изложены основы теоретических процессов, принцип действия различных типов судовых котлоагрегатов и характеристики котлов применительно к современным энергетическим установкам. Материалы учебника составлены с учетом требований не только национальных нормативных документов в сфере образования, но и международных правовых актов, реализуемых при помощи соответствующих профессиональных компетенций. Предназначено для курсантов и студентов, обучающихся по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок», а также может быть использовано судовыми механиками и инженерно-техническими работниками, занимающимися эксплуатацией и проектированием судовых механизмов и устройств. Рекомендовано Федеральным Учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей и направлений подготовки 26.00.00 «Техника и технологии кораблестроения и водного транспорта» в качестве учебника для реализации основной профессиональной образовательной программы высшего образования по специальности 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок». Протокол № 66 от 27 ноября 2020 г. Рецензенты: Никитин А. М., д-р техн. наук, проф., декан факультета судовой энергетики (ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова); Комлев Б. Я., управляющий директор ООО «Интеллектуальный менеджмент»; Николаев Н. И., д-р техн. наук, проф. (ГМУ им. адм. Ф. Ф. Ушакова). Автор выражает благодарность ПАО «Совкомфлот» за помощь и содействие в издании учебника ISBN 978-5-9509-0435-6 © ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», 2021 © Костылев И.И., 2021 ОГЛАВЛЕНИЕ Перечень принятых сокращений.............................................................. 5 Предисловие......................................................................................... 6 Введение............................................................................................... 9 1. Назначение, принцип действия и классификация судовых котлов........... 11 1.1. Назначение и принцип действия судовых котлов............................. 11 1.2. Показатели рабочего процесса котлов............................................ 14 1.3. Классификация судовых котлов.................................................... 17 1.4. Основные требования, предъявляемые к судовым котлам................. 19 2. Топливо для судовых котлов.............................................................. 21 2.1. Основные виды и сорта топлив...................................................... 21 2.2. Характеристики органического топлива......................................... 25 2.3. Основы процесса горения топлива................................................. 31 2.4. Теория топочных процессов.......................................................... 37 2.5. Процесс горения жидкого топлива................................................. 39 2.6. Сжигание водотопливных эмульсий.............................................. 44 2.7. Применение газового топлива....................................................... 46 3. Принцип действия и конструкции топочных устройств.......................... 51 3.1. Основные понятия....................................................................... 51 3.2. Форсунки с неподвижными распылителями................................... 52 3.3. Конструкции воздухонаправляющих устройств.............................. 55 3.4. Принцип действия ротационных горелок....................................... 58 3.5. Агрегатированные и газомазутные топочные устройства.................. 60 4. Тепловой баланс котла...................................................................... 66 4.1. Общие понятия теплового баланса................................................. 66 4.2. Методы составления теплового баланса.......................................... 68 4.3. Анализ тепловых потерь.............................................................. 70 4.4. Тепловой баланс утилизационного котла........................................ 76 5. Процессы теплообмена в котле........................................................... 79 5.1. Основные понятия процесса теплообмена....................................... 79 5.2. Процесс теплопередачи в топке..................................................... 82 5.3. Основы конвективного теплообмена............................................... 86 5.4. Теплопередача в поверхностях нагрева котлов................................ 95 5.5. Теплопередача в поверхностях нагрева утилизационных котлов...... 102 5.6. Особенности теплообмена в котлах с органическим теплоносителем.............................................................................. 105 6. Гидродинамические характеристики судовых котлов.......................... 113 6.1. Аэро- и газодинамические характеристики котлов........................ 113 6.2. Процессы естественной циркуляции в котлах............................... 118 7. Матералы. Прочность элементов котлов............................................. 128 7.1. Требования, предъявляемые к материалам для постройки и ремонта котлов............................................................................. 128 7.2. Основные положения расчета на прочность элементов судовых котлов............................................................................... 133 7.3. Освидетельствование котлов Российским морским регистром судоходства.................................................................................... 138 3 8. Водные режимы котлов................................................................... 144 8.1. Показатели качества воды и накипеобразование в процессе нагрева воды .................................................................................. 144 8.2. Методы обработки питательной воды........................................... 147 8.3. Обработка котловой воды........................................................... 150 9. Котельная установка и потребители пара........................................... 155 9.1. Основные сведения о составе судовых котельных установок и их классификации........................................................................ 155 9.2. Режимы использования потребителей пара................................... 158 10. Конструкции судовых котлов и их элементов.................................... 165 10.1. Общие сведения о конструктивных особенностях котлов............... 165 10.2. Водотрубные судовые котлы..................................................... 170 10.3. Газотрубные судовые котлы...................................................... 196 10.4. Газотрубно-водотрубные судовые котлы..................................... 200 10.5. Комбинированные котлы.......................................................... 207 10.6. Утилизационные котлы ........................................................... 209 10.7. Котлы с органическим теплоносителем ...................................... 220 10.8. Котельная арматура и другие элементы котла............................. 224 11. Системы, обслуживающие судовые котлы........................................ 237 11.1. Общие требования................................................................... 237 11.2. Питательные системы.............................................................. 238 11.3. Топливные системы................................................................. 242 11.4. Прочие системы котельной установки........................................ 252 11.5. Утилизационные контуры вспомогательных котельных установок....................................................................................... 255 12. Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты..... 262 12.1. Основные сведения о котельной установке как объекте управления.................................................................................... 262 12.2. Основные понятия и определения.............................................. 264 12.3. Системы автоматического регулирования питания котлов ............ 268 12.4. Системы автоматического регулирования горения....................... 273 12.5. Системы сигнализации и защиты судовых котлов........................ 280 12.6. Системы автоматического регулирования утилизационных контуров............................................................... 286 13. Техническое состояние элементов котельной установки..................... 291 13.1. Причины изменения технического состояния элементов котельной установки........................................................ 291 13.2. Коррозия в судовых котлах....................................................... 294 13.3. Разрушения кирпичной кладки................................................. 310 13.4. Разрушения металла, обусловленные усталостью и перегревом...... 311 14. Надежность и безопасность котельных установок.............................. 316 14.1. Основные понятия и показатели надежности котельной установки...................................................................................... 316 14.2. Аварии судовых котлов............................................................ 320 15. Паропроизводящие установки........................................................ 326 15.1. Главные парогенераторы в составе ЯЭУ...................................... 326 15.2. Парогенераторы низкого давления............................................. 327 Заключение...................................................................................... 338 Библиографический список................................................................. 340 Глоссарий......................................................................................... 342 Приложение 1................................................................................... 345 Приложение 2................................................................................... 351 4 Перечень принятых сокращений АТУ — агрегатированное топочное устройство БАУ — блок автоматического управления БЗК — быстрозапорный клапан ВБ — водяной барабан ВК — вспомогательный паровой котел ВНУ — воздухонаправляющее устройство ВП — воздухоподогреватель ВЭ — водяной экономайзер ГД — главный двигатель ГТЗА — главный турбозубчатый агрегат КВГ — котел водотрубный главный КО — конденсатоотводчик КП — конвективный пучок КПД — коэффициент полезного действия КУП — котел утилизационный паровой МКО — машинно-котельное отделение НТК — низкотемпературная коррозия ОИП — основной испарительный пучок ОТН — органический теплоноситель ПГ — парогенератор ПГБ — парогенераторный блок ПГНД — парогенератор низкого давления ПВ — питательная вода ПВБ — пароводяной барабан ПН — питательный насос ППВ — подогреватель питательной воды ПП — пароперегреватель ПО — пароохладитель ПрКл — предохранительный клапан ПрП — притопочный пучок ПС — продукты сгорания РВТ — регулятор вязкости топлива РУ — реакторная установка САР — система автоматического регулирования СГУТ — система глубокой утилизации тепла СКУ — судовая котельная установка СК — судовой котел СПГ — сжиженный природный газ СУГ— сжиженный углеводородный газ ТВД — турбина высокого давления ТНД — турбина низкого давления ТПВ — температура питательной воды ТТР — температура точки росы ТУГ — температура уходящих газов УК — утилизационный котел ЦН — циркуляционный насос ЭДС — электродвижущая сила ЭУ — энергетическая установка ЯППУ — ядерная паропроизводящая установка ЯЭУ — ядерная энергетическая установка COT — Crude oil tanker (танкер для перевозки сырой нефти) LNGC — Liquefied Natural Gas Carrier (танкер для перевозки сжиженного природного газа) ULCC — Ultra large crude carrier (танкер для перевозки сжиженных нефтепродуктов водоизмещением более 320 тыс. т) 5 ПРЕДИСЛОВИЕ Основу всех изучаемых в вузах технических дисциплин составляют вопросы развития, совершенствования и практического использования того или иного оборудования на основе имеющегося исторического опыта. Применительно к судовым котельным и паропроизводящим установкам следует обратиться к истории применения пара как энергетического источника. Идеи использования энергии водяного пара для производства механической работы возникли еще в XVI–XVII вв. благодаря изобретениям Леонардо да Винчи, Дж. Бранка, С. де Ко и других великих ученых, однако они оставались невостребованными вплоть до конца XVIII в., когда с развитием общественного производства потребовался переход от идей и проектов к промышленному использованию энергии пара и возникла потребность в создании надежных и безопасных паровых котлов. Большая заслуга в этом принадлежит французскому физику и математику Д. Папену, предложившему в 1680 г. построить паровой котел с высоким давлением пара, в котором был применен изобретенный ученым предохранительный клапан. Именно это изобретение, позволившее резко повысить безопасность паровых котлов, послужило толчком для их промышленного использования. В 1698 и 1707 гг. английскими инженерами Т. Севери и Т. Ньюкаменом были созданы котел и машина для откачивания воды из шахт в процессе добычи руды. Успешное использование этих установок привело к тому, что в 1736 г. англичанин Дж. Гуль получил патент на первый пароход с гребными колесами, приводимыми во вращение атмосферной паровой машиной Ньюкомена. В истории отечественных технических достижений известно много русских имен, среди которых русский механик и токарь Московской школы навигацких наук Андрей Нартов, заведовавший токарной мастерской Петра I, механик Кузьма Фролов, построивший первую гидравлическую машину, русский механик-изобретатель Иван Кулибин, являющийся создателем водоходного судна в Петербурге в 1782 г., российский изобретатель-теплотехник Иван Иванович Ползунов, построивший в 1765 г. на алтайском металлургическом заводе один из первых образцов действующей паровой машины. 6 Начало эпохи парового флота ознаменовано строительством пароходов американского инженера и изобретателя Р. Фултона, пассажирское судно которого «Клермонт» с котлами Д. Уатта совершало с 1807 г. в течение нескольких лет рейсы по р. Гудзон. В Америке, Франции и Англии начиная с 60-х гг. XVIII в. предпринимались неоднократные попытки строительства пароходов. Так, после усовершенствования в 1787 г. американцем Фитчем паровой машины в 1790 г. были открыты регулярные рейсы на речном пароходе Perseverance, силовая установка которого состояла из прямоточного водотрубного котла, паровой машины и впервые примененного на судах поверхностного конденсатора. Однако, из-за отсутствия автоматических устройств, поддерживающих необходимое соотношение питательная вода – топливо, прямоточный котел оказался ненадежным и эксплуатация парохода была прекращена. В странах Европы осуществлялось строительство пароходов с паросиловыми установками Дж. Уатта и проводилась их опытная эксплуатация. Тем не менее надежность этих паровых котлов была недостаточной для длительной непрерывной эксплуатации и каких-либо существенных сведений об этих пароходах не сохранилось. В 1822 г. паровой флот Америки имел 300 пароходов, Англии — 150, а в 1827 г. — 900 и 300 пароходов соответственно. В России в 1811 г. был построен паровой дноуглубительный снаряд, а в 1815 г. начал совершать регулярные рейсы между Санкт-Петербургом и Кронштадтом пассажирский пароход «Елизавета». В XIX в. велись активные поиски способов повышения коэффициента полезного действия котлов и давления пара с одновременным снижением массогабаритных показателей. Для интенсификации сгорания топлива предпринимались попытки применения наддува в топке и установки дымососов. Повышение давления пара в течение длительного периода времени сдерживалось отсутствием прочных материалов и только в 80-х гг. XIX в. начали применять сталь, что позволило повысить давление пара с 0,5–0,6 МПа до 1,5 МПа в цилиндрических газотрубных (огнетрубных) котлах. В этот же период началась установка воздухоподогревателей и экономайзеров, в результате чего удалось повысить КПД с 50 % до 88 %, паропроизводительность одного котла достигла 10–15 т/ч. С этими характеристиками шотландские котлы в качестве главных на судах торгового и рыбопромыслового флотов применялись вплоть до 50-х гг. XX в. 7 Водотрубные котлы до середины XIX в. практически не применялись на судах как из-за отсутствия специальных типов сталей для изготовления труб, так и вследствие интенсивного загрязнения внутренней поверхности труб накипью и трудности их очистки. В 1862 г. инженером Бельвилем был получен патент на изготовление водотрубных котлов со змеевиковой поверхностью нагрева и многократной циркуляцией. Эти котлы, ввиду достаточной степени надежности, обладали несомненным преимуществом перед газотрубными — имели малые габариты и массу, что позволило им занять ведущее положение на кораблях военных флотов некоторых европейских стран в конце XIX – начале XX вв. Начиная с 80-х гг. XIX в. появились вертикальные газотрубно-водотрубные вспомогательные котлы, которые, благодаря надежности и удобству их эксплуатации, применяются до настоящего времени. Следует отметить, что значение движущей силы огня как основного двигателя прогресса во всех сферах общественного производства заключается не только в замене старых технологий производства новыми, но и в необходимости пересмотра существовавшей парадигмы изобретательства, базировавшейся на теории теплорода, в процессе осмысления рабочих процессов в паровых машинах и котлах. Результаты исследования, выполненного французским инженером С. Карно, были опубликованы в 1824 г. в его работе «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу». Научное значение этой работы трудно переоценить, поскольку в ней заложены основы новой для того времени науки «термодинамики», получившей в научной среде в конце XIX в. титул «королевы наук». Таким образом, именно энергия водяного пара явилась импульсом для начала научно-технической революции XVIII–XIX вв., обусловившей индустриальный путь развития цивилизации. Развитие судового котлостроения XIX в. отличается большим разнообразием конструктивных решений, что объясняется поиском надежных систем, простых в эксплуатации и хорошо адаптированных для выполнения своих функций в максимально сложных условиях плавания судов. В области развития, создания и эксплуатации отечественных судовых котельных установок большой вклад внесли ученые и специалисты отрасли: П. А. Бараш, Э. Э. Папмель, М. И. Шулинский, Г. А. Гасанов, Л. В. Арнольд, Н. С. Белоусов, В. Н. Дешкин, В. К. Лысенко, В. И. Енин, Н. И. Денисенко и др. 8 ВВЕДЕНИЕ Содержание учебника соответствует Федеральному государственному стандарту и отражает основные знания о судовой энергетике с учетом соответствующих компетенций, изложенных в Международной конвенции ПДНВ. Учебник состоит из пятнадцати глав, последовательность изложения материала определена рабочей программой изучаемой дисциплины «Судовые котельные и паропроизводящие установки». В п е р в о й г лаве рассматривается назначение, принцип действия и классификация судовых котлов — вопросы, необходимые для изучения теории рабочих процессов. Вторая и третья главы посвящены вопросам топливоиспользования в котлах, что предопределяет получение теплоты для получения пара или нагрева теплоносителей в водогрейных и термомасляных котлах. В тр етьей– пя той г лавах изложены вопросы теплообмена с использованием классических положений технической термодинамики и теплопередачи. Интенсивность теплообмена зависит от характера движения теплообменивающихся сред и этот вопрос кратко рассмотрен в шестой г л а в е . Поскольку котлы работают по принципу сосудов под давлением, с е д ь м а я г л ава содержит требования к материалам и обеспечению прочности в период эксплуатации. Восьмая глава посвящена поддержанию водного режима, девятая глава содержит анализ использования потребителей пара на судне. Методически целесообразно более детально изучать конструктивные решения котлов, их систем и вспомогательных устройств с учетом базовых знаний рабочих процессов. Этим вопросам посвящены десятая и одиннадцатая гла в ы . Особенности котельных установок в системах утилизации тепла изложены в дв е надцато й гл аве. Энергетические установки современных судов имеют высокий уровень автоматизации. Применительно к котлам вопросам автоматизации посвящена тринадцатая глава. При этом рекомендуется дополнительно изучить требования Российского морского регистра судоходства в части автоматизации и защиты по предельно допустимым параметрам. 9 На базе знаний теоретических процессов, конструктивных схем котельных установок крайне важно изучить основы поддержания в рабочем состоянии всех составляющих этих схем. Поэтому, в соответствии с программой изучаемой дисциплины, проблемы обеспеченности надежной и безопасной работы котельных установок изложены в че т ы р н а д ц а т о й г лаве. Краткое описание составляющих парообразующих устройств в составе ядерных установок приведено в пятнадцато й гл а в е . Учебник содержит глоссарий и два приложения. В прил. 1 приведены таблицы перевода единиц измерения величин, наиболее часто используемых в морской практике в соответствии с Международной системой единиц (СИ). В прил. 2 указаны условные графические обозначения, используемые на схемах в соответствии с Единой системой конструкторской документации (ЕСКД). При подготовке данного издания были использованы материалы учебников по судовым котельным установкам преподавателей Государственной морской академии имени адмирала С. О. Макарова (ныне Государственный университете морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова): В. И. Енина, Н. И. Денисенко, И. И. Костылева «Судовые котельные установки» (М.: Транспорт, 1993), Н. И. Денисенко, И. И. Костылева «Судовые котельные установки» (СПб.: Элмор, 2005), Д. А. Шатровского «Эксплуатация судовых котельных и паропроизводящих установок» (СПб.: Изд-во ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова, 2019). Материалы п. 2.7 настоящего учебника подготовлены канд. техн. наук, доц. Д. В. Коняевым. Ввиду того, что конструктивное исполнение элементов поверхностей нагрева, состав и расположение систем, а также перечень, назначение и условия использования потребителей пара (теплоты) в существенной степени определяются типом и условиями эксплуатации современных судов, в учебнике использованы отдельные фрагменты материалов судовой технической документации. 10 1. НАЗНАЧЕНИЕ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ 1.1. Назначение и принцип действия судовых котлов Судовая энергетическая установка (СЭУ), независимо от назна чения судна и типа главного двигателя, предназначена для непрерывного обеспечения всех судовых потребителей энергией различных видов (механической, электрической и тепловой). В национальных нормативных документах и прежде всего в Правилах классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства (РМРС), а в зарубежной практике в конвенциях и кодексах используются также словосочетания «двигательная установка», «пропульсивная установка». Вместе с тем во всех случаях в структуре СЭУ предусматривается наличие оборудования по теплоснабжению. Это могут быть как паровые, водогрейные котлы, так и котлы с термальными (органическими) жидкостями в качестве теплоносителя, используемые в процессе эксплуатации в северных широтах. В любом случае тепловая энергия на судне вырабатывается преимущественно котельными установками, являющимися неотъемлемой частью СЭУ. Теплопроизводительность (тепловая мощность) котельной установки полностью определяется суммарной мощностью потребителей теплоты, работающих в данный момент. Для морских судов наиболее характерным теплоносителем является водяной пар и, кроме того, весьма важной составляющей СЭУ являются паровые котлы в составе паротурбинных установок. Таким образом, назначением судовых паровых котлов является обеспечение судовых потребителей паром (теплотой) необходимого количества и качества, а также повышение коэффициента полезного 11 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки действия (КПД) СЭУ за счет утилизации теплоты отработавших газов главных двигателей на дизельных и газотурбинных судах. Назначение водогрейных котлов и установок с органическими теплоносителями также связано с получением и передачей теплоты потребителям. Теоретически более комплексный рабочий процесс происходит в паровых котлах, что предопределяет приоритет этих установок при изучении систем теплоснабжения. Принцип действия судовых котлов заключается в преобразовании химической энергии органического топлива в тепловую энергию нагреваемых теплоносителей: воды, водяного пара, термальных жидкостей, воздуха. В утилизационных котлах используется теплота отработанных газов главных и вспомогательных двигателей. В данном случае под двигателями следует понимать не только двигатели внутреннего сгорания (ДВС), но и газотурбинные агрегаты, что является наиболее характерным для военных кораблей. Рабочий процесс котла — это совокупность протекающих процессов преобразования энергии одного вида в другой в его топке, воздушно-газовом тракте, парообразующих поверхностях нагрева, пароперегревателях, экономайзерах и воздухоподогревателях. Составляющими рабочего процесса являются: – сжигание топлива в топках; – теплопередача от греющего к нагреваемому теплоносителю в поверхностях нагрева; – парообразование, перегрев пара, нагрев воды и воздуха. Основной составляющей данного процесса служит сжигание топлива в топке, для реализации которого необходимы: непрерывный подвод топлива и воздуха, распыливание топлива, образование смеси топливо-воздух, собственно горение и отвод продуктов сгорания из топки в газоход. Совокупность всех трех протекающих одновременно составляющих рабочего процесса формирует полезный эффект котла, под которым подразумевается количество со12 Назначение, принцип действия и классификация судовых котлов здаваемого в единицу времени продукта (пара) определенного качества (давление и температура). Процессы сгорания и отвода дымовых газов сопровождаются процессами теплообмена, т. е. передачей теплоты путем излучения в топке и конвекции в газоходе от продуктов сгорания к нагреваемой среде: воде, пару, воздуху и органическому теплоносителю. Одновременно с процессами сгорания и теплопередачи протекают процессы парообразования в парообразующих элементах, перегрева пара в пароперегревателях, нагрева воды в экономайзерах и воздуха в воздухоподогревателях. Для реализации рабочего процесса к котлу подводятся три материальных потока — носителя энергии (топливо, воздух, питательная вода) и отводятся два (пар и уходящие дымовые газы). Для этой цели предназначены топливная, воздушная и питательная системы, оборудованные системами автоматического регулирования, сигнализации и защиты. Нормальная работа собственно котла обеспечивается устойчивым процессом циркуляции теплоносителя, включая термальные масла. Каждый из материальных потоков характеризуется одинаковой совокупностью следующих параметров: – расход вещества, кг/ч (м3 /ч); – давление среды, бар (МПа); – температура среды, °С (К). По этим параметрам оценивается качество функционирования котельной установки с помощью штатных приборов. Эти же параметры характеризуют потребительские свойства котла как технического объекта, созданного для удовлетворения определенных потребностей. На рис. 1.1 приведено схематичное изображение материальных потоков с указанием составляющих параметров. Сущность рабочего процесса практически аналогична применительно к различным конструктивным решениям котлов, разница лишь может заключаться в термодинамических особенностях нагреваемых теплоносителей. 13 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 1.1. Схема материальных потоков рабочего процесса котла: 1 — процесс сгорания топлива; 2 — процесс теплопередачи; 3 — зона парообразования 1.2. Показатели рабочего процесса котлов Котел, как и любой технический объект, обладает определенными качествами, проявляющимися в виде множества его свойств. Проектировщики и строители судовых котлов основное внимание уделяют таким свойствам, как экономичность, надежность, техническое совершенство и степень соответствия функциональному назначению. Параметры, характеризующие данные свойства котлов как технических объектов, находят отражение в технических заданиях, разрабатываемых заказчиками судовых котлов. Очевидно, что эти свойства определяют качество котлов как технических объектов. С позиций количественной оценки качества это означает, что у любых изделий, созданных человеком, имеются потребительские свойства, реализующиеся в процессе их использования. Уровень реализации потребительских свойств изделия определяется природными свойствами материалов, из которых изготовлены 14 Назначение, принцип действия и классификация судовых котлов его элементы. К ним относятся, например, прочность, теплопроводность, теплоемкость и т. п. Количественные или качественные характеристики свойств называются параметрами. Параметры, на основе которых оценивается полезность устройства или механизма, называются показателями качества изделия. При оценке качества котлов основными показателями являются показатели соответствия конкретным судовым установкам, экономичности и надежности. Показатели соответствия характеризуют техническое совершенство котлов и возможность обеспечения необходимых параметров теплоносителей. При этом степень соответствия котлов их функциональному назначению оценивается согласно основным показателям, характеризующим рабочий процесс, а именно: – паропроизводительность Dк, кг/ч (т/ч); – давление пара в котле pк, бар (МПа); – температура пара tп, °С; – расход топлива Вк, кг/ч. При выборе паропроизводительности котла считается, что все потребители пара работают одновременно с номинальной тепловой мощностью, что возможно на практике только в зимний период, когда потребность судна в тепловой энергии максимальна. Давление и температура пара выбираются в зависимости от назначения потребителей пара, работающих либо на насыщенном паре, либо на перегретом (главные турбины, турбоприводные насосы, турбогенераторы и др.). Для потребителей насыщенного пара давление обычно находится в пределах 5–7 бар, для потребителей перегретого пара — 15–30 бар. Эти параметры соответствуют вспомогательным котлам. Для главных котлов их принимают в следующих диапазонах: pпер = 50–90 бар и tпер = 450–520 °С. Расход топлива, определяемый нагрузкой котла, зависит от условий, устанавливаемых заказчиком в техническом задании. Показатели технического совершенства котла: – испарительность топлива u = Dк / Вк, кг пара/кг топлива; – относительное водосодержание котла w = Gв / Dк, ч; 15 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки – относительная масса котла m = M / Dк, т /(кг/ч); p – тепловое напряжение топочного объема qv = BkQн / Vm, кВт/м3. Физическую сущность относительного водосодержания характеризует время, в течение которого испаряется вся вода в котле Gв на номинальной нагрузке Dк при отсутствии его подпитки. Это исключительно важный показатель, характеризующий инерционность котла и, следовательно, уровень сложности и надежности автоматики питания. Испарительность топлива — это показатель, который указывает, какое количество пара может быть получено в котле при сжигании одного килограмма топлива. Данный параметр может рассматриваться как характеристика технического совершенства топочных устройств при сжигании топлива одного вида (жидкое, газообразное) и одинакового качества. Тепловое напряжение топочного объема и относительная масса взаимосвязаны. С повышением теплового напряжения уменьшается объем топочного пространства и, следовательно, снижаются массогабаритные показатели. Однако в этом случае сокращается срок службы тепловой изоляции стенок топки. Основным показателем экономичности служит КПД, представляющий собой отношение количества полезно использованной теплоты к подведенной при сжигании одного килограмма топp лива, — так называемая низшая теплота сгорания Qн . Важную роль с позиций заказчика играет стоимость котла, характеризующая первоначальные затраты на его изготовление, а с позиций эксплуатации исключительную важность представляют показатели надежности, рассмотренные в гл. 14. Из приведенных ранее показателей выделяют технико-экономические, характеризующие, с точки зрения потребителей, полезность су довых котлов. Эти показатели обязательно указывают в технической документации котлов. К ним относятся: паропроизводительность — Dк, давление — рк и температура tп пара, а также КПД — η. Показателями рабочего процесса для котлов с органическими теплоносителями являются параметры нагреваемой термальной жидкости, включая температуру ее на входе в котел (нагреватель) и выходе в систему теплоснабжения, а также давление циркулирующего теплоносителя. 16 Назначение, принцип действия и классификация судовых котлов 1.3. Классификация судовых котлов Сравнительную оценку конструктивных решений и показате лей качества котлов выполняют в соответствии с классификацией, принятой по следующим критериям: 1. Принцип организации относительного движения теплообменивающихся сред (греющей и нагреваемой), в соответствии с которым котлы подразделяются на водотрубные и огнетрубные. В современных нормативных документах огнетрубные котлы преимущественно называются газотрубными. В водотрубных котлах внутри труб, обогреваемых горячими газами или прямым излучением от факела, происходит движение воды и пароводяной смеси, в газотрубных топливо сжигается в размещенных в водяных объемах котлов жаровых трубах. Дымовые газы отводятся через дымогарные трубы. В газотрубно-водотрубных котлах реализованы свойства водотрубных и газотрубных котлов (рис. 1.2). а) б) в) Рис. 1.2. Принципиальные схемы судовых котлов основных типов: а — водотрубного; б — газотрубного; в — газотрубно-водотрубного 2. По назначению. Различают главные и вспомогательные котлы. Главные котлы обеспечивают паром турбины (турбогенераторы), работающие на винт. Они являются составляющими паротурбинных установок. Вспомогательные котлы обеспечивают работу систем теплоснабжения на судах, как правило, с дизельными установками. Вспомогательные котлы предусматриваются также в составе ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и в отдельных случаях могут устанавливаться на паротурбинных судах. 17 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 3. По характеру движущих сил, определяющих движение нагреваемого теплоносителя (воды и пароводяной смеси). Различают котлы с естественной циркуляцией и котлы с принудительным движением теплоносителя (воды или термальной жидкости), обеспечиваемым циркуляционными насосами. 4. По виду источника получения теплоты в котле. Различают котлы с непосредственным сжиганием органического топлива в топках и котлы утилизационные, работающие на отходящих газах главных двигателей (ДВС, ГТУ) — рис. 1.3. В качестве вспомогательных могут быть установлены комбинированные котлы, у которых в одном корпусе совмещаются два источника теплоты: от сжигаемого в топке топлива и от отходящих газов главных двигателей. а) б) в) г) Рис. 1.3. Принципиальные схемы утилизационных котлов: а — барабанный водотрубный с естественной циркуляцией; б — с естественной циркуляцией газотрубный с вертикальным расположением труб для прохода газов; в — с принудительной циркуляцией цилиндрической компоновки с коллекторами входа воды и выхода пароводяной смеси; г — с принудительной циркуляцией прямоугольной компоновки 5. По типу теплоносителя. Различают котлы паровые, водогрейные и с органическими теплоносителями (термальные жидкости). Водогрейные котлы обычно устанавливаются на речных судах, а котлы с термальными жидкостями преимущественно — на судах, предназначенных для работы в северных широтах. Возможно подразделение судовых котлов и по другим, менее значимым признакам, например, по расположению горелок: горизонтальное 18 Назначение, принцип действия и классификация судовых котлов на фронте котла и потолочное расположение, а также по количеству контуров парообразования — двухконтурные. Такие агрегаты целесообразны для установок, где велика вероятность загрязнения конденсата в процессе передачи теплоты нагреваемой среде. 1.4. Основные требования, предъявляемые к судовым котлам Рассмотренные в п. 1.3 показатели качества судовых котлов не могут являться универсальными и должны учитываться с позиций системного подхода специалистами: проектировщиками, строителями и эксплуатационниками при их тесном сотрудничестве. Тем не менее анализ показателей рабочего процесса судовых котлов позволяет сформулировать предъявляемые к ним основные требования, к которым в первую очередь относятся: – высокая надежность; – простота и удобство обслуживания; – высокая экономичность; – малые массовые и габаритные показатели; – минимальное время для ввода в действие; – низкие капитальные затраты. Кроме того, судовой котел должен удовлетворять требованиям эргономичности, т. е. комфортным условиям труда. При формировании основных требований обращается внимание на необходимость обеспечения высокой технологичности котлов, которая обуславливает их высокую ремонтопригодность в эксплуатации, что оказывает положительное влияние на надежность котельных установок. Котельная установка проектируется в комплексе со всеми системами СЭУ, главными и вспомогательными двигателями, общесудовыми системами и технологическими потребителями пара (теплоты) для специализированных судов. Под технологическими потребителями следует понимать прежде всего системы обработки груза на наливных судах, включая погрузку / выгрузку, а также обеспечение безопасной транспортировки. Безусловно, специальные требования 19 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки могут быть предопределены планируемыми районами эксплуатации судна и особенностями перевозимых грузов. В современных условиях эксплуатации морских судов грузовая база во многом определяется добычей и перевозкой углеводородов, включая нефтепродукты с высокой вязкостью. Для таких грузов важно поддерживать заданную температуру, обеспечивая сокращение стояночного времени в портах при обработке груза, что в значительной степени определяется характеристиками котельных установок. С позиций надежности к котлам предъявляются приведенные ранее требования, но не менее важными являются также показатели, зависящие от параметров теплоносителя, уровня автоматизации, условий, снижающих трудозатраты при обслуживании котлов и их систем. Параметры пара и паропроизводительность котлов в значительной степени предопределяют эффективность использования судов с паротурбинными установками. Особенно это характерно для танкеров и газовозов. Контрольные вопросы и задания 1. Приведите классификацию котлов по назначению. 2. Что понимается под рабочим процессом котла? 3. Перечислите рабочие процессы котла. 4. Приведите классификацию судовых котлов. 5. В чем состоит принцип действия водотрубного котла? 6. В чем состоит принцип действия газотрубного котла? 7. Каково назначение утилизационных котлов и в чем их конструктивные особенности? 8. Дайте характеристику и укажите особенности принципиальной схемы подачи питательной воды в котел. 9. Каковы особенности размещения вспомогательных и утилизационных котлов в машинном отделении? 10. Перечислите требования, предьявляемые к судовым котлам. 20 2. ТОПЛИВО ДЛЯ СУДОВЫХ КОТЛОВ 2.1. Основные виды и сорта топлив Эволюция развития судовых котлов начинается с агрегатов, работающих на твердом топливе. Наиболее распространенным являлся уголь, но в северных регионах России, благодаря большим запасам лесных ресурсов, на колесных пароходах использовались также дрова. С переходом на жидкое топливо диапазон применяемых вариантов значительно расширился, но нефтяные виды топлива продолжают оставаться основными источниками энергии. Нефтяные топлива, в зависимости от углеводородного состава и методов переработки нефти, подразделяются на пять групп: – прямогонные дистилляты; – дистилляты каталитического крекинга; – прямогонные остаточные топлива; – крекинг-остаточные топлива (преимущественно после термического крекинга и каталитического крекинга); – смеси топлив, в которые могут входить указанные ранее. Для практического использования более целесообразно рассматривать два класса: – дистиллятные топлива (Distillate Fuels), состоящие из легких фракций, получаемых дистилляцией в прямогонных или крекинг-установках, для которых характерны малые значения вязкости (2,5–14 мм2/с); – тяжелые топлива (Heavy Fuels), состоящие из смесей тяжелых остаточных фракций, взятых из прямогонных и крекинг-установок с газойлями, вязкость которых при температуре 50 °С может быть в диапазоне 30–700 мм2/с. 21 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Качественные показатели нефтяных топлив в Российской Федерации регламентированы стандартами или техническими условиями. В зарубежной практике действуют требования Международной организации стандартов (ISO). Например, в 2005 г. введен стандарт ISO 8217 «Спецификация морских топлив». Так, в обозначение марок тяжелых топлив, наиболее характерных для судовых котлов (серия IFO), входит вязкость, измеряемая при температуре 50 °С в сСт. В Российской Федерации ГОСТ 32510–2013 «Топлива судовые. Технические условия» используется только на внутреннем рынке. Компании, поставляющие топливо на зарубежные суда и за пределы России, руководствуются стандартами ISO. Качественные показатели судовых видов топлива определены по максимальным значениям вредных примесей и требованиями Международной морской организации (IМО). Конвенция МАРПОЛ-73/78 (далее — Конвенция МАРПОЛ) является сводом основных международных конвенционных документов по предотвращению загрязнения морской среды с судов. В частности, в 2005 г. вступило в силу прил. VI к этой конвенции, в котором строго регламентировано содержание серы в топливе, ограничение выбросов с отработанными газами SOx, NOx и др. В течение длительного периода времени (1960–2000 гг.), по экономическим соображениям, на судах наибольшее распространение получили тяжелые виды топлив — мазуты. Из зарубежных видов превалировали топлива группы IFO (например, такие марки, как IFO-180 и IFO-380, которые по своим характеристикам также относятся к мазутам. Согласно российской классификации, указанные марки по своим физическим свойствам практически аналогичны следующим маркам мазута: – IFO-180 — топочному мазуту М40; – IFO-380 — топочному мазуту М100. Указанные марки мазута относятся к наиболее часто используемым видам топлива в судовых установках при бункеровке в зарубежных портах. Следует отметить, что российский стандарт не совпадает со стандартом ISO. В российской системе измерения 22 Топливо для судовых котлов цифры 40 и 100 отражают вязкость топлива в градусах вязкости условной (°ВУ) при той же температуре, равной 50 °С. В судовой энергетике используются также флотские мазуты 5 и 12 (Ф-5; Ф-12). Флотский мазут отличается от топочного пониженной вязкостью и температурой застывания, а также повышенной калорийностью. Получают эти мазуты способом смешения остаточных фракций нефтепродуктов и дизельных фракций прямоточного и вторичного происхождения. Плотность мазута Ф5 составляет около 0,955 г/см3, мазута Ф12 — 0,96 г/см3. Мазуты Ф5 и 12 используют как моторное топливо для мало- и среднеоборотных судовых дизелей, газотурбинных установок и судовых котлов. Качественные характеристики мазутов определены межгосударственным стандартом — ГОСТ 32510–2013, введенным 1 января 2015 г. В частности, для мазута Ф5 кинематическая вязкость составляет 36,2 сСт при температуре 50 °С (6,8 °ВУ (градусы вязкости условной) при 100°С), влагосодержание — не более 0,3 %, содержание серы — до 1,0 %. Для мазутов М40 и М100 допускается не более 3,5 % серы. Теплотворная способность (низшая теплота сгорания) для низкосернистого мазута Ф5 составляет 41450 кДж/кг, температура вспышки — не ниже 80 °С. С учетом ужесточающихся требований по предотвращению загрязнения окружающей среды предпочтительным вариантом жидких топлив для судовых установок являются «легкие» сорта дизельного топлива с низким содержанием серы. В соответствии с международной классификацией могут использоваться следующие сорта топлив: MGO (Marine Gas Oil), MDO (Marine Diesel Oil), IFO (Intermediate Fuel Oil). К этой же группе можно отнести и мазут Ф5. С учетом повышения требований к обеспечению экологической безопасности в конце 2019 г. приступили к использованию сорта топлива с низким содержанием серы (LSFO, VLSFO), представляющего собой продукт блендирования, полученный путем смешивания мазута со светлыми сортами топлива. С позиций возможности снижения выбросов в атмосферу окиси серы (SOx) и окиси азота (NOx) перспективным вариантом является сжигание в судовых установках, включая котлы, газового топлива и прежде всего природного газа, который может быть как в жидком состоянии 23 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки (сжиженный природный газ (СПГ)), так и в сжатом виде (компримированный газ). Применение газа как топлива для двигателей имеет давнюю историю, но применительно к морским судам активная фаза внедрения газотопливных установок началось после 2000 г. Это объясняется не только проблемами защиты окружающей среды, но и строительством заводов по получению сжиженного газа, а также увеличением добычи газа и ростом объемов его транспортировки. СПГ перевозится на газовозах (танкерах) типа LNG (Liquefield Natural Gas), LNGC (Liquefield Natural Gas Carrier) при температуре в грузовых танках минус 163 °С. В процессе рейса неизбежно происходит испарение части груза и утилизация выпара (метан) с помощью реконденсации (повторного сжижения) с последующим возвращением в грузовые танки или использованием его в качестве топлива в двигателях и котлах на борту судна. Второй вариант широко применяется на газовозах. Процесс реконденсации применяется нечасто, так как он приводит к значительному возрастанию капитальных и эксплуатационных затрат. Однако на современных газовозах устанавливают реконденсационные системы. Например, на принятом в 2020 г. «Совкомфлотом» газовозе «СКФ Лаперуз» грузовместимостью 174 тыс. м3, с трехтопливным главным двигателем предусмотрено частичное повторное сжижение испарившейся части груза. Газ как топливо внедряется также на судах, не являющихся газовозами. В частности, газ активно применяют на паромах при строгом условии соблюдения требований экологической безопасности в акватории портов и в прибрежных зонах. В 2018 г. был принят в эксплуатацию первый в мире танкер с газотопливной установкой «Проспект Гагарина». Основным топливом для СЭУ этого судна является СПГ, принимаемый в две специальные бункерные емкости суммарным объемом 1700 м3, расположенные на верхней палубе перед надстройкой. Газомоторное топливо используется на вновь строящихся судах портового флота. Это прежде всего буксиры, ледоколы и суда-бункеровщики. Кроме СПГ получает более широкое распространение сжиженный углеводородный газ (СУГ). Этот вариант ориентирован 24 Топливо для судовых котлов прежде всего на установки газовозов типа LPG. На судах с малыми габаритами большее применение получает сжатый газ. Перспективным направлением для судовой энергетики является концепция сжигания водорода в СЭУ. Однако его физические характеристики имеют некоторые недостатки. У водорода очень низкая плотность (0,0898 кг/м3) и для него требуется устанавливать емкости большей вместимости, чем для СПГ. Кроме того, для водорода температура сжижения должна быть очень низкая (минус 250 °С) и пределы воспламеняемости в воздухе имеют довольно широкий диапазон — от 4 до 75 %. Задача является технически выполнимой, но экономически достаточно проблематичной, хотя проработки уже имеют практический результат. В Японии в 2019 г. на верфи Kawasaki (г. Кобе) сконструирован танкер для перевозки сжиженного водорода, размещаемого в двух грузовых танках объемом по 1250 м3. Грузовые танки сжиженного водорода имеют двойные стенки, между которыми находится вакуум для поддержания температуры в танке минус 253 °С. Сжигание водорода должно обеспечить прекращение выбросов парниковых газов в атмосферу, так как продуктом реакции его горения является вода. Для повышения конкурентноспособности водорода по стоимости одним из вариантов является получение его из бурого угля. Безусловно, существуют альтернативные виды топлива, часть которых может оказаться в списке судового снабжения. Например, шведская компания Stena Balk в 2020 г. проводила испытания судовой установки на биотопливе, получаемом из отработанного растительного масла. Содержание в газах углекислоты сокращается при этом на 83 %. Кроме того, снижается и содержание других вредных веществ. Существует перспектива использования метанола в качестве судового топлива, а также безуглеродного топлива на основе аммиака. 2.2. Характеристики органического топлива В настоящее время в качестве судового топлива используется довольно большое количество различных органических сортов углеводородных продуктов. Однако преимущество в количественном отношении остается за жидкими видами топлива с различными 25 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки физическими и химическими показателями. Если на морских судах преобладают тяжелые сорта топлив, то на речных широко применяются легкие (дизельные) сорта. С учетом введения начиная с 2020 г. строгих требований к содержанию вредных выбросов в атмосферу наиболее востребованными являются дистиллятные топлива с содержанием серы не более 0,5 %, а также газовое топливо, которое с позиций экологии находится вне конкуренции. Процесс горения топлива, представляя собой химическое взаимодействие углерода, водорода, серы с кислородом, может рассматриваться применительно к любому сорту топлива. Наиболее наглядным примером процесса сжигания может быть горение жидкого топлива с присущим этому виду химическим составом, включая балластные примеси. В мазутах, которые получают путем смешения тяжелых остатков перегонки нефти с маловязкими компонентами продуктов перегонки, содержится до 10–15 % асфальтосмолистых веществ (асфальтенов, карбенов, карбоидов), отличающихся большой плотностью и высокой зольностью и служащих основой образования золы и сажи при сгорании жидких сортов топлива. В балластных составляющих большое значение имеет зольность. Выход золы (Aр) при сжигании мазутов составляет 0,1–0,3 % рабочей массы. Зола представляет собой продукт окисления минеральных солей, перешедших из нефти в ее тяжелые остатки при перегонке. Некоторая часть золы образуется в результате присутствия металлоорганических соединений, концентрирующихся в асфальтенах. Влагосодержание W р в мазутах колеблется в пределах от 0,5–1,0 % до 3–5 % и зависит в основном от качества доставки топлива. Содержание золы и влаги в топливе представляет собой составляющую, которая ухудшает теплотехнические характеристики мазутов. Первой основной характеристикой органического топлива является элементарный химический состав, определяемый по рабочей массе топлива, т. е. по массе в том виде, в котором она сжигается в топках котлов: C p H p Sлр О р N p A p W p 100 %. 26 (2.1) Топливо для судовых котлов При расчете теплового и материального балансов горения топлива используются также сухая (обезвоженная) — Wр = 0 и горючая (Wр = 0; Aр = 0) массы топлива, которые могут быть пересчитаны одна в другую умножением на соответствующие коэффициенты. Например, в процессе определения сухой и горючей массы при заданной рабочей массе эти коэффициенты имеют вид, соответственно, 100 / (100 – Wр) и 100 / (100 – Wр – Aр). Органическим балластом, уменьшающим содержание горючих элементов, являются также кислород Ор и азот Nр, входящие в состав органических соединений с углеродом и водородом. Их содержание в топливе невелико и для среднего состава мазута может составлять в сумме 0,5–0,9 % (или Ор = 0,3–0,5 %; Np = 0,3–0,4 %). Горючими элементами в топливе являются углерод Ср (теплота сгорания — 33,7 МДж/кг), водород Нр (теплота сгорания составляет 108 МДж/кг) и сера летучая (теплота сгорания — 9,3 МДж/кг), представляющая собой сумму органической (летучей) S po и колчеданной Spк серы. В общем объеме серы учитываются также сульфатные составляющие, которые не участвуют в процессе горения. Колчеданная сера присутствует в виде соединений с железом. Содержание углерода в мазутах колеблется в пределах Ср = 82–86 %, водорода — Нр = 10,5–11,5 % и серы летучей — Sрл = 0,5–3,5 %. Наличие серы (Sulphur Content) и ее количество определяют в современных условиях выбор топлива для судовых установок, включая котлы. В топливах с высокой плотностью, как правило, содержание серы выше. С 01 января 2020 г., в соответствии с международными стандартами, судовое топливо не должно содержать серы более 0,5 %, что сокращает уровень загрязнения воздушной среды окислами серы. Вторая основная характеристика топлива — теплота его сгорания, равная количеству теплоты, выделяющейся при сжигании 1 кг топлива, которая зависит главным образом от содержания углерода и водорода в топливе. При рассмотрении рабочего процесса котла обычно теплота сгорания топлива рассматривается в двух вариантах: высшая и низшая теплота сгорания. Практически используемой является низшая теплота сгорания Qнр , равная количеству теплоты, выделившемуся при полном сгорании 1 кг 27 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки топлива при условии охлаждения продуктов сгорания до температуры выше температуры конденсации содержащихся в них водяных паров. Для мазута со средним элементарным составом низшая теплота сгорания Qнр составляет около 40 МДж/кг. Для выполнения приближенных расчетов Qнр , МДж/кг, на практике используется эмпирическая формула Qнр = 0,339Ср + 1,03Нр + 0,1085Sр – 0,1085 Ор – 0,025Wр. (2.2) Данный вариант определения теплотворной способности углеводородного сырья был предложен Д. И. Менделеевым, а коэффициенты подобраны экспериментально и несколько отличаются от теплоты сгорания отдельных горючих элементов, входящих в состав топлива. Знак «минус» перед кислородом показывает, что кислород топлива уходит в дополнение к кислороду воздуха при горении, а знак «минус» перед влагосодержанием отражает затраты тепла на испарение влаги. Элементарный химический состав и теплота сгорания характеризуют теплотехнический аспект практического использования топлива. Третья основная характеристика — вязкость (viscosity) топлива — является технической характеристикой, от которой зависит качество распыливания топлива и, следовательно, качество его сгорания. Вязкость (внутреннее трение) определяется способностью газов и жидкостей оказывать сопротивление необратимому перемещению одной их части относительно другой при сдвиге, растяжении и других видах деформации. Для определения вязкости используются специальные приборы вискозиметры, которые являются составной частью системы автоматического регулирования процесса сжигания жидкого топлива. В зависимости от способа определения различают три вида вязкости: динамическую, кинематическую и условную. Основной единицей измерения динамической вязкости служит Па · с (паскаль-секунда). Общепринятое обозначение коэффициента динамической вязкости — h. Более употребительной в практике считается кинематическая вязкость с обозначением ее коэффициента v, единицей измерения которой является мм2/с. В междуна28 Топливо для судовых котлов родной практике коэффициент кинематической вязкости измеряется обычно в соответствии с существующей Международной системой единиц (СИ) в Ст (стокс) или сСт (сантистокс). Динамическая вязкость прямо пропорциональна плотности топлива. Коэффициентом пропорциональности является коэффициент кинематической вязкости v. В соответствии с национальными стандартами применяется единица измерения вязкости — градус вязкости условный (°ВУ), определяемый как отношение времени истечения 200 см3 мазута при 50 °С ко времени истечения того же количества дистиллированной воды при температуре 20 °С через калиброванное отверстие вискозиметра Englera. Практическое определение необходимой вязкости для обеспечения качества распыливания топлива осуществляется с помощью диаграммы вязкости. В специальной технической литературе можно встретить и другие единицы измерения вязкости (например, Saуbolt Universal и Saуbolt Furol viscosity, Redwood viscosity и Engler viscosity). Однако они не включены в Международную систему единиц и в расчетах не используются. Для пересчета единиц измерения коэффициентов вязкости можно воспользоваться существующими в справочных изданиях номограммами, использование которых позволяет также выбрать температуру подогрева топлива для обеспечения необходимой вязкости топлива (рис. 2.1). С использованием такой номограммы определяются температуры подогрева топлив при их перекачке и для обеспечения должного распыливания топлива форсункой котла. Так, для качественного процесса сжигания мазута топочного 40 необходимо обеспечить его вязкость в пределах не выше 3–4 °ВУ (20–25 сСт) за счет подогрева до ~100–110 °С. Одним из важных физических свойств топлива является плотность (density), измеряемая в кг/м3. Этот показатель обычно используют для пересчета объема топлива в массу и наоборот с учетом влияния температурных условий (например, при бункеровке судна). Увеличение плотности нефтепродуктов указывает на повышенное содержание в нем тяжелых углеводородов и асфальтосмолистых составляющих. Кроме того, плотность является показателем склонности топлива к сепарации, т. е. к отделению влаги прежде всего методом отстоя. Плотность тяжелых сортов 29 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки топлива находится в диапазоне 870–930 кг/м3, а для крекингостатков может быть и выше. Легкие сорта топлива (дизельные, газойли) имеют меньшие показатели плотности. Рис. 2.1. Зависимость вязкости жидких топлив от температуры: 1 — дизельное топливо ДЛ, ДС; 2 — солярное масло; 3 — топливо для локомотивных газотурбинных двигателей; 4, 7 — соответственно моторные топлива ДТ и ДМ; 5, 6 — соответственно мазуты флотские Ф5 и Ф12; 8 — мазут топочный 40 (40 М — малозольный); А — экономически оправданный предел вязкости топлив при их перекачивании; Б — обычный диапазон вязкости топлив при использовании механических распылителей Любое топливо необходимо для получения теплоты. Применяемый СПГ имеет близкие к жидкому топливу величины теплотворной способности. Основной составляющей СПГ является метан (95–98 %), при сжигании 1 кг газа выделяется около 40–43 МДж. Плотность жидкого метана — 415 кг/м3, газообразного — 0,7168 кг/м3. К основным техническим характеристикам судового топлива относится температура вспышки, а для жидких сортов топлива и температура застывания. 30 Топливо для судовых котлов Температура вспышки (Flush Point) — температура, при которой пары топлива в смеси с воздухом вспыхивают при поднесении к ним открытого пламени; зависит от температуры кипения, испаряемости и упругости паров топлива. На значение температуры вспышки оказывает влияние также фракционный состав топлива. В соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства (РМРС), для сортов жидкого топлива, применяемых на судах, допустимая температура вспышки должна быть не ниже 60 °С. Для аварийных дизель-генераторов допускается топливо с температурой не ниже 43 градусов при условии его хранения вне машинного отделения. Кроме того, следует иметь в виду, что использование топлива и других воспламеняющихся жидкостей с температурой вспышки 60 °С и ниже допускается на судах, в соответствии с Международным кодексом по безопасности судов, использующих газы или иные виды топлива с низкой температурой вспышки. Температура вспышки характеризует пожарную безопасность топлив, являясь своего рода критерием допустимой температуры подогрева его в открытых емкостях. В качестве предельного значения рекомендуется устанавливать температуру подогрева в открытой емкости не менее чем на 15° ниже температуры вспышки. Температура воспламенения топлива на 15–20° больше температуры вспышки. Температура застывания жидкого топлива, при которой мазут теряет свою естественную текучесть, характеризует условия его хранения и эффективность использования. Применительно к судовым тяжелым сортам топлива она обычно не превышает 5–10 °С. Определяют температуру застывания лабораторным методом. 2.3. Основы процесса горения топлива Процесс горения органического топлива рассматривается с позиций химического взаимодействия как окисление горючих элементов с участием кислорода и представляется состоящим из отдельных элементарных актов горения углерода, водорода и серы. 31 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки При расчетах теплового эффекта используют стехиометрические уравнения горения. В соответствии с законом Г. И. Гесса тепловой эффект реакции не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием системы. В соответствии с законом кратных отношений Дальтона установлено, что исходные вещества вступают в химические реакции, образуя новые продукты в определенных, так называемых стехиометрических соотношениях. Например, для реакции горения углерода C + O2 = CO2: 1 кг С +1,866 м О2 = 1, 857 м СО2 + 33700 кДж. 12 кг С + 22,4 м3 О2 = 22,29 м3 СО2 ; 3 3 (2.3) Аналогично, для горения серы и водорода: 1 кг Н2 + 5,6 м3 О2 = 11,1 м3 Н2 О +120000 кДж. 1 кг S + 0,7м3 О2 = 0,685 м3 SO2 + 9220 кДж; (2.4) Из соотношений (2.3) и (2.4) следует, что суммарный объем теоретически необходимого количества кислорода для сгорания Ср, Нр и Sрл , содержащихся в 1 кг топлива, составляет VO02 = 1,866 Sр Cp Нр Ор + 0,7 л + 5,6 , 100 100 100 100О2 (2.5) где ρО =1,44 кг/м3 — плотность кислорода. 2 Поскольку в воздухе содержится ~ 21 % кислорода, теоретически необходимое количество воздуха V0, м3/кг, для сгорания 1 кг топлива составит V0 = VO0 2 21 = 0,0889 Cp + 0,375S pл + 0,265Нр 0,0333р. (2.6) Вследствие невозможности идеального перемешивания паров топлива и воздуха в топку подают избыточное количество воздуха, определяемое в виде коэффициента избытка воздуха: α = Vд/V0, (2.7) где Vд — действительное количество воздуха, поступающего в топку, м3/кг. 32 Топливо для судовых котлов Из стехиометрических соотношений (2.3) и (2.4) определяются объемы продуктов сгорания горючих составляющих топлива: p VCO2 , VSO2 , VHH2O , а также объемы азота, содержащегося в топливе VNт2 и в теоретически необходимом количестве воздуха VN02, водяных паров в теоретически необходимом VH02O и в избыточном VHизб количе2O p стве воздуха, свободной воды в топливе VHW2O , а также в объеме собственно избыточного воздуха (α — 1)V0. Расчеты по стехиометрическим уравнениям выполняются для нормальных (стандартных) условий, которые соответствуют температуре 0 °С, давлению 0,101 МПа и влажности 0 %. Целью составления материального баланса процесса горения топлива является определение объемов продуктов сгорания углерода, водорода и серы, необходимых для этого количества воздуха и, в конечном счете, полного объема продуктов сгорания 1 кг топлива. По результатам составления материального баланса выполняется расчет энтальпии продуктов сгорания в диапазоне температур 0–2200 °С для различных значений действительного расхода воздуха при сжигании 1 кг топлива. В общем виде алгоритм расчета материального баланса процесса горения сводится к следующему. Строгий расчет всех указанных ранее величин по стехиометрическим соотношениям является весьма трудоемким. Поэтому на практике применяют метод последовательного расчета этих величин по приведенным к единице тепла, выделяющегося при горении топлива, характеристикам, определяемым по уравнениям с эмпирическими коэффициентами. Так, для мазутов эти зависимости имеют следующий вид (при Qнр , МДж/кг, и Wр, %): – теоретически необходимое количество воздуха V 0 = 0,262(Qнр + 0,025W p ) ; (2.8) – объем паров воды при стехиометрическом горении VH02O 0,0327 Qнp 0,025W p ; (2.9) – объем газов при стехиометрическом горении Vг0 0,281 Qнp 0,025W p 0,0124W p . 33 (2.10) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки – объем трехатомных газов VRO2 0,0392 Qнp 0,025W p . (2.11) Действительное количество воздуха Vд, необходимого для сжигания 1 кг топлива, всегда больше V0, так как практически невозможно создать идеальные условия окисления каждой молекулы горючих элементов топлива из-за наличия азота в воздухе и конечной скорости диффузии кислорода при смесеобразовании. Поэтому в топку котла подается избыточное количество воздуха, характеризуемое коэффициентом избытка воздуха α = Vд / V0 и зависящее от вида топлива, качества его распыливания, технического совершенства топочных устройств, нагрузки котла, температуры воздуха и других факторов. Для вспомогательных котлов принимается α = 1,15–1,3, для главных — α = 1,03–1,15. Поскольку коэффициент избытка воздуха определить аналитически практически невозможно, он определяется в процессе проведения теплотехнических испытаний котлов на основе результатов измерений процентного содержания трехатомных газов (RO2 = СО2 + SO2) и кислорода (O2) в продуктах сгорания и расчета окиси углерода (CO). В процессе эксплуатации котлов текущий контроль коэффициента избытка воздуха возможен по содержанию кислорода в уходящих газах, оцениваемому с помощью специальных приборов. В этом случае с достаточной точностью коэффициент избытка воздуха определяется по «кислородной» формуле: a = 21 / (21 – О2). (2.12) Если известно значение избытка воздуха на номинальной нагрузке, то при долевых нагрузках коэффициент избытка воздуха для современных топочных устройств может быть определен по графикам, приведенным на рис. 2.2, или по формуле 1 1 ном , (2.13) D / Dном где Dном, D — паропроизводительность котла, соответственно, номинальная и на долевой нагрузке. При известном коэффициенте избытка воздуха суммарный объем водяных паров и полный объем продуктов сгорания 1 кг топлива определяются по формулам: 34 Топливо для судовых котлов VНО2 = VH02O 0,016 1 V 0 ; Vг Vг0 1,016 1 V 0 . (2.14) (2.15) После этого рассчитываются объемные доли трехатомных газов и водяных паров из соотношений: = r RO 2 V V HO 2 RO 2 = ; r HO 2 Vг Vг . (2.16) Рис. 2.2. Зависимость коэффициента избытка воздуха от нагрузки котла По результатам расчета материального баланса процесса горения выполняется определение энтальпии продуктов сгорания. Для этого используются формулы с приведенными коэффициентами, погрешность расчета по которым не превышает ± 1%. Энтальпия продуктов сгорания, Iг, кДж/кг, при избытке воздуха α > 1 составляет Iг Iг0 1 Iв0 . (2.17) Энтальпия теоретического объема воздуха Iг0 , кДж/кг, определяется по формуле Iг0 А В Qнp 0,025W p CW p , (2.18) а энтальпия теоретического объема воздуха Iв0 — по формуле 35 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Iв0 В Qнp 0, 025W р , (2.19) где Qнр Wр Коэффициенты — теплота сгорания, определяемая в МДж/кг; — в процентах; А, В и С — численные значения эмпирических коэффициентов, зависящие от температуры и имеющие размерность энтальпии 1м3 продуктов сгорания, приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 Зависимость эмпирических коэффициентов А, В, С от температуры Значение температуры, °С 100 300 А 4 В 35 С 1,7 14 105 5,9 500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 26 38 52 66 178 255 335 416 10 14,2 18,8 24 82 499 29 98 584 34,5 114 670 40 132 149 756 843 45,5 51,5 167 931 57 Результаты расчетов, полученных по формулам (2.17)–(2.19), представленные в виде табл. 2.1 для мазутов или в графической ее интерпретации в виде диаграммы I–t (рис. 2.3), используются в процессе тепловых расчетов поверхностей нагрева котлов. Рис. 2.3. Диаграмма I–t для мазута среднего состава при различных коэффициентах избытка воздуха 36 Топливо для судовых котлов В проектных организациях судового котлостроения («Специальное конструкторское бюро котлостроения», Балтийский завод) все расчеты были выполнены для мазута среднего рабочего состава (в долях килограмма топлива). Под средним составом топлива понимаются наиболее характерные количественные показатели основных элементов рабочей массы применительно к конкретному виду топлива. В табл. 2.2 приведены значения элементарного состава низкосернистого мазута в долевом измерении. Таблица 2.2 Доля отдельных составляющих элементарного состава мазута Ср Нр S лр Ор + Np Aр Wр Lр 0,8362 0,1168 0,015 0,009 0,001 0,02 0,002 Примечание. Lp — содержание механических примесей. За расчетную теплоту сгорания принимают Qнp = 40400 кДж/кг. Для данного состава топлива в расчетах химических реакций используют следующие данные: – теоретическое количество сухого воздуха: V0 = 10,579 м3/кг; (2.20) – полный объем продуктов сгорания: Vг = 11,397 + 10,749(α–1) м3/кг; (2.21) – объемные доли трехатомных газов: rRO2 = 1,571/ Vг ; rH2O 1,4668 0,1703 1 / Vг . (2.22) (2.23) Зависимости (2.20)–(2.23) удобно использовать при поверочных расчетах котлов. 2.4. Теория топочных процессов Процесс горения топлива состоит из сложных явлений, в которых участвуют как реагирующие вещества, так и окружающая их среда в виде топочной камеры и отдельных элементов ее оборудования. В топке котла протекает сложный физико-химический 37 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки процесс, характеризующийся закономерностями смесеобразования (паров жидкого топлива и окислителя в виде кислорода) и реакций горения, относящихся к химически обратимым реакциям. В соответствии с законом действующих масс при постоянной температуре скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Во всех реакциях горения для образования продуктов сгорания требуется, по крайней мере, расщепление молекул исходных веществ, т. е. преодоление внутримолекулярных сил сцепления атомов в молекуле. На преодоление этих сил (своеобразного «энергетического барьера») необходимы затраты так называемой энергии активации, а ее значение зависит только от природы реагирующих веществ. Разрушение межатомных связей в молекулах в процессе активации приводит к появлению активных промежуточных продуктов: атомов, радикалов, окислов, перекисей, которые сразу же вступают в реакции между собой. При этом реакции протекают таким образом, что наряду с конечными продуктами образуются активные промежуточные продукты, способные поддерживать непрерывный ход реакций, Рис. 2.4. Схема цикла цепной которые называются цепными разветвленной реакции (рис. 2.4). горения водорода В цепных разветвленных реакциях, характерных для процессов горения топлива, количество активных промежуточных продуктов увеличивается, как это видно на примере самоускоряющейся цепной реакции горения водорода. При столкновении со стенками, ограничивающими объем топки, или с молекулами минеральных веществ золы и азота, а также с твердыми частицами активные промежуточные продукты теряют избыточную энергию, что приводит к обрыву цепи. Поэтому цепные разветвленные реакции в ограниченных объемах разгоняются до определенной скорости, кото38 Топливо для судовых котлов рая в дальнейшем остается постоянной. Это наглядно подтверждено зависимостью изменения температуры реакции от времени (рис. 2.5). Видно, что через определенный промежуток времени скорость реакции становится постоянной, а температура горения достигает значения tг = const. В установившемся процессе горения возникает фронт пламени толщиной в доли миллиметра. Характеристикой процесса горения служит массовая скорость выгорания (г/(см2·с)), представляющая собой количество смеси, которая сгорает в единицу времени на единице площади фронта пламени. Рис. 2.5. Зависимость температуры реакции горения топлива от времени: tн — начальная температура; t0 — температура начала саморазгона цепной реакции; tсв — температура самовоспламенения топлива; Q1,Q2 — соответственно подвод и отвод теплоты; tг — максимальная температура в топке горения на установившемся режиме 2.5. Процесс горения жидкого топлива Процесс горения жидкого топлива проходит следующие стадии: подогрев и испарение, расщепление капель, образование газовоздушной рабочей смеси, непосредственное сжигание. Горение одиночной капли жидкого топлива. Для сгорания капли необходимо, чтобы топливо испарилось, пары его прошли термическую обработку (газификацию) и смешались с окислителем, а образовавшаяся смесь прогрелась до температуры воспламенения (активировалась). При температуре капли выше 100 °С начинают испаряться легкие фракции топлива, пары которых образуют горючую смесь, воспламеняющуюся при температуре около 200 °С и образующую устойчивый сферический фронт пламени толщиной 39 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки порядка 0,001 мм. Теплота, выделяющаяся в зоне горения, совместно с теплотой, подводимой к капле извне (конвекцией от горячих рециркулирующих газов излучением от горящего факела), повышает температуру капли до 300–400 °С, при которой начинается интенсивное испарение тяжелых углеводородов, диффундирующих с поверхности капли к зоне горения и поддерживающих стабильный фронт пламени вокруг нее. Принципиальная схема горения одиночной капли топлива приведена на рис. 2.6. Рис. 2.6. Схема горения одиночной капли топлива Сжигание жидкого топлива в факеле. В топочных устройствах котлов предусматривается раздельная подача топлива и воздуха. На границе топливо – воздух образуется гетерогенная смесь, которая воспламеняется у самого корня факела в наружных его слоях, распространяется к оси факела, достигая ее на некотором удалении от корня, поскольку центральные струи в течение времени распространения пламени успевают переместиться на некоторое расстояние от устья форсунки. Зона начала воспламенения, таким образом, приобретает форму конуса (рис. 2.7), а устойчивое горение основной части топлива происходит в зоне горения 1 (фронт факела), занимающей ядро факела и делящей факел на две области: внутреннюю 2 и наружную 3. В зоне 2 протекают процессы испарения топлива, смесеобразования, активации молекул паров углеводородов и начала воспламенения топлива у отдельных капель, а в зоне 3 происходит догорание круп40 Топливо для судовых котлов ных капель и в присутствии избытка кислорода продолжение перехода окиси углерода СО в СО2. Необходимо отметить, что качество горения определяется процессами, протекающими во внутренней области факела 2. Рассмотренные особенности горения относятся к прямоточному ламинарному факелу, в котором подвод окислителя к фронту горения осуществляется за счет броуновской диффузии. Рис. 2.7. Ламинированный факел горения топлива: 1 — зона (фронт) горения; 2 — зона испарения топлива, смесеобразования и активации молекул; 3 — зона догорания высокомолекулярных углеводородов В практике для интенсификации процесса горения используют принудительную турбулизацию факела за счет придания воздушному потоку вращательного движения с помощью тангенциальных каналов воздухонаправляющих устройств. Турбулизация факела, а также совокупность капель различных размеров распыливания приводят к тому, что время выгорания капель колеблется в широких пределах, в результате чего размывается фронт горения и выгорание протекает практически во всем объеме факела. При этом длина турбулентного факела значительно меньше длины ламинарного факела (рис. 2.8). Рис. 2.8. Схема турбулентного факела, формирующегося закрученным потоком воздуха 41 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Для обеспечения устойчивого зажигания факела и стабилизации фронта воспламенения к устью форсунки должен подаваться не весь воздух, а только его часть (примерно 10–20 %), называемая первичным воздухом. При подаче всего воздуха к корню факела на подогрев и подготовку топлива потребуется значительное количество теплоты, что приведет к увеличению процесса образования горючей смеси. Фронт воспламенения в данном случае удалится от устья форсунки. При этом возможен отрыв (сдувание) факела. Поэтому для ограничения притока первичного воздуха к устью форсунки применяются различного рода устройства. Например, с паромеханическими форсунками устанавливается диффузор, положение которого относительно фурмы (конусного пространства в районе впрыска топлива) регулирует количество первичного воздуха за счет создания вихревого движения за ним и поворота части общего потока воздуха по направлению к устью форсунки (рис. 2.9). Остальной воздух (вторичный) направляется к зонам горения и догорания. Турбулентный вращающийся факел создает в центре вихревого потока разрежение и горячие топочные газы с периферии движутся во внутреннюю часть вихря (рециркуляция газов) по направлению к корню факела, увеличивая количество тепла, идущего на интенсификацию процессов испарения капель, газификации и активации молекул топлива. На рис. 2.9, а, показано оптимальное положение диффузора: первичный воздух подводится к корню факела (количество воздуха ~10 % от общего объема), рециркуляция газов обеспечивает приток теплоты к зоне испарения топлива. На рис. 2.9, б, показано неправильное положение диффузора: первичный воздух к корню факела не подводится, его количество превышает 25 %, факел неустойчив из-за охлаждения его корня, рециркулирующие газы забрасывают капли топлива на форсунку, образуя нагар. На рис. 2.9, в, показано неправильное положение диффузора: первичного воздуха недостаточно у корня факела для устойчивого зажигания, вторичный воздух может «сдуть» факел вследствие его переохлаждения, рецеркуляция газов не обеспечивает притока теплоты в зону испарения топлива. Таким образом, условиями устойчивого горения 42 Топливо для судовых котлов факела являются наличие рециркуляции газов и поддержание температуры факела в зоне горения выше 1000 °С. Данные условия обеспечиваются как процессами смесеобразования и выгорания топлива, так и в первую очередь качеством процесса распыливания топлива. а) б) в) Рис. 2.9. Схема организации потоков первичного и вторичного воздуха и рециркуляции продуктов сгорания: а — оптимальное положение диффузора; б, в — неправильно положение диффузора Основными признаками, на основании которых можно дать оценку качества горения, являются: 43 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки – цвет факела должен быть светло-соломенно-желтый; – прозрачность факела должна быть такой, чтобы были видны элементы топки (трубы, кирпич, стенки топочных камер), расположенные на противоположной от смотрового отверстия стороне; – угол раскрытия конуса факела должен находиться пределах 80–110° (рис. 2.10), а длина факела не должна превышать половины длины топки (по оси факела); – должны отсутствовать белые искры в структуре факела; – на выходе из дымовой трубы не должно быть черного и белого дыма (газы должны быть бесцветными). а) б) в) Рис. 2.10. Схемы факела при различных углах раскрытия конуса в его вершине: а — α = 80–110° — оптимальный угол; б — α < 70° — неполное сгорание топлива, возможен срыв факела, плохая рециркуляция продуктов сгорания; в — α > 140° — факел, неустойчивый из-за глубокой рециркуляции газов В случае, приведенном на рис. 2.10, в, ввиду глубокой рециркуляции газов, происходит закоксовывание головки форсунки и заброс капель на стенки топки. 2.6. Сжигание водотопливных эмульсий Задача экономии энергетических ресурсов в 70–80-е гг. XX в. была не менее актуальной, чем в настоящее время. Одним из вариантов ее решения являлось использование водотопливных эмульсий (ВТЭ) вместо чистого топлива. Исследовательские работы, 44 Топливо для судовых котлов которые проводились в этом направлении в течение многих лет, дали положительные результаты. Однако трудности специальной подготовки обводненных мазутов и их хранения, а также большие дополнительные затраты на оборудование ограничивали использование на судах таких эмульсий. В процессе использования ВТЭ были разработаны кавитационные диспергаторы, позволяющие получить эмульсии с размером капель воды в топливе менее 10 мкм, что практически устраняло проблему подготовки ВТЭ, так как диспергаторы устанавливаются на топливном трубопроводе перед форсункой. Однако сложность внедрения не способствовала применению на судах ВТЭ. Тем не менее следует кратко рассмотреть вопрос использования такой смеси. При сжигании ВТЭ наблюдаются следующие положительные эффекты: - полное сгорание при более низких значениях коэффициента избытка воздуха; - экономия чистого топлива; - резкое снижение интенсивности наружного загрязнения; - заметное уменьшение вредных выбросов (CO, сажи, SO2, окислов азота NOx и др.), объясняемое тем, что в сухой в сухой газообразной среде скорость испарения распыленных капель топлива существенно меньше, чем при наличии в ней паров воды; – наличие микрокапель воды (размером 6–10 мкм) в каплях ВТЭ приводит при нагревании к дополнительному дроблению последних благодаря энергии «микровзрывов», являющихся следствием того, что температура кипения воды значительно ниже температуры кипения топлива. Наличие паров воды в продуктах сгорания заметно ускоряет процесс догорания окиси углерода и тяжелых углеводородов. Повышенное содержание паров воды в продуктах сгорания (рис. 2.11) вызывает снижение температуры горения, что приводит к уменьшению выбросов в атмосферу на 30–40 % окислов азота и более чем на 50 % окиси углерода и сажи. 45 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 2.11. Снижение потерь теплоты при сжигании водотопливных эмульсий Указанные особенности физико-химических процессов, протекающих в топке при сжигании ВТЭ, обуславливают снижение тепловых потерь: с уходящими газами на ~10 %, от химической неполноты сгорания на ~30 %, от механической неполноты сгорания на ~50 %. Цифры, полученные в результате проведения многочисленных испытаний (см. рис. 2.11), позволяют сделать вывод о том, что оптимальное содержание воды в ВТЭ находится в пределах 10–20 %. 2.7. Применение газового топлива Природный газ — самое экологически чистое ископаемое топливо, которое обладает наивысшей энергетической ценностью. Спрос на природный газ постоянно растет. В 2000 г. мировое потребление природного газа составило 2 411 млрд м3, в 2010 г. — 3 180 млрд м3, в 2015 г. — 3 468 млрд м3. В начале XXI в. рост потребления природного газа в среднем составлял 2,9 % в год. Россия, Норвегия и Великобритания поставляли газ преимущественно по трубопроводу в страны Европы. Канада по трубопроводу поставляла газ в США, а США — в Мексику. Страны, находящиеся от импортеров на большом удалении с протяженными морскими маршрутами доставки, экспортируют газ морскими судами. На морских судах природный газ перевозится в сжиженном состоянии при атмосферном давлении и сверхнизкой температуре минус 163 °С. Таким образом, сжиженный природный газ (СПГ (LNG) 46 Топливо для судовых котлов — сокр. от англ. Liquefied Natural Gas) — это криогенная жидкость. При этом СПГ занимает примерно 1/600 своего первоначального объема и имеет плотность 420–490 кг/м3. Следует отметить, что в его составе около 98 % метана (в зависимости от месторождения). Перевозки СПГ в ХХI в. — самый динамично развивающийся сегмент мировых морских перевозок. СПГ перевозится в специальной защитной системе — грузовых танках, монтируемых в корпусе и выступающих над главной палубой. Наибольшее распространение получили сферические грузовые танки типа Moss, разработанные норвежской фирмой Moss Rosenberg, и мембранные грузовые танки, разработанные французской фирмой Gaztransport and Technigaz (GTT). В начале 2000-х гг. почти 50 % эксплуатируемых газовозов СПГ были оборудованы сферическими танками, но уже в первой половине 2000-х гг. в портфеле заказов судостроительных верфей преобладали газовозы с мембранными грузовыми танками. В конце 2015 г. мембранные танки были установлены примерно на 75 % эксплуатируемых газовозах. Для того, чтобы сохранить газ при температуре –163 °С в процессе перевозки и свести к минимуму его испарение, все системы грузовых танков имеют мощную и дорогостоящую изоляцию. Тем не менее в сутки испаряется до 0,15 % перевозимого газа. Лучшие на сегодняшний день проекты газовозов допускают испарение газа в сутки в пределах 0,10 % и менее. Испаряющаяся часть груза утилизируется преимущественно путем повторного сжижения газа или использования его в качестве топлива для судовых двигательных установок, включая главные и вспомогательные котлы. Второй вариант имеет устойчивый приоритет, так как является экономически более целесообразным. Требования к использованию пара груза на судах типа LNGC приведены в гл. XVI «Газового кодекса». В п. 16.1 этого нормативного документа установлено генеральное ограничение для морских судов, согласно которому только метан может быть использован как топливо в СЭУ (в котлах, установках инертного газа, газотурбинных установках (ГТУ) и дизелях). Данное ограничение объясняется тем, что в одинаковых условиях по давлению и температуре 47 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки метан значительно легче воздуха и поэтому не взрывоопасен. Кроме того, метан в относительно меньшей степени, чем любое другое топливо, наряду с более высокой теплотворной способностью при сжигании, выделяет тепличный газ СО2, что объясняется максимально высоким отношением чисел атомов водорода и углерода в его химической формуле (4:1). На речных судах, из-за меньшей взрыво- и пожароопасности, возможно применение бытового газа (смеси пропана-бутана). В процессе теплотехнического анализа использования метана в качестве топлива представляют интерес следующие вопросы: 1. Технико-экономическое соотношение характеристик обоих топлив СЭУ (традиционного жидкого и метана). 2. Метан в рабочем процессе судовых дизелей; массовые и объемные соотношения метана и воздуха в дизеле. 3. Влияние использования метана как топлива на экологические показатели судовых установок. В теплотехническом аспекте целесообразности использования пара метана в СЭУ существенное значение имеет его теплотворная способность и ее сравнение для традиционных судовых топлив. Для топлив нефтяного происхождения низшая рабочая теплотворная способность изменяется в диапазоне 40–42 тыс. кДж/кг в зависимости от места добычи и технологии переработки. В еще большей степени изменяется цена в различных портах бункеровки судов и при различных конъюнктурных условиях. Сравнительной оценкой процесса горения нефтяного топлива и газа является удельная потребность в воздухе в соответствующих процессах сжигания метана и сложность конструкционных схем в различных СЭУ. Химический состав органического топлива определяет количество воздуха, необходимого для его полного сжигания. Для среднего состава судового нефтяного топлива он составляет около 15 кг/кг. В целях достижения лучшей полноты сгорания в дизелях его расход больше. В котлах, ввиду лучших условий сгорания в топке и дожигания в притопочных пучках труб, коэффициент избытка воздуха может снижаться до 1,05–1,15. Простой расчет по реакции сгорания 1 кг метана СН4 показывает, что для полного сжигания 1 кг метана потребуется расход 19,05 кг воздуха: 48 Топливо для судовых котлов 12 4 = 0,75 кг углерода и = 0,25 16 16 кг водорода, где 12 — атомная масса углерода, 16 — молекулярная масса метана, 4 — массовая доля водорода в метане; – в 1 кг метана содержится – на сжигание углерода в 1 кг СН4 потребуется 0,75 кислорода, т. е. 2/0,21 = 9,524 кг воздуха; – на сжигание водорода в 1 кг СН4 потребуется 0,25 кислорода, т. е. 2/0,21 = 9,524 кг воздуха. 16 = 2 кг 12 32 = 2 кг 4 В целом требуется 19,05 кг воздуха для прямого сжигания 1 кг метана. Аналогично получается, что потребность воздуха для сжигания 1 кг этана составляет 17,76 кг, пропана — 17,32 кг, бутана — 17,08 кг. Как видно, для метана потребность воздуха для полного сжигания его по сравнению с воздухом для нефтяного топлива оказывается большей на 25–27 %. Однако указанный недостаток в случае использования метана в котлах компенсируется его значительно более высокой летучестью и, следовательно, лучшей организацией смеси газового топлива и воздуха в факеле и во всем объеме топочного пространства. Это позволяет снизить на соответствующую величину коэффициент избытка воздуха при горении по сравнению с дизельным вариантом использования метана как топлива. В дизельном варианте теплофизические свойства алканов и их дериватов играют большую роль в организации рабочего цикла и его характеристиках с учетом высокой температуры в объеме камеры сжатия в цилиндре и значительно более низкого значения скрытой теплоты парообразования и теплоемкости метана, в том числе в газовой фазе. Топливное оборудование котлов на рассматриваемых типах судов исключительно двойного назначения, т. е. рассчитанное для жидкого и газообразного топлива. В современном мировом судостроении XXI в. интенсивно ведется строительство судов различных типов с главными двигателями на двойном топливе. Для них строятся и проектируются суда-бункеровщики со специальными системами для передачи газа с борта на борт и техническим обеспечением безопасности таких операций. В настоящее 49 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки время находятся в эксплуатации суда с системами регазификации, что предполагает передачу газа береговым потребителям. Вместе с тем и мировое дизелестроение, в большой его части, включая дизелестроительные заводы, выпускающие мощные малооборотные крейцкопфные дизели, отрабатывают и поставляют на рынок конструкции, в том числе с электронным управлением топливоподачи (так называемые camshaftless) для работы на двойном топливе. Авангардной в этом направлении была и остается компания Wärtsilä. Контрольные вопросы и задания 1. Какие виды топлив применяются на судах? 2. Приведите примеры маркировки топлив. 3. Укажите элементарный состав органического топлива. 4. Перечислите основные характеристики топлива. 5. Какие требования предъявляются по температуре вспышки топлива, применяемого на судне? 6. Каковы причины применения газового топлива на судах? 7. Что является критерием выбора температуры подогрева топлива в открытой емкости? 8. Назовите критерий выбора температуры подогрева топлива перед форсункой. 9. Какие значения вязкости топлива должны быть для качественного распыла? 10. Как определить количество воздуха, необходимого для сжигания топлива? 11. Теплотворная способность топлива: понятие и числовые значения. 12. Что следует понимать под коэффициентом избытка воздуха? 13. Объясните цель построения диаграммы I-t. 14. Поясните, как вы понимаете процесс факельного способа сжигания топлива. 15. Для чего необходимо распыливание топлива и каковы принципы распыливания топлива? 16. В чем заключаются особенности использования газового топлива? 50 3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОНСТРУКЦИИ ТОПОЧНЫХ УСТРОЙСТВ 3.1. Основные понятия Процесс сжигания в зависимости от вида топлива может быть слоевым (твердое топливо — уголь) или факельным (жидкое топливо и газ). В современных судовых котлах имеет место только факельный способ. Горелка предназначена для подачи топлива, его распыливания форсункой, направления и регулирования воздуха. Поступающее в топку распыленное топливо в виде конуса попадает в зону закрученного потока воздуха, образуя горючую смесь. Стабилизация процесса горения обеспечивается благодаря наличию воздухонаправляющих устройств, которые служат для организации потока воздуха с целью обеспечения более полного сгорания топлива в топке котла (рис. 3.1). а) б) Рис. 3.1. Схемы организации потоков воздуха с помощью воздухонаправляющих устройств: а — без закрутки; б — с закруткой Топка представляет собой замкнутый объем, в котором протекают все процессы сжигания топлива: образование его смеси с воздухом, испарение топлива, непосредственно горение и теплоотдача 51 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки излучением. Классификация горелок определяется типом форсунок и компоновкой их совместно с топочной камерой. По способу распыливания топлива форсунки подразделяются на механические и паромеханические, которые по организации движения рабочей смеси (топливо и воздух) могут называться вихревыми. Механические форсунки имеют две разновидности: обычную с неподвижным распылителем (с распыливанием топлива благодаря его давлению, создаваемому топливным насосом) и ротационную с вращающимся распылителем. Оба эти варианта форсунок можно охарактеризовать как центробежные, так как распыл осуществляется под действием центробежных сил. При неподвижном распылителе закрутка потока происходит под давлением топлива, проходящего по тангенциальным каналам распыливающей шайбы. В ротационной форсунке центробежные силы создаются вращающимся распылителем. Паромеханические форсунки с неподвижным распылителем, как и в механических форсунках, имеют специальную паровую шайбу, позволяющую сообщать распыливаемому топливу дополнительную кинетическую энергию потоком пара. Такие форсунки с распыливанием топлива преимущественно подаваемым паром называют паровыми. Агрегатированные топочные устройства представляют собой агрегат, в котором в одном корпусе скомпонованы: форсунки с воздухонаправляющими устройствами, котельный вентилятор, топливный насос, подогреватель топлива, элементы системы регулирования горения, сигнализации и защиты, электродвигатель. 3.2. Форсунки с неподвижными распылителями Форсунка с неподвижным распылителем состоит из ствола с центральным отверстием (каналом), распыливающей головки со сменными распылителями (шайбами) и устройства крепления ствола на топочном фронте котла. Форсунка размещается в трубе, на которой установлен подвижный диффузор, регулирующий подачу первичного воздуха к корню факела. 52 Принцип действия и конструкции топочных устройств Основным элементом форсунки является распыливающая шайба 1 с тангенциальными каналами, заканчивающимися в вихревой камере с центральным отверстием для выхода топлива в топку. Паромеханическая форсунка имеет также паровую распыливающую шайбу 2 (рис. 3.2). а) б) Рис. 3.2. Распылитель паромеханической форсунки c шайбами: а — паровой; б — топливной Процесс распыливания в обычной механической форсунке протекает следующим образом. Топливо по центральному каналу ствола подается к периферии шайбы, далее по тангенциальным каналам поступает в конусную вихревую камеру, где поток закручивается и с большой скоростью идет к выходному отверстию шайбы. Топливо впрыскивается в топку, приобретая форму полого конуса. По мере удаления от форсунки топливный слой уменьшается. В момент, когда силы инерции превышают силы вязкости в тонкой топливной пленке, происходит ее распад на отдельные капли, которые под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму (рис. 3.3), т. е. наблюдается процесс первичного дробления топливной пленки. 53 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 3.3. Схема первичного дробления топлива при распыливании При движении в воздушной среде с высокой скоростью капли испытывают воздействие сил трения. Если сила трения превышает силу поверхностного натяжения, то происходит дробление капли на более мелкие части — вторичное дробление топливной пленки (рис. 3.4), которое и определяет дисперсный состав распыленного топлива. Качественное сгорание топлива достигается при среднем оптимальном размере капель 50–70 мкм с незначительным количеством крупных капель размером менее 200 мкм. Рис. 3.4. Схема вторичного дробления капли топлива в топке: wк, wв — соответственно скорости капли и потока воздуха; РПН, РСВ — соответственно силы поверхностного натяжения и сопротивления воздушной среды Малый размер капель — первый признак высокого качества распыливания топлива, степень однородности размеров капель, характеризующаяся их близостью к оптимальному размеру — второй признак. Важной характеристикой процесса распыливания топлива является угол раскрытия конуса факела, определяющий геометрические характеристики факела. Качество распыливания 54 Принцип действия и конструкции топочных устройств топлива зависит также от состояния наружных и внутренних поверхностей тангенциальных каналов, вихревой камеры и центрального отверстия распылителя. Для обычных механических форсунок с неподвижным распылителем характерным является узкий диапазон регулирования подачи топлива — 70–100 % нагрузки без смены распыливающей шайбы. В паромеханических форсунках диапазон регулирования подачи топлива увеличен до 10–100 % за счет использования паровой шайбы, в тангенциальных каналах которой пар давлением 1,5 бар закручивается в ту же сторону, что и конус топлива, выходящего из топливного распылителя. Таким образом, топливу сообщается дополнительная кинетическая энергия, обеспечивающая качественное распыливание топлива во всем диапазоне регулирования. В современных судовых котлах на судах зарубежной постройки горелки достаточно часто располагаются в верхней части котла (потолочное расположение). При таком варианте у вспомогательных котлов цилиндрического исполнения длина ствола форсунки получается довольно большой, поскольку она проходит в специальной трубе через пароводяную часть котла. 3.3. Конструкции воздухонаправляющих устройств Воздух, необходимый для сжигания топлива, подается в топку вентилятором и проходит через устройства, которые используются как для направления потока, так и для регулирования соотношения топливо – воздух, т. е. определения коэффициента избытка воздуха. Это особенно важно для современных главных котлов, где конструктивно горелки имеют различные достаточно сложные решения. Воздухонаправляющее устройство (ВНУ) с неподвижными лопатками, образующими тангенциальные каналы, в течение длительного времени обычно применяют в отечественных водотрубных котлах (рис. 3.5). ВНУ представляет собой воздушный завихритель 1, образованный лопатками 2, установленными между двумя конусами, по касательной к начальной (условной) окружности, которые образуют тангенциальные каналы, закручивающие 55 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки поток воздуха, поступающего в топку. На форсуночной трубе 3 установлены диффузор 4 и втулка форсунки 5, положение которых определяется при наладочных испытаниях. Втулка предназначена для установки форсунки в ВНУ. Форсунка имеет два штуцерных соединения и каналы для подвода топлива и пара, в которых установлены шариковые клапаны. На корпусе ВНУ предусмотрены штуцеры для установки датчиков горения системы защиты. Рис. 3.5. Воздухонаправляющее устройство вспомогательного водотрубного котла КАВ1,6/7: 1 — корпус; 2 — тангенциальные лопатки завихрителя воздуха; 3 — форсуночная труба; 4 — диффузор; 5 — форсунка паромеханическая; 6 — электроды запальные; 7 — фурма металлическая; 8 — каналы воздушного охлаждения фурмы Фурма 7 выполнена металлической, охлаждается воздухом и служит продолжением проточной части воздухонапрвляющего устройства. Регулирование подачи воздуха в топку в рассматриваемых ВНУ осуществляется с помощью регулирующей заслонки, установленной в воздуховоде за котельным вентилятором. В котлах постройки 50–60 гг. XX в. регулирование подачи воздуха в топку осуществлялось в каждом воздухонаправляющем устройстве самостоятельно. 56 Принцип действия и конструкции топочных устройств Воздухонаправляющие каналы в таких устройствах перекрываются или открываются цилиндрическими шиберами, перемещающимися автоматически серводвигателями со специальными тягами. Конструктивные решения воздухонаправляющих устройств могут быть различными в зависимости от того, какие типы форсунок применяются и на каких котлах устанавливаются ВНУ. Однако назначение всех типов ВНУ с механическими и паромеханическими форсунками с неподвижными распылителями остается одинаковым и заключается в необходимости обеспечить турбулизацию потока воздуха и качественное смесеобразование в топке. Данный вариант водотрубного котла КАВ1,6/7 относится к котлам с двойной обшивкой и фронтальным расположением горелки. У вертикальных цилиндрических котлов с потолочным расположением горелки воздух подается вентилятором в специальный воздушный короб, расположенный в верхней части над пароводяным пространством, затем он направляется вниз вдоль ствола форсунки и поступает в зону распыла топлива. Рис. 3.6. Относительное расположение распылителя (сопла) форсунки и электродов зажигания На рис. 3.6 показана торцевая часть форсунки, обращенной в топочное пространство котла Мission OL танкера «Василий Динков». Воздух в данном устройстве поступает к распыливающему топливо соплу по патрубку вокруг форсунки. 57 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 3.4. Принцип действия ротационных горелок Во вспомогательных котлах довольно часто в зарубежной практике котлостроения используют горелки с вращающимся распылителем (ротационные). Особенности конструкции ротационных горелок показаны на рис. 3.7. В ротационных горелках топливо распыляется под действием центробежной силы, создаваемой вращающимся со скоростью 3000–5000 об/мин распыливающим «стаканом» 1, внутренняя (рабочая) поверхность которого имеет некоторую конусность. Топливо к стакану поступает по центральному отверстию вала 2, растекаясь по его рабочей поверхности в виде тонкой пленки. Под действием осевой составляющей центробежной силы топливо движется к выходной кромке, срывается с нее и образует вращающийся конус, распадающийся на капли при первичном дроблении. К внешней кромке по кольцевому каналу 3 подводится первичный воздух (~10 %) от автономного вентилятора 4, установленного на одном валу с распылителем. Воздух обеспечивает вторичное дробление капель топлива и образование гомогенной топливовоздушной смеси. Давление топлива в ротационной форсунке должно быть таким, чтобы обеспечить только подвод его к распыливающему «стакану» (возможно, даже самотеком). Качество распыливания не зависит от давления и определяется только механической энергией, сообщаемой топливу вращающимся распылителем. При этом обеспечивается качественное распыливание топлива в диапазоне нагрузок 0–100 %. Подачу топлива регулируют изменением проходного сечения топливного клапана (при постоянной частоте вращения стакана). К недостаткам ротационных горелок относятся: – сложность конструкции и сравнительно низкая надежность подвижных частей; – наличие кольцевого зазора 3 между корпусом и вращающимся распылителем, требующее тщательной регулировки величины этого зазора, который должен быть одинаковым по всей окружности во избежание смещения факела в сторону уменьшенного зазора. На рис. 3.8 приведен упрощенный внешний вид и разрез горелки современного котельного агрегата фирмы Aalborg танкера «Кирилл Лавров». 58 Принцип действия и конструкции топочных устройств Рис. 3.7. Механическая форсунка с вращающимся распылителем (ротационная горелка): 1 — вращающийся распылитель (стакан); 2 — вал с осевым топливным каналом; 3 — кольцевой зазор для выхода первичного воздуха; 4 — вентилятор первичного воздуха; 5 — регулирующий шибер вторичного воздуха; 6 — электродвигатель а) б) Рис. 3.8. Общий вид (а) и разрез (б) ротационной горелки 59 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Воздух от вентилятора подается в воздушное пространство 5 через патрубок 7, в котором расположены поворотные заслонки 8 (см. рис. 3.8). Соотношение топливо – воздух автоматически регулируется устройством 9, а топливо подается по магистрали 10 с быстрозапорными клапанами 3. Розжиг форсунки осуществляется с использованием специального запального устройства и подачей топлива через подводящий трубопровод 6. Первичный (распыливающий) воздух поступает по воздуховоду 4, а основная часть воздуха в топку подается через завихритель 2. К преимуществам ротационных горелок относятся отсутствие необходимости высокого давления топлива перед горелкой и диапазон регулирования производительности при хорошем качестве распыливания топлива. Существенным недостатком является сложность конструкции (наличие вращающихся деталей). 3.5. Агрегатированные и газомазутные топочные устройства Наиболее известными и широко распространенными в котлах малой производительности (до 6–8 т/ч) агрегатированными топочными устройствами с механическими форсунками с неподвижными распылителями являются устройства типа «Монарх», «Ойлон» и др. (рис. 3.9). Топочное устройство представляет собой агрегат, состоящий из двух распыливающих сопел 1 (основного и дежурного), скомпонованных в одной головке. Топливный насос 2 и вентилятор 3 смонтированы на одном валу, приводимом во вращение электродвигателем 4. Топливо насосом подается в электроподогреватель (на рисунке не показан) и далее к электромагнитным клапанам 5 и 6, подающим топливо к соплам. Подачу топлива регулируют либо отключением сопел, либо перепуском части топлива в приемную часть насоса. Предусмотрена также автоматическая защита по факелу с помощью фотоэлемента. Агрегатированные горелки типа «Монарх» в большинстве случаев устанавливаются фронтально и в процессе обслуживания могут быть отведены в сторону на шарнирных опорах или демонтированы, как это показано на рис. 3.10. При потолочном располо60 Принцип действия и конструкции топочных устройств жении агрегатированного устройства также сохраняется шарнирное соединение. Воздух Рис. 3.9. Топочное устройство типа «Монарх» Рис. 3.10. Фронтальное положение агрегатированных горелок при профилактическом осмотре 61 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки С внедрением газототопливных установок на судах появились новые конструктивные решения как самих котлов, так и горелок. Характерным примером является одно из первых крупнотоннажных судов для перевозки СПГ (LNG) — танкер-газовоз «Кристоф де Маржери». Судно с усиленным ледовым классом (Arc 7 LNGC) построено в 2017 г., имеет грузовместимость 172845 м3, дедвейт 80181,7 т. Длина судна — 259 м, ширина — 50 м, осадка — 13 м. Судно может развивать скорость до 21 уз. Дизайн и мощность установки газовоза позволяет ему преодолевать лед толщиной 2,1 м. Это серийный газовоз для перевозки LNG с судовой установкой, где основным топливом является газ. Система электродвижения обеспечивается четырьмя главными дизель-генераторами и тремя движительными устройствами типа «Азипод». Двухтопливные двигатели фирмы Wärtsilä, мощностью 11700 кВт каждый с температурой уходящих газов около 370 °С, что обуславливает применение утилизационных котлов для этих дизелей. Утилизационные котлы главных дизель-генераторов (4 шт.) имеют паропроизводительность по 3000 кг/ч с рабочим давлением 7 бар фирмы Ааlborg газотрубного исполнения (XS-7V). Кроме того, два вспомогательных дизель-генератора имеют утилизационные котлы паропроизводительностью по 2000 кг/ч и рабочее давление 7 бар. Все утилизационные котлы главных дизель-генераторов не имеют автономных сепараторов пара. Два вспомогательных котла паропроизводительностью по 35000 кг/ч давлением 7 бар снабжены горелками двухтопливного варианта. Температура питательной воды 80 °С. При работе на жидком топливе его расход составляет 350–2440 кг/ч в зависимости от нагрузки. Массовый расход газового топлива (Boil of Gas — испаряющаяся часть груза) составляет 412–2882 кг/ч. Общее количество образующихся паров груза оценивается 388–3888 кг/ч с содержанием метана до 100 %. В системе теплоснабжения предусмотрены три подогревателя органического теплоносителя (термомасла). Нагрев теплоносителя производится паром. Температура термомасла составляет 93 °С на входе и 130 °С на выходе из теплобменника, расход пара — 90–103 кг/ч при давлении 7 бар. Термомасло как тепло62 Принцип действия и конструкции топочных устройств носитель используется в системе кондиционирования для обогрева помещений грузовых компрессоров, помещений для палубных устройств, аварийного ДГ, а также для вспомогательных нужд. Вспомогательные котлы оборудованы комбинированным топочным устройством с возможностью использования газового топлива в качестве основного и жидкого топлива как резервного и для розжига (Pilot Oil). Плотность жидкого топлива составляет около 900 кг/м3 с теплотворной способностью 40200 кДж/кг, вязкость может иметь значение до 700 сСт. Перед форсункой вязкость тяжелого топлива (HFO) обеспечивается подогревом и составляет не более 32 сСт. Коэффициент избытка воздуха при работе на жидком топливе — 1,2, на газовом топливе — 1,15. Расход воздуха при сжигании газа на нагрузке 100 % составляет 39907 кг/ч. В случае работы на HFO расход распыливающего пара равен 232 кг/ч при давлении 7 бар. В качестве распыливающей среды может использоваться воздух в количестве 371 кг/ч при давлении 8 бар. Рис. 3.11. Газомазутный вариант горелки с разрезом в районе газового коллектора Ввиду сложности конструкции двухтопливных горелок, подвод жидкого топлива и газа имеет автономные каналы. Общий вид одного варианта такой форсунки приведен на рис. 3.11. Газомазутная горелка главного котла современных паротурбинных установок (рис. 3.12) в зависимости от режима работы и вида топлива работает с коэффициентом избытка воздуха α ≈ 1,15–1,2. 63 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 3.12. Расположение основных элементов газомазутной горелки Через закручивающий аппарат 1 проходит только часть воздуха. Природный газ подается в газовый коллектор 4, откуда поступает по трубам 10 к соплам 11, расположенным вокруг распылителя жидкого топлива. Кроме того, на фланце горелки размещено электрическое устройство 6 для розжига, которое перемещается сервомотором 5. После зажигания электроды выводятся из зоны высоких температур. Для контроля за наличием факела устанавливают датчики. На верхнем фланце расположены сервомоторы для перемещения воздушного шибера, а также устройства для соединения форсунки с топливной системой и системой распыливающего пара. Жидкое топливо подается к форсунке по трубопроводу 8, а газообразное — в газовый коллектор по трубопроводу 9. Воздух в зону горения топлива подается через короб 3 и завихритель 2. В современных судовых котельных установках газомазутные горелки используются как для главных, так и для вспомогательных котлов на дизельных танкерах-газовозах или судах, оборудованных системой приема и хранения газового бункерного топлива. 64 Принцип действия и конструкции топочных устройств Контрольные вопросы и задания 1. Что входит в состав топочного устройства котла? 2. Объсните принцип работы механической форсунки со сменными распылителями. 3. В чем заключается принцип работы паровой форсунки? 4. В чем заключается принцип работы паромеханической форсунки? 5. В чем заключается принцип работы горелки с вращающимся распылителем? 6. Назовите способы регулирования подачи воздуха к форсунке. 7. Как происходит организация рабочей смеси топлива и воздуха? 8. Назовите преимущества и недостатки ротационной горелки. 9. Сформулируйте назначение воздухонаправляющих устройств. 10. Поясните конструкцию агрегатированных топочных устройств. 11. В чем заключаются особенности конструкции двухтопливных горелок? 12. Чем характеризуются особенности рабочего процесса котла с потолочным расположением горелки? 65 4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОТЛА 4.1. Общие понятия теплового баланса Наиболее полное представление о технико-экономических показателях работы котла (Дк, рк, tп, hк — п. 1.2) дает его тепловой баланс, представляющий собой закон сохранения энергии применительно к анализу рабочего процесса котла. Поскольку источником теплоты в котлах служит органическое топливо, при всех тепловых расчетах количество теплоты отнесено к 1 кг топлива, кДж/кг. Безусловно, это сохраняется при всех вариантах сжигания топлива, независимо от его типа. В общем виде уравнение теплового баланса котла (рис. 4.1) представлено в виде i n Qпод Q1 Qпот, i , i 2 (4.1) где Qпод — количество подведенной к котлу теплоты, кДж/кг; Q1 — количество полезно использованной теплоты, кДж/кг; Qпот, i — количество i-й потери теплоты, кДж/кг. Рис. 4.1. Графическая интерпретация теплового баланса котла 66 Тепловой баланс котла Подведенная к котлу теплота представляет собой сумму Qпод Qнр Qв Qт Qпр , (4.2) где Qнр — низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, кДж/кг; Qв — теплота, вносимая в топку с воздухом, кДж/кг; Qт — физическая теплота топлива (в отличие от теплоты сгорания Qнр ), кДж/кг; Qпр — теплота, вносимая в топку паром на распыливание топлива, кДж/кг; принимается Qпр @ 0. Физическая теплота топлива Qт = ст tг, (4.3) где ст = 1,95–2,0 кДж/(кг ⋅ К) — теплоемкость топлива при температуре его подогрева tт. В воздухе учитывается только теплота, полученная вне котла, т. е. либо переданная паром, либо (при отсутствии парового подогрева) собственная от холодного воздуха: 0 Qв QХВ V 0 cХВ tХВ IХВ , (4.4) где α — коэффициент избытка воздуха; 0 — соответственно теоретическое количество холодного V 0 , IХВ воздуха и его энтальпия, Н⋅м3/кг и кДж/кг; сХВ — теплоемкость воздуха при tХВ, кДж/(кг⋅К). Для судовых котлов определяющей величиной в уравнении (4.2) является теплота сгорания Qнр , так как Qв + Qт < 2 % от Qпод. Поэтому при составлении тепловых балансов котлов с газовыми воздухоподогревателями или без подогрева воздуха принимают Qпод = Qнр . Разделив обе части уравнения (4.1) на Qнр , получим выражение для теплового баланса в относительных величинах (в долях единицы или в процентах): i n 100 к qi , i 2 где hк — КПД котла. 67 (4.5) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 4.2. Методы составления теплового баланса Существует два метода составления теплового баланса по результатам теплотехнических испытаний котлов: прямой и обратный. Метод прямого теплового баланса предполагает измерения параметров рабочего процесса, необходимых для определения количества полезно использованной в котле теплоты Q1. Тогда выраже ние для КПД — ηпр , %, примет вид пр 100Q1 Qнр . (4.6) Метод обратного теплового баланса предполагает определение потерь теплоты по измеренным параметрам, характеризующим потери теплоты. Тогда выражение для КПД ηобр , %, имеет вид i n обр 1 100 Qпот, i i 2 Qнр . (4.7) Полезно использованная теплота в котле — это теплота, затраченная на подогрев воды в экономайзере, на парообразование в котле и перегрев пара в пароперегревателе. Рис. 4.2. Схема котла Используя обозначения, приведенные на схеме (к расчету теплового баланса) — рис. 4.2, для Q1 можно записать в виде 68 Тепловой баланс котла Q1 Dпер Вк iпер iпв Dохл iохл iпв . Вк (4.8) С учетом того, что Dк = Dпер + Dохл, имеем Q1 Dк D iпер iПВ охл iпер iохл . Вк Вк (4.9) Здесь Dк, Dпер, Dохл — паропроизводительность котла полная по перегретому и охлажденному пару соответственно, кг/с; iпер, iохл, iПВ — энтальпии, соответственно, перегретого и охлажденного пара и питательной воды, кДж/кг; Bк — расход топлива, кг/с. Для вспомогательных котлов, генерирующих насыщенный пар, уравнение (4.9) принимает вид Q1 Dк ix iПВ , Вк (4.10) где iх — энтальпия влажного насыщенного пара, кДж/кг. Поскольку влажность пара не превышает 1 %, можно принять ix ≈ i″, где i″ — энтальпия пара на линии насыщения при давлении pк. Подставив в выражение (4.6) значение Q1, КПД определяют по прямому балансу. На практике измерение расходов воды, пара и топлива не производится и определение Q1 весьма проблематично. Значительно проще измерить параметры процесса, определяющие потери теплоты (рис. 4.3). Рис. 4.3. Схема потерь теплоты в котле q2 , q3 , q5 q5т , q5к 69 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Соответственно в районе топки и конвективных поверхностей: – с уходящими дымовыми газами q2; – от химической неполноты сгорания топлива q3; – от механической неполноты сгорания топлива q4; – в окружающую среду q5. Тогда КПД по обратному балансу ηк , %, определяется по формуле к 100 q2 q3 q4 q5 . (4.11) Таким образом, в тепловых расчетах допустимо использование как прямого, так и обратного балансов, а оценку эффективности котла в эксплуатационных условиях целесообразно производить с применением обратного баланса. 4.3. Анализ тепловых потерь Потеря теплоты с уходящими газами q2 обусловлена невозможностью охлаждения дымовых газов в котле до температуры окружающей среды, так как чем меньше разность температур tг – Iв, тем меньше температурный напор поверхности нагрева и тем больше ее размеры. Потеря q2, %, определяется энтальпией Iух дымовых газов по формуле q2 Q2 Qнр 100 Iух Qв Qт Qнр 100. (4.12) Поскольку величины Qв и Qт представляют собой теплоту, вносимую в топку извне, считать их потерями в котле нельзя и они вычитаются из энтальпии Iух. При теплотехнических испытаниях котлов потери с уходящими газами — q2, %, определяются по эмпирической формуле q2 3,5 tух tХВ 100 0,5 tух tт 100 , (4.13) где tух, tХВ, tт — температуры, соответственно, уходящих газов, холодного воздуха и горячего топлива, °С; α — коэффициент избытка воздуха. 70 Тепловой баланс котла Если известна потеря q2 (например, задана по прототипу), то можно определить энтальпию уходящих газов по формуле Iух = Q2 +Qв + QT, (4.14) где Q2 = q2 Qнр . Далее по диаграмме I – t находится температура уходящих газов. Зависимость потери q2 от нагрузки котла приведена на рис. 4.4, а, из которого следует, что с уменьшением нагрузки снижается температура уходящих газов tух и, следовательно, потеря q2 (см. формулу (4.13)). а) б) в) Рис. 4.4. Зависимость от нагрузки котла потерь теплоты: а — с уходящими газами; б — от химической неполноты сгорания; в — в окружающую среду Снижение потерь q2 возможно за счет применения хвостовых поверхностей нагрева: экономайзера и воздухоподогревателя. Однако снижение этих потерь ограничивается нижним пределом температуры уходящих газов, который устанавливается в целях предотвращения низкотемпературной (сернистой) коррозии хвостовых поверхностей нагрева. Причиной данного вида коррозии является конденсация паров воды из дымовых газов на холодных стенках труб поверхностей нагрева. Температура, при которой начинают конденсироваться содержащиеся в дымовых газах пары, называется температурой точки росы дымовых газов. При содержании в дымовых газах только паров воды при существующих парциальных давлениях паров H2O температура их конденсации составляла бы около 50 °C (рис. 4.5). 71 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки а) б) Рис. 4.5. Зависимость температуры точки росы при содержании серы 1–5 %: а — от содержания серы в мазуте; б — от избытка воздуха При сжигании мазута в дымовые газы в виде SO2 + SO3 переходит практически вся сера, содержащаяся в топливе. Установлено также, что для небольших топок судовых котлов конверсия SO2 в SO3 составляет 3–6 %. При концентрациях ниже 600 °С SO3 реагирует с водяным паром, образуя серную кислоту: SO3 + Н2О (пар) = Н2SО4 (пар), который начинает конденсироваться при значениях температуры ниже 200 °С и фактически заканчивает конденсацию при температурах порядка 120–130 °С. Так как одновременно с этим на холодных поверхностях идет конденсация водяных паров, на стенках образуется жидкая пленка с концентрацией H2SO4 порядка 50–60 %. Основными факторами, оказывающими влияние на величину температуры точки росы, являются содержание серы в топливе (рис. 4.5, а) и коэффициент избытка воздуха (рис. 4.5, б). Из рис. 4.5 следует, что при избытке воздуха α > 1,15 и содержании серы в топливе более 1 % температура точки росы дымовых газов лежит в пределах 140–150 °С и выше. Следовательно, при температуре точки росы более 150 °С и концентрации H2SO4 в жидкой пленке выше 50 % скорость низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева котлов будет высокой, что подтверждается многими экспериментальными исследованиями ЦНИИМФ, ЦКТИ им. Ползунова, СКБК Балтийского завода и др., а также опытом 72 Тепловой баланс котла эксплуатации паровых котлов. Отложения золы на поверхностях нагрева в зоне температур газов выше точки росы адсорбируют свободную H2SO4, становясь коррозионно-агресивными при остановке котла, когда они адсорбируют влагу воздуха. Скорость коррозии труб экономайзеров и воздухоподогревателей при этом невелика. В зоне температур газов ниже точки росы отложения адсорбируют кроме H2SO4, также и SO3, что резко увеличивает скорость коррозии на стоянке. Для предотвращения низкотемпературной коррозии ранее применялись различные присадки к топливу, позволяющие снизить температуру точки росы газов. Однако опыт использования таких присадок показал их низкую эффективность, поэтому в настоящее время в судовых котлах они не применяются. В главных судовых котлах используются топочные устройства, позволяющие сжигать топливо при низких избытках воздуха — α < 1,05. При этом (см. рис. 4.5, б) резко снижается содержание SO3 в газах, и, следовательно, температура точки росы газов на номинальных нагрузках может быть снижена до 130 °С. Во вспомогательных и утилизационных котлах основным методом предотвращения низкотемпературной коррозии является поддержание температуры стенок поверхностей нагрева на всех нагрузках выше температуры точки росы дымовых газов. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания q3 обусловлена тем, что углерод за время нахождения топлива в топке не успевает окислиться до CO2, и некоторая часть окиси углерода (СО) уходит с дымовыми газами, что отражено в полуэмпирической зависимости q3 = mαCO, (4.15) где α — коэффициент избытка воздуха; CO — процентное содержание окиси углерода, %; m = 3,1–3,3 — эмпирический коэффициент, учитывающий влияние на q3 большого количества разнородных, не всегда определенных факторов. При качественном сгорании топлива содержание окиси углерода CO малό, и потери q3 редко превышают 0,5 % на номинальной 73 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки нагрузке. С уменьшением нагрузки котла потеря q3 незначительно возрастает (вследствие понижения температуры горения), а с уменьшением коэффициента избытка воздуха — увеличивается из-за нехватки кислорода для горения (рис. 4.6). Рис. 4.6. Зависимость потерь теплоты q2 и q3 от коэффициента избытка воздуха Потеря теплоты от механической неполноты сгорания q4 при расчетах судовых котлов на жидком топливе обычно не учитывается, т. е. q4 ≈ 0. Однако в реальных условиях часть капель топлива коксуется, не успевая сгореть, и осаждается на поверхностях нагрева в виде частиц сажи. Потери q4, так же, как и q3, связаны с совершенством топочного процесса и поэтому относятся к топочным потерям. Потеря теплоты в окружающую среду через наружные поверхности обшивки котла q5 определяется размерами котла, качеством изоляции обшивки и наличием двойного кожуха котла (рис. 4.7). В современных котлах потери в окружающую среду достаточно малы и составляют (на номинальной нагрузке): – для главных котлов с двойной обшивкой — 0,5–1,5 %; 74 Тепловой баланс котла – для вспомогательных водотрубных котлов с двойной обшивкой — 1,5–2,5 %; – для газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов — 2–3 %. При снижении нагрузки потеря q5 возрастает в соответствии с зависимостью q5 q5 Bк D q5 к , Вк Dк (4.16) где B′к и q′5 — соответственно расход топлива и потеря в окружающую среду на долевой нагрузке. Рис. 4.7. Зависимости от паропроизводительности потерь теплоты в окружающую среду котлов с обшивками: 1 — двойной; 2 — одинарный При выполнении тепловых расчетов котлов тепловые потери q5 принимают пропорциональными тепловосприятиям поверхностей нагрева и вводят коэффициент сохранения теплоты: 1 q5 . 100 (4.17) Таким образом, определение тепловых потерь по измеренным значениям параметров рабочего процесса позволяет определить КПД (рис. 4.8) котла по обратному балансу (см. формулу (4.11)). 75 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 4.8. Зависимость от нагрузки тепловых потерь: 1 — q3; ; 2 — q2; 3 — q5; 4 — КПД котла Эффективность работы утилизационных котлов оценивается количеством использованной теплоты уходящих газов в поверхностях нагрева котла. В этой связи следует учитывать тепловые потери с уходящими газами и в окружающую среду через обшивку котла. 4.4. Тепловой баланс утилизационного котла Для утилизационных котлов количество подведенной теплоты определяется по формуле Qпод = I1c, (4.18) где I1 — энтальпия газов на входе в утилизационный котел, кДж/кг; c ≤ 1 — коэффициент, учитывающий протечки или перепуск газов помимо утилизационного котла. Уравнение прямого теплового баланса утилизационного котла составляют для пароводяного тракта (рис. 4.9) утилизационного контура, включающего собственно утилизационный котел 1, сепаратор пара 2, циркуляционный насос 3, трубопроводы циркуляционной воды 4, пароводяной смеси 5, насыщенного 6 и перегретого пара 7, питательной воды 8. Полезно использованное количество теплоты в котле (рис. 4.9) можно при расчете теплового баланса определить по формуле, в ко76 Тепловой баланс котла торую вместо Qнр подставляется Qпод из формулы (4.18) и Q1 из следующей формулы: Dпер D Q1 iпер iПВ н ix iПВ , (4.19) В В где Dпер, Dн — паропроизводительность, соответственно, по перегретому и насыщенному пару, кг/с; B — расход топлива в двигателе, кг/с; iпер, iх, iПВ — энтальпии перегретого и насыщенного пара, питательной воды, кДж/кг. Рис. 4.9. Принципиальная схема утилизационного контура Уравнение обратного теплового баланса составляется в соответствии с выражениями: i 5 i 5 i 2 i 2 сI1 cQ1 c Qпот. i и I1 Q1 Qпот. i . (4.20) Так как потери Q3 и Q4 относятся к двигателю, можно записать I1 = Q1 + Q2+Q5. (4.21) Разделив обе части равенства на I1, получим 100 = hк + q2 + q5. (4.22) Потеря теплоты с уходящими газами q2, %, определяется по формуле q2 = I2 100, I1 (4.23) где I2 — энтальпия газов на выходе из утилизационного котла, кДж/кг. 77 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Снижение q2 достигается уменьшением температуры газов t2 на выходе из котла. Как и ранее, снижение температуры t2 ограничивается снизу условиями конденсации паров воды в смеси с серной кислотой, т. е. низкотемпературной коррозией. Потеря теплоты в окружающую среду в утилизационном котле учитывается введением в уравнение теплового баланса по газовому тракту коэффициента сохранения теплоты j. Величина потери q5 может выбираться равной 1–3 %. Так как полезно использованная теплота в утилизационном котле может быть также определена по формуле Q1 = (I1 – I2)j, (4.24) уравнение для КПД по обратному балансу принимает вид I к 1 2 . (4.25) I1 При этом следует учитывать, что величина КПД, вычисленная по формуле (4.25), является условной, характеризующей степень использования теплоты в утилизационном контуре. Контрольные вопросы и задания 1. Какие параметры рабочих сред необходимы для соответствия прямого теплового баланса? 2. Как составляется уравнение обратного теплового баланса? 3. Чем определяется тепловая потеря с уходящими газами? 4. От чего зависят топочные потери? 5. Назовите причины развития низкотемпературной сернистой коррозии. 6. Перечислите способы предотвращения низкотемпературной сернистой коррозии в хвостовых поверхностях нагрева. 7. Какое влияние оказывает коэффициент избытка воздуха на величину тепловых потерь? 8. Назовите особенности теплового баланса для утилизационных котлов. 9. Какие тепловые потери учитываются при рассмотрении теплообмена в утилизационных котлах и каковы пути их снижения? 78 5. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛООБМЕНА В КОТЛЕ 5.1. Основные понятия процесса теплообмена При эксплуатации судовых котлов важно знать характер изменения основных параметров котельной установки в любых эксплуатационных условиях. В процессах теплообмена в котлах участвуют теплопередающая (нагревающая) и тепловоспринимающая (нагреваемая) рабочие среды, разделенные стенками элементов поверхностей нагрева. Нагревающей средой являются дымовые газы (продукты сгорания органического топлива), а нагреваемой — вода, пар, воздух, органический теплоноситель. Механизмами теплопереноса в поверхностях нагрева служат излучение (радиация), теплопроводность и конвекция. Теплоперенос излучением — это передача энергии от одного тела к другому посредством электромагнитных излучений в определенном диапазоне длин волн. Излучение представляет собой результат внутримолекулярных процессов, протекающих при любой температуре выше абсолютного нуля. В топке котла источником излучения являются продукты окисления горючих элементов топлива в момент протекания реакции. Электромагнитные излучения поглощаются частицами топлива, сажи и молекулами трехатомных газов, которые при этом перевозбуждаясь, излучают избыточную энергию, но уже с другой длиной волны. Это означает, что до момента достижения лучом поверхности нагрева, его энергия уменьшится, и чем длиннее путь луча, тем большее количество энергии он теряет. В расчетах это явление учитывается коэффициентами ослабления луча сажистыми частицами kс и трехатомными газами kг. Излучение является основным видом теплопереноса в топке. Так как реакции окисления идут во всем объеме топки, а энергия излучается во все стороны, длина пути лучей от локальных источников 79 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки до стенок труб может быть различной (рис. 5.1) и ослабление лучей разное. Для осреднения длины пути луча при тепловых расчетах вводится понятие толщины излучающего слоя S, определяемого через излучающий объем топки Vт и площадь окружающих ее стен Fст. Так, для топочного объема толщина излучающего слоя S = 3,6Vт / Fст. а) б) Рис. 5.1. Схема длин лучей от источников 1 и 2 в топке (а); графическая интерпретация толщины слоя излучения, равной средней длине луча (б) Теплопроводность — перенос теплоты внутри тела (в том числе в газах и жидкостях) от более нагретой частицы к менее нагретой. В газах это происходит вследствие броуновской или турбулентной диффузии, в твердых телах и жидкостях — благодаря передаче энергии с помощью свободных электронов. Движущей силой теплопроводности является разность температур отдельных слоев тела. Конвекция — перенос теплоты движущимся теплоносителем путем перемещения макрообъемов жидкости или газов к твердой поверхности или от нее. Так как у поверхности существует пограничный слой жидкости с градиентом температур в нем, непосредственный перенос теплоты к твердой стенке осуществляется теплопроводностью и излучением в пограничном слое рабочего тела и теплоотдача конвекцией к пограничному слою равна теплопереносу теплопроводностью через пограничный слой (рис. 5.2) . Таким образом, все три механизма переноса теплоты действуют одновременно, но практически всегда интенсивность одного из них прева80 Процессы теплообмена в котле лирует над другими, и он определяет эффективность теплообмена. Следует отметить, что эффективность теплообмена определяется механизмом переноса теплоты, имеющим максимальную интенсивность излучения. а) б) Рис. 5.2. Схемы теплопереноса излучением (а) и конвекцией (б): qп, qи, qоб — тепловые потоки (падающий, собственного излучения и обратный); wг — скорость движения макрообъема теплоносителя у стенки; δ — толщина пограничного слоя; Qк = Qтп — теплоотдача конвекцией к пограничному слою С целью оценки изменяющихся в процессе эксплуатации технико-экономических показателей выполняются поверочные расчеты. Исходными данными при этом служат: – геометрические характеристики элементов котла — площади поверхностей нагрева Hi, м2, размеры труб, продольные и поперечные шаги труб и др.; - давление пара в котле p, бар; - температуры входных материальных потоков: питательной воды tПВ, °С, горячего топлива tт, °С, холодного воздуха; - марка топлива и его характеристики; - коэффициент избытка воздуха (по технической документации); - требуемая нагрузка по паропроизводительности в соответствии с потребностями судна в паре. Искомыми переменными служат: - температуры выходных потоков — воды на выходе из экономайзера, перегретого пара, горячего воздуха и уходящих газов; - КПД котла. 81 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки При проектных расчетах котлов искомыми переменными являются геометрические характеристики элементов котлов. Для расчетов утилизационных котлов исходные данные аналогичны принятым для вспомогательных котлов. Кроме того, должны быть известны следующие параметры главного двигателя: мощность Ne, кВт, удельный расход топлива be, кг/(кВт⋅ч), суммарный коэффициент избытка воздуха α в двигателе и температура уходящих газов после двигателя. 5.2. Процесс теплопередачи в топке Лучистый теплообмен при идеальных условиях описывается законами Планка и Стефана – Больцмана. В топках котлов условия отличаются от идеальных, так как рабочая среда и ограждающие поверхности не являются абсолютно черными телами, а поле температур излучающей среды отличается неравномерностью распределения температур по объему топки. Падающий на поверхность топки поток лучистой энергии qп, Вт/м2, частично поглощается топкой и частично отражается от нее. При этом обратное излучение qоб от загрязненных экранов и кирпичной кладки может достигать 50 % от qп. Отраженный qоб и излучаемый загрязненными экранами и кирпичной кладкой qи тепловые потоки называют эффективным тепловым потоком qэф (рис. 5.3), направленным в топку. Поэтому поглощаемый поверхностями нагрева поток лучистой энергии qл равен разности: qл = qп – qэф, а отношение Ψэ = qл /qп называют коэффициентом тепловой эффективности экрана, характеризующим долю тепловосприятия экрана от падающего теплового потока, в большой степени зависящим от характеристик факела и степени экранирования топки ψ. Таким образом, из ранее изложенного следует, что такое сложное явление, как теплообмен в топке практически невозможно описать строго аналитически. Поэтому расчетные зависимости базируются на полуэмпирических формулах, полученных с помощью теории подобия. Искомыми величинами при анализе теплопередачи в топке являются количество теплоты, переданной поверхностям нагрева в топке Qл, и температура газов на выходе из топки tз т. 82 Процессы теплообмена в котле Для расчета теплопередачи в топке используются два уравнения: – уравнение теплопередачи 4 4 Qл ат 0 Нл Тср Тст , (5.1) – уравнение теплового баланса Qл = (Qв т – Iз т)j. (5.2) Здесь aт — степень черноты топки; Hл — площадь лучевоспринимающей поверхности нагрева, м2; s0 = 5,67 ·10-8 Вт/(м2 ·К4 ) — коэффициент излучения абсолютно черного тела; Qв т, Iз т — полезное тепловыделение в топке и энтальпия газов за топкой, кДж/кг; Тср, Тст — соответственно средняя по объему топки абсолютная температура факела и температура наружной поверхности слоя отложений на трубах экрана, К; При поверочных расчетах теплопередачи к экранам геометрические размеры элементов топки: Hл, Vт и суммарная площадь всех стенок топки Fст, известны и определяются в соответствии с технической документацией. Значения величин Qв т и расхода топлива B принимаются по данным предварительного расчета теплового баланса котла. Для совместного решения уравнений (5.1) и (5.2) необходимо определить величины Тср, Тст и aт. Величина Тср как средняя по объему топки температура факела находится между теоретической (адиабатической) температурой горения Та и температурой за топкой Tз т. Экспериментальные исследования теплообмена в топке показали, что учет этой неопределенности с Тср может быть учтен введением в решение уравнений (5.1) и (5.2) эмпирической поправки M, т. е. з т Тз т Во0,6 . Та Мат0,6 Во0,6 (5.3) Для топок судовых котлов с боковым отводом газов поправку рекомендуется принимать M = 0,69. 83 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Критерий Больцмана (Bo) в выражении (5.3) определяется по формуле Во В Vcср 1011 5,67 э FстТа3 , (5.4) где B — секундный расход топлива, кг/с; Ψэ — коэффициент тепловой эффективности экранов, равный Ψэ = 0,6ψ; ψ — степень экранирования топки, равная отношению площади лучевоспринимающей поверхности нагрева Hл к площади полной поверхности стенки топки Fст; Vcср — средняя теплоемкость газов, кДж/(кг · К), равная отношению (Qв т – Iз т) / (Та – Тз т); Та, Тз т — абсолютные температуры, соответственно, сгорания и за топкой, К. Степень черноты топки определяется степенью черноты факела, загрязнением экранов и степенью экранирования топки по формуле 1 , (5.5) 1 1 1 э а эф где аэф— эффективная степень черноты факела. Эффективная степень черноты факела аэф определяется по формуле ат аэф = т асв + (1 – m)аг, (5.6) где асв, аг — соответственно степень черноты светящейся и несветящейся частей факела, зависящая от коэффициентов ослабления луча сажистыми частицами kс и трехатомными газами kг, а также от толщины излучающего слоя S. Степень черноты светящейся и несветящейся частей факела определяется по формулам: асв 1 exp kг kc рS ; аг 1 exp kг рS . (5.7) Эффективная степень черноты факела a эф изменяется по длине топки так, как показано на рис. 5.3. Резкое снижение a эф к выходу из топки объясняется интенсивным выгоранием углерода (светя84 Процессы теплообмена в котле щихся сажистых частиц) в первой половине топки и повышением концентрации трехатомных газов к концу топки. Подобный характер изменения величины a эф потребовал введения эмпирического коэффициента m для осреднения ее по всему объему топки. Величина m определяется при условиях: m = 0,5 + 0,43qv ·10–3 при 200 < qv < 1200 кВт/м3; m = 1 при qv ≥ 1200 кВт/м3. Рис. 5.3. Изменение степени черноты факела по длине топки Коэффициенты ослабления луча газами и сажистыми частицами определяются по формулам: kг 2,55 5,11rH O Tз т 1 0,37 rп ; 0,5 1000 pSrп 2 (5.8) Tз т 5,097, (5.9) 1000 где rH O ,rп — соответственно доли водяных паров и суммарная доля трехатомных газов. Расчеты по формуле (5.3) выполняются методом итераций. В первой итерации температура за топкой принимается по эмпирической формуле в зависимости от расчетной нагрузки котла (для вспомогательных котлов): kc 16,31 2 D tз т tзном т Dном 85 0,2 ном . (5.10) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Если после первой итерации расчетная температура за топкой отличается от принятой не более чем на ± 50 °С, то расчет закончен. В противном случае расчет повторяется при принятой tз т, близкой к полученной в первой итерации. Количество теплоты, передаваемой в топке экранным поверхностям, определяется по формуле (5.2). 5.3. Основы конвективного теплообмена Конвективные поверхности нагрева судового котла образуются пучками парообразующих труб, пароперегревателей, экономайзеров и воздухоподогревателей. Искомыми переменными в поверочных тепловых расчетах конвективных поверхностей нагрева являются: – воспринятое в поверхности нагрева количество теплоты Q; – температуры газов за поверхностью нагрева tг′′; – температуры нагреваемой среды на выходе из пучка труб. Тепловой расчет любой конвективной поверхности нагрева выполняется путем совместного решения системы уравнений: – теплопередачи Q, кДж/кг, 103 ; B – теплового баланса по греющей среде Q, кДж/кг: Q kHt (5.11) Q Iг Iг ; (5.12) – теплового баланса по нагреваемой среде, не изменяющей при нагревании своего фазового состояния: – перегретого пара Qпер, кДж/кг: Qпер Dпер В iпер iх ; (5.13) – экономайзерной воды QЭВ, кДж/кг: QЭВ Dк iЭВ iПВ ; В (5.14) – воздуха Qвп, кДж/кг: Qвп V 0 cГВ tГВ cХВ tХВ . 86 (5.15) Процессы теплообмена в котле Здесь k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 · К); Iг′ , Iг′′ — энтальпия газов, соответственно, перед поверхностью нагрева и после нее, кДж/кг; iпер, iЭВ, iПВ, iх — энтальпии перегретого пара, экономайзерной воды, питательной воды и влажного пара, соответственно, кДж/кг; α — коэффициент избытка воздуха; V — теоретически необходимое количество воздуха, м3/кг; сГВ, сХВ — теплоемкость, соответственно, горячего и холодного воздуха, кДж / (м3·К); tГВ, tХВ — температура, соответственно, горячего и холодного воздуха, °С; Dк, Dпер — соответственно паропроизводительность котла и расход перегретого пара, кг/с; B — расход топлива, кг/с. Для решения уравнений (5.12)–(5.15) должны быть определены коэффициенты теплопередачи k и температурные напоры Δt в поверхностях нагрева по формулам: – коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2 ⋅ К) , k 1 ; 1 1 1 2 (5.16) – среднелогарифмический температурный напор t tб tм . tб ln tм (5.17) В формулах (5.16) и (5.17) приняты следующие обозначения: α1, α2 — коэффициенты теплоотдачи, соответственно, от нагревающей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде, Вт / (м2 ⋅К); Н3 м В3 — коэффициент загрязнения, учитыва Н3 м В3 ющий термическое сопротивление наружных загрязнений, металла и внутренних загрязнений, (м2 · К)/Вт; Δtб, Dtм — разности температур теплообменивающихся сред, соответственно, на той части поверхности нагрева, где температура больше или меньше, °С. 87 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Коэффициенты теплоотдачи α1 и α2 зависят от скоростей теплообменивающихся сред w, м/с, температур потоков tпот и стенок tст, определяющих линейных размеров l, d, dэ, относительного расположения труб в пучке (шахматное или коридорное), характера омывания поверхностей нагрева — поперечного или продольного, относительных шагов труб s/d, физических характеристик теплообменивающихся сред (теплопроводности, вязкости, температуропроводности). Сложные зависимости α1 и α2 от разнородных факторов могут быть составлены только на основе экспериментальных исследований и теории подобия явлений. Критериальное уравнение теории подобия, лежащее в основе расчетных формул для коэффициентов конвективного теплообмена, имеет вид (число Нуссельта — Nu): Nu кl с Rem Prn , ж (5.18) где αк — коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м2 ·К); l — характерный линейный размер, м; λж — коэффициент теплопроводности рабочей среды (жидкости, газа, пара, воздуха), Вт/(м· К); Re, Pr — соответственно, критерии Рейнольдса и Прандтля; с, m, n — экспериментальные постоянные критериального уравнения. В зависимости от условий омывания поверхности нагрева и относительного расположения труб в пучке экспериментальные коэффициенты и поправки будут различными. Формулы для определения коэффициентов теплоотдачи конвекцией при Re ≥ (1,5–3) ⋅103 имеют вид: – при поперечном омывании гладкотрубных пучков труб коридорного строения: 0,65 wd Pr0,33 ; к 0,2сz cs н (5.19) d v н – при поперечном омывании гладкотрубных пучков труб шахматного строения: к cz cs dн wdн v 88 0,6 Pr0,33 ; (5.20) Процессы теплообмена в котле – при продольном омывании труб: к 0,023 dэ wdэ v 0,8 Pr 0,4 сt ; (5.21) – при кипении воды в большом объеме в условиях свободной конвекции, при 1 ≤ р ≤ 30 бар: б.о 3,8 р1,5q 2/3 . (5.22) В формулах (5.19)–(5.22) приняты следующие обозначения: cz , cs , cz′ , cs′ , ct — эмпирические поправки, определяемые по рис. 5.4 и 5.5; р — давление рабочей среды, бар; q — поверхностная плотность теплового потока на поверхности нагрева, Вт/м2, q = 106·BQ/H (Q — тепловосприятие поверхности, кДж/кг; В — расход топлива, кг/с). а) б) в) г) Рис. 5.4. Графики зависимости от температуры поправок cz и сs коэффициента теплоотдачи αк в пучках труб: а, б — коридорных; в, г — шахматных 89 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки а) б) в) Рис. 5.5. Графики зависимости от температуры физических характеристик дымовых газов и воздуха: а — коэффициента теплопроводности; б — кинематической вязкости; в — критерия Прандтля Значения физических характеристик рабочих сред принимаются по справочным таблицам для воздуха и дымовых газов — по графикам (см. рис. 5.4 и 5.5). Так как теплоотдача от горячих газов к стенкам поверхностей нагрева должна учитывать также и долю теплоты, передаваемую стенке путем излучения трехатомных газов в межтрубном пространстве или в каналах, коэффициент теплоотдачи в этом случае определяется по формуле 1 ( к л ), (5.23) где αл — коэффициент теплоотдачи излучением; αк — коэффициент теплоотдачи конвекцией; ω — коэффициент полноты омывания поверхности нагрева, равный 0,8–0,95. 90 Процессы теплообмена в котле Коэффициент теплоотдачи излучением от газов к стенкам при степени черноты загрязненных наружных стенок труб, обычно Вт принимаемый аст = 0,82 — aл, 2 , определяется по формуле м ⋅К 3,6 Т 1 ст Т л 5,67 108 0,91агТ 3 T 1 ст Т , (5.24) где Т — средняя температура газов в пучке, К; Тст — температура наружных загрязнений на трубах, Тст Тcp Тст Тж 1 q (здесь Тср — средняя температура нагреваемой среды в тру2 бах, К). Степень черноты излучающего слоя газов аг определяется по формуле aг 1 exp kг rп pS . (5.25) где kг — коэффициент ослабления лучей топочной средой, определяемый по формуле (5.8); р — давление газов в пучке, равное 0,1 МПа; rп — коэффициент влияния трехатомных газов и водяных паров. Толщина излучающего слоя в межтрубном пространстве S, м, определяется по формуле 4s s S 0,9dн 1 22 1 , d н (5.26) для излучения в дымогарных трубах газотрубных котлов S = dн. Входящие в уравнения (5.19)–(5.21) линейные размеры dн и dэ, а также скорость среды определяются конкретной компоновкой поверхностей нагрева котла. Эквивалентный диаметр канала при продольном омывании определяется через смачиваемый периметр U и площадь сечения канала f по формуле dэ = 4f , U 91 (5.27) 1 q 2 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки При поперечном омывании трубных пучков площадь живого сечения газохода fЖС, м2, определяется по формуле fЖС fг п , (5.28) где fг — минимальная площадь живого сечения газохода в свету, м2; jп — коэффициент свободного прохода пучка, jп = (s1 – dн)/s1. Эквивалентный диаметр канала является мерой эффективности пропускания потока среды. Использование формулы (5.28) показано на примере газохода парообразующего пучка труб водотрубного котла (рис. 5.6, а). В данном случае площадь живого сечения fЖС, м2, газохода определяется в виде пр fЖС = Lт lакт , (5.29) где Lт — длина топки, м; пр lакт — проекция активной длины средней трубы пучка, м. а) б) 1 2 Рис. 5.6. Схемы для определения площади живого сечения газохода водотрубного котла (а); расположения труб в пучках (б): 1 — коридорном; 2 — шахматном; s1 — поперечный шаг труб в пучке, м; s2 — продольный шаг, м; sк — косой шаг, м 92 Процессы теплообмена в котле Расчетная скорость газов при поперечном омывании пучка труб w, м/с, определяется по формуле w BVг tг 273 . fЖС 273 (5.30) Среднелогарифмический температурный напор, определяемый по формуле (5.17), представляет собой усредненную по всей поверхности нагрева разность температур нагревающей и нагреваемой сред и зависит от взаимного направления их движения. Разности температур сред Δtб и Δtм определяются схемами включения поверхности нагрева: прямотока, противотока, перекрестного тока (рис. 5.6, б). Максимально возможное значение температурного напора Δt достигается при противотоке, минимальное — при прямотоке, а в любых других схемах — промежуточные значения. Поэтому для сложных схем включения, если формально определенные значения Δtпрм и Δtпрт соотносятся как Δtпрм ≥ 0,92 Δtпрт, температурный напор определяется по формуле t 0,5 tпрм tпрт , (5.31) где Δtпрм и Δtпрт — температурные напоры, соответственно, при прямотоке и противотоке. При компоновке трубных пучков поверхностей нагрева поперечный шаг труб s1 не должен быть меньше s1 = dн +15 мм. Однако увеличение поперечного шага s1 ведет к увеличению площади живого сечения газохода fЖС снижению скорости газов и, следовательно, к снижению коэффициента теплоотдачи. Из опыта постройки и эксплуатации судовых водотрубных котлов следует, что s1 ≈ dн + (15–17 мм) как для коридорных, так и для шахматных пучков труб. Величина продольного шага труб s2 в коридорных пучках оказывает слабое влияние на теплообмен и может приниматься s2 ≈ s1 из соображений обеспечения низкой интенсивности загрязнений при удовлетворительных размерах пучка. В шахматных пучках труб продольный шаг s2 оказывает существенное влияние на теплообмен, так как совместно с шагом s1 определяет величину косого шага sк (рис. 5.7, б), от которого зависит скорость газа 93 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки в пучке так же, как и от s1. Из опыта эксплуатации судовых котлов следует, что с теплотехнической точки зрения целесообразно принимать sк ≈ s1, так называемые равнопроходные пучки труб. Продольный шаг s2 в этом случае находится в пределах s2 ≈ (0,9–1,1) dн. а) г) д) б) е) в) ж) Рис. 5.7. Схемы относительного движения теплоносителей и изменения их температур вдоль поверхностей нагрева: а — при прямотоке; б — при противотоке; в–ж — при различных видах перекрестного тока: Условные обозначения: t1, t2 — температуры нагревающего и нагреваемого теплоносителя; H — площадь поверхности нагрева 94 Процессы теплообмена в котле Коэффициент теплопередачи в конвективных поверхностях нагрева определяется по формуле (5.16). Для парообразующих поверхностей нагрева с учетом того, что α2 на два порядка больше α1, коэффициент теплопередачи можно определять по формуле k 1 , 1 + 1 (5.32) — коэффициент загрязнения поверхности нагрева. Числовые значения определяются по графикам (рис. 5.8). где = 103 , м2 К Вт Рис. 5.8. Зависимость коэффициента загрязнения от скорости газов при поперечном омывании трубных пучков: 1 — парообразующих; 2 — гладкотрубных экономайзерных; 3 — пароперегревателя Основные положения по процессам конвективного теплообмена применимы для любой поверхности нагрева котла, независимо от их компоновки и функционального назначения. Исключение составляет тепловой расчет топки, где теплоотдача к экранированным стенкам происходит излучением. 5.4. Теплопередача в поверхностях нагрева котлов 5.4.1. Теплопередача в парообразующих поверхностях нагрева В процессе эксплуатации может возникнуть необходимость поверочного теплового расчета котла. Исходные данные для этого 95 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки расчета приведены ранее в пп. 5.2 и 5.3. Рассмотрим некоторые особенности расчета отдельных поверхностей нагрева котлов: парообразующей, пароперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя. В судовых котлах эти поверхности состоят из двух частей, отличающихся по виду теплопереноса в них: – лучистые поверхности, воспринимающие излучение из топки (экраны и первые ряды конвективных пучков труб водотрубных котлов и внутренние поверхности жаровых труб и топочных камер газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов); – конвективные поверхности, воспринимающие теплоту конвекцией (конвективные пучки водотрубных котлов и пучки дымогарных труб огнетрубных и огнетрубно-водотрубных котлов). Теплообмен в лучевоспринимающих парообразующих поверхностях нагрева оценивается по результатам расчета теплопередачи в топке, который выполняется так же, как и при проектировании котлов. Определенное количество лучистой теплоты Qл, переданной в топке, является одной из основных составляющих всей теплоты, расходуемой на парообразование. Поверочный расчет теплопередачи в конвективных поверхностях нагрева отличается от проектного расчета тем, что площадь поверхности нагрева и ее геометрические характеристики известны, а искомыми переменными служат: количество теплоты, перек данное поверхности парообразования Qпо , температура газов за ней к tг′′ и количество образующегося пара Dпо . Поскольку двух уравнений (5.11) и (5.12) недостаточно для определения трех неизвестных, систему этих уравнений решают либо методом итераций (последовательных приближений, задаваясь температурами tг′′ ), либо методом графической интерполяции, задавшись сразу тремя значениями температур tг′′ . Второй вариант к является более предпочтительным, поскольку зависимость Qпо от температуры газов tг′′ линейная. Решая поочередно уравнения — сначала (5.11), а затем (5.12), с учетом рекомендаций п. 5.3 строятся прямые линии на графике Q f tг по формуле (5.11) и по формуле (5.12). Точка пересечения к прямых представляет искомые значения Qпо и tг′′ (рис. 5.9). 96 Процессы теплообмена в котле Рис. 5.9. Графическая интерполяция при расчете конвективного теплообмена в поверхностях нагрева котла Количество образовавшегося пара в конвективном пучке, учитывающем термическое сопротивление наружных загрязнений, металла и внутренних загрязнений, отдельно не определяется, так как предварительно была принята паропроизводительность котла на данной нагрузке в соответствии с потребностями судна в паре. 5.4.2. Теплопередача в пароперегревателях Поверочные тепловые расчеты пароперегревателей выполняются для конкретных типов их поверхностей нагрева: петлевых одноколлекторных, двухколлекторных с обычной компоновкой пучка труб или змеевиковых (рис. 5.10). Для вспомогательных котлов характерны два последних типа компоновки (см. рис. 5.10, в и г). а) в) б) г) Рис. 5.10. Схемы конструктивного исполнения пароперегревателей: а — одноколлекторного петлевого вертикального; б — двухколлекторного вертикального; в — двухколлекторного петлевого горизонтального; г — змеевикового горизонтального 97 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки При поверочных расчетах заданными являются площадь поверхности нагрева пароперегревателя НПП, его геометрические характеристики и требуемая паропроизводительность котла по перегретому пару Dпер. Искомыми величинами являются: количество теплоты, использованной в пароперегревателе Qпер, температура (и энтальпия) газов на выходе их него tз ПП (Iз ПП) — и температура перегретого пара tпер. Для совместного решения трех уравнений (5.11)–(5.13) необходимо предварительно принять значение температуры перегретого пара на рассчитываемой долевой нагрузке котла. В пароперегревателях, расположенных за пучком парообразующих труб, снижение температуры перегретого пара с уменьшением нагрузки котла составляет в среднем 0,6–0,8 °С на каждый процент понижения нагрузки, т. е. D ном tпер tпер 0,6...0,8 1 100, Dном (5.33) ном где tпер — температура перегретого пара на номинальной нагрузке котла (принимается по технической документации на котел); Dном, D — паропроизводительность котла, соответственно, на номинальной и долевой нагрузках. Далее задаются тремя значениями температуры газов за пароперегревателем tз ПП (и, следовательно, энтальпии Iз ПП). По уравне′ , нию (5.13) определяется три значения количества теплоты Qпер отданной пароперегревателю. После этого рассчитывают коэффициенты теплопередачи k и температурные напоры Δt (с учетом принятой tпер) для каждой ′′ по уравнению теиз tз ПП. Определяется количество теплоты Qпер плопередачи и строятся графики Qпер = f(tз ПП), точка пересечения которых и есть графическое решение уравнений. Полученное знаp чение количества теплоты Qпер используется для определения iпер из уравнения (5.13): iпер iх BQпер Dпер , (5.34) и по таблицам термодинамического состояния водяного пара нахоp дится температура перегретого пара tпер при давлении за паропе98 Процессы теплообмена в котле регревателем рпер рк рпер (здесь Δpпер — падение давления пара в трубе от пароводяного барабана и непосредственно в пароперегревателе). Если полученное значение температуры перегретого пара отличается более, чем на ±10 °С, то следует повторить расчет, приняв iпер, близкой к полученной в первоначальном расчете. 5.4.3. Теплопередача в экономайзерах Поверочный расчет экономайзера с заданными геометрическими характеристиками выполняется путем совместного решения уравнений (5.11), (5.12), (5.14). Искомыми величинами являются: количество теплоты, использованное в экономайзере Qэк, температура газов за экономайзером tз эк и температура воды на выходе из экономайзера t. Алгоритм расчета. По уравнению оценивается количество теплоты, приходящееся на экономайзер QЭВ, кДж/кг: к QЭВ iх iПВ Qл Qпо , (5.35) где (iх–iпв) — суммарное количество теплоты, необходимое для подогрева воды в экономайзере и образования заданного количества пара; Q к Qпо — суммарное количество теплоты, затраченное только на парообразование. По уравнению (5.14) определяется значение температуры воды на выходе из экономайзера tЭВ при использовании значения QЭВ из уравнения (5.35). Принимаются три значения температуры газов за экономайзером tз эк, и по уравнению (5.12) определяются три ′ . Далее рассчитываются коэффициенты теплопередазначения QЭВ чи и температурные напоры для трех значений tз эк, и по уравнению теплопередачи определяются три значения теплоты. По данным этих расчетов производится графическая интерполяция, определяются QЭВ и tз эк (Iз эк). Последнее действие представляет собой опрер деление температуры воды на выходе из экономайзера tЭВ по уравнению (5.14) с использованием значения QЭВ, полученного из графического решения. р менее, чем на ± 5 °С от принятой ранее оценОтклонение tЭВ ки tЭВ с использованием формулы (5.35), считается допустимым. Большее отклонение может свидетельствовать об ошибках при л 99 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки к определении k и Δt или о неточности определения Qл и Qпо . Проверить это можно составлением теплового баланса котла по паропроизводительности, рассчитанной на основе данных табл. 5.1. Тепловой расчет котла, не имеющего газового воздухоподогревателя, считается удовлетворительным, если расчетное значение паропроизводительности отличается от заданного значения не более, чем на ± 1 %. Таблица 5.1 Баланс по паропроизводительности и КПД № п/п. 1 ОбознаРасчетная формула чение или способ определения Наименование величины Dк Из расчета предварительного баланса Задано для данной нагрузки в топке Qл Из расчета в парообразующем пучке Qпк Из расчета в пароперегревателе Qпер Из расчета в экономайзере QЭВ Из расчета ∑ Qк Qл + Qпк + Qпер + QЭВ Энтальпии влажного насыщенного пара и питательной воды, кДж/кг Испарительность топлива, кг/кг ix iПВ Из расчета 6 Паропроизводительность котла, кг/с Dкр 7 КПД котла, % hк ∑ Qк Qнр 8 Невязка по паропроизводительности, % dDк Dкр - Dк 100 Dк 2 3 Расход топлива, кг/с B Паропроизводительность, кг/с Количество теплоты, переданной поверхности нагрева, кДж/кг: Сумма 4 5 100 u Qк Qпер ix iПВ uB Процессы теплообмена в котле Следует отметить, что на основе обобщения данных, полученных в процессе опыта эксплуатации водотрубных котлов с экономайзерами, снижение температуры воды на выходе из экономайзера tЭВ составляет 0,6–0,9 °С на каждый процент уменьшения нагрузки котла. При этом, чем ниже нагрузка, тем интенсивнее изменяется температура tЭВ. 5.4.4. Теплопередача в воздухоподогревателях Поверочный тепловой расчет выполняется по уравнениям (5.11), (5.12) и (5.15). Искомыми величинами являются: количество теплоты, использованное в воздухоподогревателе Qвп, температуры уходящих газов tух и горячего воздуха tГВ. Последовательность расчета такая же, как и экономайзера. Вначале принимаются значения температуры горячего воздуха, исходя из того, что на каждый процент понижения нагрузки котла приходится 0,4–0,6 °С снижения температуры горячего воздуха. Значение tГВ на номинальной нагрузке принимается по данным технической документации или специальных испытаний. Далее задаются тремя значениями температуры уходящих ′ . По уравгазов, и по уравнению (5.12) определяются значения Qвп ′′ после расчета коэффинению (5.11) определяются три значения Qвп циентов теплопередачи и температурного напора. При этом важно отметить, что коэффициент загрязнения труб воздухоподогревателя при расчете коэффициента теплопередачи рекомендуется принимать вп 0,01 (м2· К)/Вт. Графическое решение уравнений (5.11) и (5.12) позволяет определить количество теплоты, воспринятой в воздухоподогревателе p p р Iух . , и температуру уходящих газов tух Qвп Заключительные действия расчета представляют собой опредер ление температуры горячего воздуха tГВ по полученному значению р Qвп и расчет потери теплоты с уходящими газами q2 по формуле q2 p Iух QХВ Qт Qнр , (5.36) что позволит оценить величину КПД по обратному балансу на расчетной нагрузке котла. 101 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Следует отметить, что если при расчете теплового баланса котла, выполненного в форме табл. 5.1, невязка по паропроизводительности котла не превышает ± 1 %, то расчет котла выполнен удовлетворительно (это относится и к КПД котла). По результатам поверочных расчетов на нескольких нагрузках строятся графики основных характеристик котла (рис. 5.11). Рис. 5.11. Расчетные характеристики вспомогательного котла: Вк — расход топлива; a — коэффициент избытка воздуха; ηк — КПД котла; tух, tз т, tа — температуры, соответственно, уходящих газов на выходе из топки и теоретическая в топке Изложенная методика теплового расчета полностью применима не только для поверочных, но и для конструктивных расчетов. В этом случае искомыми величинами будут площади поверхностей нагрева элементов котла и последующая их компоновка. 5.5. Теплопередача в поверхностях нагрева утилизационных котлов Поверочные тепловые расчеты утилизационных котлов имеют некоторые отличительные особенности, обусловленные отсутстви102 Процессы теплообмена в котле ем функциональной связи между количеством подводимой теплоты и потребностями судна в паре, а также наличием принудительной циркуляции в парообразующих поверхностях нагрева. Кроме того, в утилизационных котлах в большинстве случаев значительно затруднено регулирование паропроизводительности. Все эти факторы следует учитывать при тепловых расчетах. Парообразующие поверхности утилизационных котлов работают в условиях конвективного теплообмена, и их тепловой расчет выполняется в соответствии с уравнениями (5.11) и (5.12). При поверочных расчетах искомыми переменными являются: количество теплоты, использованное на поверхности нагрева QУК, паропроизводительность и температура газов за пучком. Так как двух уравнений для нахождения трех неизвестных недостаточно, следует составить третье, которым является следующее: Dк (5.37) iх iПВ . В Данный подход применим к котлам в схемах с обычной утилизацией теплоты, в которых экономайзеры и пароперегреватели отсутствуют. Уравнение теплового баланса по газовой стороне для таких котлов имеет вид QУК QУК I1 I2 , (5.38) где I1, I2 — энтальпия газов на входе в поверхность нагрева и на выходе из нее; j — коэффициент сохранения теплоты. Алгоритм поверочного расчета. Сначала задаются тремя значениями температур t2 на выходе из котла, определяют по диаграмме I–t энтальпию I2 и количество теплоты, использованное в котле ′ , поскольку энтальпия газов на входе в котел известна и постоQУК янна на установившемся режиме работы главного двигателя. Затем по уравнению теплопередачи (5.11) определяют количе′′ , рассчитав предварительно коэффициенты тепство теплоты QУК ′ и QУК ′′ лопередачи и температурные напоры. По данным QУК p строят графики интерполяции и находят температуру газов t2 за р котлом и количество использованной в нем теплоты QУК . Следует иметь в виду, что при использовании уравнений (5.11) и (5.12) 103 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки расход топлива на главный двигатель определяется по его мощности Ne и удельному расходу топлива be, а диаграмма I–t строится для коэффициента избытка воздуха α в двигателе. Рис. 5.12. Влияние кратности циркуляции на энтальпию циркуляционной воды утилизационного котла Паропроизводительность утилизационного котла определяют из уравнения (5.37), так как давление в котле и расход топлива известны. Оценивают КПД утилизационного котла по уравнению I УК 1 2 . I1 (5.39) Расчет утилизационных котлов систем глубокой утилизации производится с учетом того, что при составлении дополнительного уравнения для парообразующей поверхности необходимо учитывать ее связь с экономайзером. Это осуществляется введением в уравнение теплового баланса по пароводяной стороне кратности циркуляции k = Gц /Dк (Gц — количество циркулирующей воды, кг/с; Dк — паропроизводительность котла, кг/с). При принудительной циркуляции температура циркуляционной воды и кратность циркуляции функционально связаны (рис. 5.12) и неизвестны. Ис104 Процессы теплообмена в котле ходя из этого, требуется выполнять расчет методом последовательных приближений. 5.6. Особенности теплообмена в котлах с органическим теплоносителем Распространение на судах морского флота систем теплоснабжения с органическими теплоносителями требует применения научно обоснованной методики теплового расчета нагревающих устройств, которые в практике часто принято называть термомаслянными котлами, или котлами с органическим теплоносителем (ОТ). Современные методы тепловых расчетов паровых и водогрейных котлов не могут быть использованы в полной мере для котлов с ОТ. Это обусловлено различиями физических характеристик термомасел, воды и водяного пара, а также теплофизических процессов и конструкций котлов. Основными факторами обеспечения высокой эффективности котлов с ОТ являются конструкционные характеристики, схема циркуляционного контура и значения скорости циркуляции ОТ. От них зависят интенсивность теплопередачи и гидравлическое сопротивление контура. Объясняется это тем, что при нарушении процесса циркуляции происходит интенсивное образование отложений кокса на внутренней поверхности труб вследствие низкой термостойкости ОТ. Поскольку разложение ОТ происходит преимущественно в пограничном слое при достаточно высоких температурах, то целесообразно, с одной стороны, увеличивать скорость потока ОТ. С другой стороны, увеличение скорости потока w0 обуславливает возрастание сопротивления циркуляционного контура. Поэтому скорость w0 должна определяться при заданной величине гидравлического сопротивления ∆Рк: Рк 0 l i w02 , 2g где φ — поправочный коэффициент на кривизну труб; λ0 = λ тр / d — приведенный коэффициент трения в трубе; l — длина трубы; ξi — коэффициент сопротивления. 105 (5.40) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Выбор величины сопротивления определяется главным образом из экономических соображений (например, величиной экономически целесообразной мощности насоса). Однако при определении скорости w0 следует учитывать и такие теплотехнические факторы, как температурный режим, коэффициенты теплоотдачи и др. Эффективность процесса теплопередачи в значительной мере зависит от теплофизических характеристик теплоносителя: теплоемкости, теплопроводности, вязкости. Для судовых установок теплоснабжения с органическим теплоносителем фирмой Garioni Naval рекомендуются к использованию диатермические (термальные) масла, приведенные в табл. 5.2. С позиций обеспечения пожаробезопасности весьма важной характеристикой ОТ является температура вспышки. Для большинства теплоносителей в судовых установках значения температуры вспышки находятся в пределах 170–220 °С. Для некоторых ОТ температура вспышки может быть и ниже. Теплоноситель Transcal LT (ВР) имеет температуру вспышки 152 °С. В технической документации, включая и инструкции по эксплуатации таких котлов, указывается рекомендуемый диапазон температур применения конкретного теплоносителя. Например, для ОТ Texatherm НТ22 от –50 °С до +340 °С. Максимальное значение устанавливается для предотвращения выпадения твердых частиц и закоксовывания поверхностей нагрева со стороны теплоносителя. Теплоемкость органических теплоносителей лежит в пределах 1,5–2,5 кДж/(кг ⋅°С) и является функцией температуры: с 4,187 5 0, т 0,403 0,00081t , (5.41) где t, ρт — температура и относительная плотность ОТ соответственно. Коэффициент теплопроводности ОТ в функции от температуры может быть определен по формуле 0,117 1 0,0054t . т 106 (5.42) TRANSCAL 65 BP 107 SOLUTA SOLUTIA ROL MOBIL IP GULF FINA TERMINOL 66 FORNOLA OIL 25 MOBILTHER M 605 AERTHERM 320 THERMINOL SP 1 341 OIL HARMONY 44 ESSOTHERM 500 CALORANT IT 31 DIATHERM 3 API ESSO 0,871 AMOTHERM OIL 32 AMOCO 1,011 0,878 0,871 0,865 0,87 0,864 0,872 0,859 0,874 0,875 0,875 SIC 35 Плотность при 15 °C, кг/л AGIP Изготовитель Обозначение 2,6 2,6 2,9 2,8 2,6 2,84 2,9 2,9 2,9 2,8–3,2 2,9 2,8–3,1 Вязкость °ВУ при 50 °C 0,79 – 0,13 0,33 0,093 0,307 0,098 0,344 0,023 0,102 0,125 0,553 0,0163 0,068 0,081 0,0164 0,071 0,0237 0,106 0,079 – – 0,163 0,612 250 °С 300 °С Упругость масла Характеристики термальных масел –32 –40 –12 –15 –13 –12 –14 –12 –12 –12 –12 –10 216 218 220 210 230 216 218 227 216 220 220 205 Температура Температура застывания, °С воспламенения, °С Таблица 5.2 Процессы теплообмена в котле И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В качестве примера на рис. 5.13 приведены значения ср и λ для ОТ типа «Транскал». Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к термомаслу может быть определен из эмпирического критериального уравнения М. А. Михеева: 8 0, 43 Nuт 0,02 Re0, Prт / Prст т Prт 0,25 . (5.43) Рис. 5.13. Изменение теплоемкости ср и теплопроводности l теплоносителя «Транскал» в зависимости от температуры Применительно к судовым условиям представляют интерес исследования теплообмена в змеевиковых поверхностях нагрева при использовании термальных жидкостей. Опытные данные показывают, что по результатам исследований теплоотдача по внешней образующей трубы на 80 % выше, а по внутренней — на 39 % ниже расчетной. Эта неравномерность теплоотдачи имеет большое значение для судовых котлов с ОТ, поскольку для них характерной является именно змеевиковая компоновка теплопередающих элементов. Опубликованные исследования позволяют также сделать вывод о том, что существующие формулы для расчета коэффициента теплоотдачи дают различные погрешности для разных теплоносителей при одних и тех же условиях. Кроме того, на интенсивность теплоотдачи большое влияние оказывают конструктивные особенности поверхностей нагрева котлов с ОТ. 108 Процессы теплообмена в котле Сравнивая значения коэффициента теплоотдачи αт, определенные на рис. 5.14 и 5.15 для одних и тех же условий, т. е. неизменной температуры теплоносителя tт, диаметра труб d и скорости потока w, можно сделать вывод о более эффективной теплоотдаче при движении теплоносителя внутри труб. Это указывает на предпочтительность конструктивного исполнения котла-нагревателя по водотрубному варианту. Рис. 5.14. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи при движении теплоносителя внутри труб 109 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 5.15. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи при внешнем омывании: n — поправочные коэффициенты Существенное влияние на интенсивность теплообмена оказывает скорость движения теплоносителя. Здесь сказывается не только характер движения жидкости, но и загрязнение поверхности нагрева вследствие разложения масла при высоких температурах. 110 Процессы теплообмена в котле Коэффициент теплопроводности твердых продуктов разложения, осаждающихся на стенках труб, значительно ниже коэффициента теплопроводности самого теплоносителя, что резко ухудшает условия теплообмена. Так, после 500 ч эксплуатации установки с теплоносителем типа АМТ-300 толщина отложений составила около 0,04 мм. При этом теплоотдача от стенки труб к теплоносителю снижается в 2 раза. В обычных паровых котлах, где нагреваемой средой являются вода и пароводяная смесь, коэффициенты теплоотдачи от стенки труб к воде составляют 6000–12000 Вт/(м2 ⋅°С) и при расчете теплообмена их часто не учитывают из-за малого влияния на коэффициент теплопередачи. В случае использования термомасел в качестве теплоносителей коэффициенты теплоотдачи должны быть учтены. Исследование тепловой эффективности установок следует производить с учетом теплообмена и в теплообменниках — потребителях тепла. Количество тепла, переносимого термомаслом, зависит как от его температуры, так и теплоемкости: чем выше теплоемкость термомасла, тем большее количество тепла несет с собой единица массы этого теплоносителя. Для большинства минеральных масел и теплоносителей на их основе значение теплоемкости лежит в диапазоне 1,65–2,70 кДж/(кг ⋅°С). С повышением температуры теплоемкость увеличивается. На теплоемкость масляных теплоносителей оказывает заметное влияние их плотность, с повышением которой теплоемкость уменьшается. С достаточной для практических целей точностью теплоемкость масляных теплоносителей можно вычислить по эмпирической формуле, кДж/(кг ⋅°С), с 1,854 0,00272tт . (5.44) Если теплопередача в котлах с термомаслом будет хуже, чем в обычных водотрубных котлах, то эффективность всей системы в целом может оказаться выше. В зарубежных публикациях приводятся данные о КПД котла и системе теплоснабжения в целом. В частности, КПД котла с термомаслом находится на уровне 95 %, а эффективность системы с масляным теплоносителем составляет около 85 %. Эффективность аналогичной паровой системы оценивается в 55–65 %. Тепловые потери в самом котле, как и в обычном паровом, состоят из потерь с уходящими газами и потерь в окружающую среду от стенок котла. Суммарные потери в окружающую 111 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки среду от трубопроводов, вспомогательных механизмов (теплообменники, насосы, арматура) находятся в пределах 3–4 %. В паровых системах эти потери больше, значительная часть тепла в паровых системах теряется в конденсаторах и охладителях конденсата. Контрольные вопросы и задания 1. Охарактеризуйте процесс теплопередачи при работе котла и дайте определения теплообменивающихся сред. 2. Назовите способы теплоотдачи (теплопередачи) в поверхностях нагрева котлов. 3. Дайте характеристику понятия передачи тепла излучением. 4. Дайте характеристику понятия конвективного переноса теплоты. 5. От чего зависит тепловая напряженность топочного пространства? 6. Поясните роль теплопроводности как составляющей процесса теплообмена. 7. Назовите причины загрязнения поверхностей нагрева со стороны газов. 8. Назовите факторы, влияющие на загрязнение поверхности нагрева со стороны воды. 9. Как учитывается загрязнение поверхностей нагрева в тепловых расчетах? 10. Как и где происходит лучистый теплообмен? 11. Как учитывается полнота омывания конвективных поверхностей? 12. Как определяется коэффициент теплопередачи? 13. Дайте определение величины температурного напора. 14. В чем состоят особенности теплового расчета в парообразующих трубах? 15. Как рассчитывается теплообмен в пароперегревателях? 16. Какие уравнения характеризуют теплообмен в воздухоподогревателе и экономайзере? 17. В чем заключаются особенности теплообмена в утилизационных котлах? 112 6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДОВЫХ КОТЛОВ 6.1. Аэро- и газодинамические характеристики котлов Под аэро- и газодинамическими характеристиками котла понимаются сопротивления газовоздушного тракта котла. Для преодоления сопротивлений должна быть создана движущая сила (напор или разрежение), побуждающая потоки воздуха и газов двигаться с определенной скоростью. Движущая сила создается вентилятором, дымососом или тем и другим элементами одновременно. Поэтому цель определения газовоздушных сопротивлений представляет собой оценку номинального напора вентилятора, необходимого для подачи воздуха к форсункам, с определенным запасом по мощности. При определении сопротивления газовоздушного тракта котла следует учитывать самотягу — естественную силу тяги, развиваемую под действием разности плотностей окружающего воздуха и дымовых газов, возникающей на установленной высоте газохода (рис. 6.1). Уравнение для определения самотяги hci, Па, на i-м участке газохода имеет вид hc,i Hi в гi g, (6.1) где Hi — высота i-го участка газохода, м; rв, rг,i — соответственно плотность окружающего воздуха и дымовых газов на i-м участке при температуре воздуха tв и средней температуре газов tг i , кг/м3; g = 9,81 — ускорение свободного падения, м/с2. Самотяга для всего котла равна сумме самотяг на всех участках газохода — hc. Обычно применительно к главным котлам принимают для расчета три участка газохода, т. е. от центра форсунок до хвостовых поверхностей, затем участок хвостовых поверхностей 113 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки (экономайзер и воздухоподогреватель) и третий — от хвостовых поверхностей до среза дымовой трубы (выход в атмосферу) — см. рис. 6.1, суммарная высота газохода принимается равной 25–30 м. Для современных главных котлов с высотой газохода Hг ≈ 30 м развиваемая самотяга (при температуре уходящих газов 150–200 °С) находится в пределах hc = 5–15 даПа. Рис. 6.1. Схема воздушно-газового тракта котла с воздухоподогревателем (вид сбоку) Ввиду того, что этой величины самотяги недостаточно для преодоления сопротивления газовоздушного тракта, для современных котлов предусматривается установка котельного вентилятора с электроприводом. Вентилятор должен развивать такой напор, чтобы преодолеть сопротивление воздушного тракта и создать избыточное давление в топке, равное 30–70 даПа в зависимости от типа котла, высоты дымовой трубы и т. п. При расчете сопротивления газовоздушного тракта рассматривают сопротивления трения и местные сопротивления. Сопротивления трения обусловлены непосредственным трением движущихся воздуха и газов о стенки каналов и трубных поверхностей нагрева, местные сопротивления — изменением формы воздушных каналов, направлением движения и деформацией потоков возду114 Гидродинамические характеристики судовых котлов ха и газов. Расчетные зависимости для определения сопротивлений устанавливают экспериментальным путем с использованием теории подобия. При этом используется зависимость между критериями подобия Эйлера и Рейнольдса (формула (6.2)). Критерий Эйлера позволяет определить сопротивление каналов, а критерий Рейнольдса характеризует особенности движения потока: где Eu Re = h w2 Eu c Ren , (6.2) — критерий Эйлера; wl — число Рейнольдса. v Следовательно, h c Ren w2 , (6.3) где с, n — эмпирические величины, характеризующие компоновку пучка труб и геометрические характеристики каналов соответственно; r, w — плотность и скорость потока, кг/м3 и м/с соответственно; h — сопротивление канала, Па. Для проявления физической сущности сопротивления выражение (6.3) обычно представляют в виде h 2c Ren пот w2 w2 пот , 2 2 (6.4) где 2c Ren — коэффициент сопротивления канала, определяемый по экспериментальным данным и табулированный для различных геометрических характеристик каналов. Из выражения (6.3) следует, что сопротивление h характеризует суммарные потери кинетической энергии потока при его движении в канале, а коэффициент сопротивления x устанавливает степень влияния характеристик каналов на величину этих потерь. Так, при поперечном омывании трубных пучков коэффициент сопротивления определяется следующим образом: – при коридорном расположении труб x = x0 z2; – при шахматном расположении труб x = x0(z2 + 1), 115 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки где z2 — число рядов труб в пучке; x0 — коэффициент сопротивления одного ряда труб. Для сопротивления трубных пучков построены номограммы, в которых учтены поправки на диаметры и шаги труб. Номограммы приведены в справочной литературе (например, «Аэродинамический расчет котельных установок (нормативный метод)». Сопротивление трения при продольном омывании каналов рассчитывается по формуле h тр l w2 пот , 2 dэ (6.5) где l — длина канала, м; dэ — эквивалентный диаметр канала, м; λтр — коэффициент сопротивления трения при продольном омывании. Коэффициент сопротивления трения при движении потока зависит от критерия Рейнольдса и степени шероховатости стенок канала. Влияние шероховатости k зависит от режимов течения потока: ламинарного (Reж < 2300), гладкостенного турбулентного (4000 < Rеж < 20dэ / k), доквадратичного турбулентного (20dэ / k < Rеж < 500dэ /k) и квадратичного турбулентного (Rеж > 500dэ / k). Местные сопротивления, обусловленные различными деформациями потока в каналах (рис. 6.2), рассчитываются по общей формуле (6.4), в которой коэффициент местных сопротивлений xм определен только на основе специальных экспериментов и табулирован для конкретных видов устройств (клапаны, клинкеты, тройники, решетки, повороты потока в каналах). Для основных видов местных сопротивлений газовоздушного тракта (поворотов потока) можно принимать следующие значения xм: при поворотах на 180 °С — xм = 2; при поворотах на 90 °С — xм = 1; при поворотах на 45 °С — xм = 0,5. Максимальным местным сопротивлением в судовых вспомогательных котлах обладают топочные устройства: воздухонаправляющие устройства, диффузор, фурма. Эти сопротивления колеблются для разных конструктивных решений в пределах 50–150 даПа. 116 Гидродинамические характеристики судовых котлов Рис. 6.2. Виды местных сопротивлений при движении жидкостей в каналах Суммарное сопротивление газовоздушного тракта котла hк hв hг hс , (6.6) где hв, hг — сопротивления, соответственно, воздушного и газового трактов; hс — самотяга. Номинальную мощность вентилятора, который должен обеспечить преодоление сопротивления всего газовоздушного тракта на любых эксплуатационных режимах, в том числе на форсированных режимах котла с нагрузкой до 130 %, определяют в виде Nвном kв3kут kр hк BV 0 tв 273 , в 273 (6.7) Вmax — коэффициент перегрузки котла (принимается равB ным 1,3–1,45); kут — 1,05–1,1 — коэффициент, учитывающий утечки воздуха в канале от вентилятора до топочного устройства; kр — 1,15 — коэффициент, учитывающий увеличение мощности вентилятора для обеспечения дроссельного регулирования подачи воздуха на максимальной нагрузке котла; где kв = 117 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки hк — суммарное сопротивление газовоздушного тракта; B — расход топлива, кг/с; αV0 — действительное количество воздуха на горение, м3/кг; hв — КПД вентилятора; tв — температура воздуха перед вентилятором, °С. Следует отметить, что в котлах старой конструкции для обеспечения удаления продуктов сгорания использовались специальные вытяжные вентиляторы, что нехарактерно для современной компоновки поверхностей нагрева судовых котлов. 6.2. Процессы естественной циркуляции в котлах 6.2.1. Процесс парообразования Процесс естественной циркуляции возможен только при наличии рабочих сред с разными значениями плотностей. В частности, в паровых котлах движущий напор естественной циркуляции создается за счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в подъемных. Кипение — это процесс образования пара внутри объема жидкости. Различают кипение в большом объеме и кипение при вынужденном течении в трубах. Кипение в большом объеме — это кипение на твердой поверхности в условиях свободного движения (свободной конвекции) жидкости в неограниченном пространстве. Такое кипение характерно для газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов, т. е. котлов с большим относительным водосодержанием ω. В зависимости от поверхностной плотности теплового потока q могут наблюдаться два режима кипения: пузырьковый и пленочный. Им сопутствуют два переходных режима: в начале парообразования — режим поверхностного кипения и переходный — от пузырькового кипения к пленочному. Оба режима кратковременны. Поверхностное кипение начинается еще до того, как весь объем воды прогреется до температуры кипения, когда температура стенки уже достигла температуры насыщения при данном давлении. При таком кипении оторвавшиеся от поверхности пузырь118 Гидродинамические характеристики судовых котлов ки пара конденсируются в объеме воды, повышая ее температуру за счет выделяющейся при этом теплоты парообразования. После прогревания воды во всем объеме конденсация пузырьков практически прекращается и движущиеся вверх пузырьки пара выходят через зеркало испарения (свободный уровень воды) в паровое пространство котла, устанавливается режим кипения с q = const и высоким коэффициентом теплоотдачи α2 = const. При повышении поверхностной плотности теплового потока q до критической величины наступает пленочное кипение с резким снижением коэффициента теплоотдачи α2 за счет появления парового слоя на твердой поверхности. Это явление имеет название кризиса кипения, а qкр, Вт/м2 — критической плотности теплового потока (рис. 6.3 ). Следует отметить, что в судовых котлах q < qкр во всех эксплуатационных режимах при соблюдении инструкций по эксплуатации. Рис. 6.3. Изменение коэффициента теплоотдачи и теплового потока при кипении от температурного напора Кипение при вынужденном течении в трубах, характерное для водотрубных котлов, по своей физической сущности ничем не отличается от рассмотренного ранее. В трубах также возможен кризис кипения, называемый в данном случае кризисом кипения I рода, при увеличении тепловой нагрузки q до qкр,1, которая в 1,5–2 раза больше максимальной в любом режиме котла. 119 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Отличительной чертой процесса кипения в трубах является то, что по мере увеличения тепловой нагрузки q, Вт/м2 (q1 < q2 < q3 < q4 < q5) изменяются режимы движения пароводяной смеси, поочередно переходя от пузырькового к снарядному, далее к эмульсионному, затем к дисперсно-кольцевому и, наконец, к дисперсному (рис. 6.4). При этом переход от одного режима движения к другому характеризуется увеличением массового расходного паросодержания x в пароводяной смеси, представляющего собой отношение массового расхода пара к массовому расходу пароводяной смеси. Рис. 6.4. Режимы движения пароводяной смеси в вертикальных трубах: 1 — х < 0,15; 2 — х = 0,2–0,3; 3 — х = 0,3–0,45; 4 — х = 0,45–0,5; 5 — х > 0,6–0,8 Важно иметь в виду, что переход к последнему, дисперсному, режиму движения сопровождается высыханием водяной пленки на стенке трубы и резким снижением коэффициента теплоотдачи от стенки к пару α2. Это явление, называемое кризисом II рода, недопустимо в процессе эксплуатации, так как может привести к перегреву металла трубы. Судовые котлы проектируются таким образом, чтобы возникновение кризиса II рода было возможно только в случаях нарушения циркуляции, так как в нормальных условиях паросодержание на выходе из парообразующих труб не превышает x = 0,05–0,1. 6.2.2. Процесс естественной циркуляции Механизм кипения в обогреваемых трубах (обычно вертикальных или слабонаклонных) следующий. В трубу поступает недог120 Гидродинамические характеристики судовых котлов ретая до кипения вода. На экономайзерном (начальном) участке вода подогревается до кипения, появляется поверхностное кипение, быстро сменяющееся пузырьковым. Пузырьки пара, имея меньшую плотность, чем вода на линии насыщения (ρ' << ρ"), всплывают, увлекая за собой воду. На место всплывшего пузырька поступает новая порция воды, доведенной до кипения, образовавшийся новый пузырек отрывается от стенки, всплывает, увлекая за собой воду, затем цикл повторяется. Поднявшись до зеркала испарения, всплывающий пузырек пара выходит в паровое пространство, а увлекаемая вслед за ним вода остается в водяном объеме, смешивается с вновь поступившей сюда же питательной водой и направляется в необогреваемые опускные трубы и далее — к подъемным обогреваемым трубам. Таким образом, из ранее изложенного следует, что для обеспечения устойчивой циркуляции необходимо непрерывно удалять пар из пароводяной смеси. Именно для этих целей предназначен паровой объем котла, из которого пар отбирается на потребители. В этом состоит сущность процесса естественной циркуляции воды в котле. Основными характеристиками естественной циркуляции являются: плотность воды ρ′ и пара ρ″ на кривой насыщения, массовое расходное паросодержание x, скорость циркуляции w0, равная скорости воды на входе в подъемные трубы, и истинные скорости пара w″ и воды w′ или их отношение, называемое фактором скольжения. Для осуществления круговорота (циркуляции) воды необходим замкнутый контур, состоящий из конструктивных элементов котла (контур циркуляции). В водотрубных котлах контур циркуляции образуется пароводяным коллектором 1, опускными трубами 2 (необогреваемыми), водяным коллектором 3 и парообразующими (подъемными) трубами 4 (рис. 6.5). При этом каждый из четырех элементов контура циркуляции выполняет свою функцию. В пароводяном коллекторе происходит разделение пара и воды, смешение добавочной питательной воды с котловой и процесс поступления воды в опускные трубы, а также движение нагреваемых сред и опускные трубы. 121 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 6.5. Схема контура естественной циркуляции в водотрубном котле На рис. 6.6 приведена схема котла с естественной циркуляцией, у которого в пароводяном пространстве размещены элементы «Санрод», имеющие водотрубную и газотрубную части поверхности. Рис. 6.6. Схема процесса естественной циркуляции в вертикальных газотрубно-водотрубных котлах 122 Гидродинамические характеристики судовых котлов В функцию опускных труб (стрелки вниз) входит организованный распределенный подвод воды (недогретой до кипения) к водяному коллектору, основная функция которого заключается в промежуточном смешении воды и выравнивании давления на входе в подъемные трубы. В контуре циркуляции главную функцию выполняют обогреваемые трубы, расположенные вокруг топки, в которых происходит парообразование и, как следствие, создается движущий напор циркуляции за счет разности плотностей воды в опускных трубах 2 (см. рис. 6.5) и пароводяной смеси в подъемных: Pдв hпар см g, (6.8) где hпар (hпв) — высота участка подъемной трубы, на котором образуется пар и движется пароводяная смесь. Движущий напор расходуется на преодоление сопротивления опускных ΔРоп и подъемных ΔРпод труб, т. е. Рдв Роп Рпод . (6.9) В связи с тем, что подъемные трубы имеют свое (внутреннее) сопротивление, оставшаяся часть движущего напора, расходуемая на преодоление сопротивления опускных труб, называется полезным напором: Рпол Рдв Рпод . (6.10) Поскольку движущие силы в каждой обогреваемой трубе различны, из-за неравномерности их обогрева и особенностей омывания потоком газа, для расчетов требуется осреднение характеристик контура циркуляции. В связи с этим вводится понятие кратности циркуляции контура, представляющее собой отношение количества воды, проходящей через циркуляционный контур Gц, кг/с, к количеству пара, генерируемому в этом контуре, G", кг/с: k Gц . G (6.11) Физический смысл кратности циркуляции состоит в том, что она показывает, сколько раз должна пройти по контуру определенная масса воды до тех пор, пока она не превратится полностью в пар (при условии отсутствия подпитки контура). Среднее значение 123 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки кратности циркуляции при нормальной нагрузке судовых водотрубных котлов находится в пределах 60–80. Естественно, что чем ближе парообразующие трубки расположены к топке, тем больше они получают тепла и тем меньше значение кратности циркуляции в этих рядах. Рис. 6.7. Механизм недогрева воды в процессе циркуляции Важная характеристика процесса циркуляции — недогрев воды до кипения в пароводяном барабане, кДж/кг, зависящий от кратности циркуляции (рис. 6.7). Оптимальное значение недогрева до кипения выбирается Δiвб = 5–12 кДж/кг. Это величина разности энтальпии кипящей воды и воды в барабане. В газотрубных и газотрубно-водотрубных котлах процесс естественной циркуляции обусловлен свободной конвекцией, движущей силой которой является разность плотностей воды, находящихся вдали от поверхностей нагрева — у периферии цилиндрического корпуса, и пароводяной смеси, находящейся в центре корпуса, непосредственно у поверхности нагрева (рис. 6.8). Рис. 6.8. Схема естественной циркуляции при свободной конвекции 124 Гидродинамические характеристики судовых котлов Поскольку здесь отсутствуют конструктивные элементы, создающие циркуляцию, расчет ее характеристик весьма затруднен. В данном случае возможна лишь качественная оценка устойчивости циркуляции, основанная на многолетнем опыте эксплуатации газотрубных котлов. Рассмотрим основные причины нарушения циркуляции, поскольку ее устойчивость характеризует надежность котла. Объясняется это тем, что надежное охлаждение парообразующих элементов возможно только при непрерывном движении воды и пароводяной смеси у поверхности нагрева. Поэтому наиболее опасными представляются явления застоя и опрокидывания циркуляции (рис. 6.9), присущие всем котлам с естественной циркуляцией. Основной причиной нарушения циркуляции служит уменьшение паросодержания x до таких значений, при которых скорость движения пароводяной смеси у поверхности нагрева снижается до нуля. Уменьшение паросодержания является результатом снижения поверхностной плотности теплового потока, обусловленного малыми нагрузками котла или высоким сопротивлением опускных труб (неправильный расчет суммарного поперечного сечения или эксплуатационное загрязнение труб). Рис. 6.9. Схема возникновения явлений застоя и опрокидывания циркуляции Кавитация в опускных трубах на входе со стороны пароводяного барабана может также явиться причиной нарушения процесса естественной циркуляции. Кавитация может появиться в том случае, когда статическое давление во входном сечении опускных труб, из-за сопротивления 125 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки при входе воды из пароводяного коллектора со скоростью wоп, станет меньше давления в паровом пространстве коллектора. Это происходит тогда, когда высота уровня воды hу над верхней кромкой их входного сечения меньше 50 мм, т. е. hу = hкав ≤ 50 мм (рис. 6.10). Рис. 6.10. Процесс возникновения кавитации в опускных трубах водотрубного котла Таким образом, основное требование к процессу естественной циркуляции заключается в необходимости надежного охлаждения парообразующих поверхностей (отвод тепла образующимся паром) во всем диапазоне нагрузок котла. Гидравлическое сопротивление водяного тракта (экономайзеров, соединительных трубопроводов и клапанов) определяется по известным формулам вида (6.4), (6.5), в которых коэффициенты сопротивлений x, принимаются для каждого из элементов тракта. Высокие сопротивления водяного тракта оказывают влияние на выбор питательных насосов и экономичность котельных установок. Гидравлическое сопротивление парового тракта (пароперегреватель, главный стопорный клапан, пароперепускная труба) оказывает существенное влияние на экономичность всей СЭУ и определяется так же, как и водяного. При нормальной нагрузке котла сопротивление парового тракта не должно превышать 5–10 % от рабочего давления пара pк. Таким образом, расчет аэро- и газодинамических характеристик на стадии проектирования котлов предопределяет как экономические, так и прочностные качества котлоагрегата. 126 Гидродинамические характеристики судовых котлов Контрольные вопросы и задания 1. Какова цель определания сопротивления газового тракта? 2. Как определяется сопротивление воздушного тракта? 3. Дайте определение самотяги в котле. 4. Какова зависимость сопротивления воздушно-газового тракта от скорости потока? 5. Как определяется эквивалентный диаметр? 6. Что относится к местным сопротивлениям? 7. В чем заключается сущность процесса парообразования в большом объеме жидкости? 8. В чем состоит особенность процесса парообразования в потоке при вынужденном движении? 9. Дайте определение понятия процесса естественной циркуляции. 10. От чего зависит величина движущего напора? 11. В чем заключаются причины кавитации в опускных трубах? 12. В результате чего возникают застой и опрокидывание циркуляции? 127 7. МАТЕРАЛЫ. ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЛОВ 7.1. Требования, предъявляемые к материалам для постройки и ремонта котлов Характеристики материалов, применяемые в судостроении, приведены в ГОСТе 1050–2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей». Факторами, определяющими выбор материалов для изготовления и ремонта элементов судовых котлов, служат: - температурные условия их работы; - механические нагрузки; - степень агрессивности рабочих сред, определяемая температурой и давлением пара. Для элементов судовых котлов применяют низколегированные углеродисто-марганцевые стали перлитного класса, удовлетворяющие установленным для них требованиям. Высоколегированные аустенитные стали, применяемые для отдельных элементов котлов, работающих при температурах выше 600 °С, должны удовлетворять следующим требованиям: – сохранять высокие прочностные характеристики и устойчивость против изменения структуры во всем диапазоне рабочих температур и давлений; – обладать высокими свойствами: пластичностью, жаропрочностью, жаростойкостью и выносливостью; – не иметь внутренних дефектов и отличаться плотностью строения и равномерностью структуры. 128 Матералы. Прочность элементов котлов Характеристики прочности: – предел текучести sт, МПа — напряжение, при котором материал деформируется без заметного увеличения механической нагрузки; – временное сопротивление разрыву (предел прочности) sв, МПа — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрыву образца. Характеристики пластичности: - относительное удлинение d, %; - относительное сужение ψ, %; - ударная вязкость KC, МПа. Эти характеристики, обобщаемые по результатам испытаний сталей одной марки, выплавляемых различными металлургическими заводами, представляют собой средневзвешенные величины, которые приводятся в справочной литературе, но не всегда указываются в сертификатах на поставку конкретных партий проката. Поэтому в практике чаще используется такой качественный показатель пластичности, как отношение sт /sВ, равное для пластичных сталей 0,5–0,6, для охрупченных материалов (удовлетворительная пластичность) — 0,6–0,75, для хрупких материалов — более 0,75. Такое деление сталей по свойству пластичности используется в Правилах Российского морского регистра судоходства (далее — Правила РМРС). Требование высокой пластичности сталей обусловлено тем, что, во-первых, технология котлостроения базируется на пластической деформации (гибка, штамповка, развальцовка) и, во-вторых, учитываются условия эксплуатации, из-за неодинаковых температурных значений, линейные удлинения отдельных элементов различны, и, следовательно, локальные напряжения могут достигать предела текучести, что для пластичных материалов неопасно. Правильный учет указанных показателей прочности и пластичности обеспечивает высокую надежность элементов котлов до определенной температуры, которая для низколегированной стали не должна превышать 400–450 °С. При более высоких значениях температуры в материалах начинает проявляться ползучесть, заключающаяся в непрерывной пластической деформации элемента, 129 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки находящегося в напряженном состоянии, причем при напряжениях ниже предела текучести. Для сталей, работающих в условиях ползучести, рассмотренных характеристик для обеспечения надежности уже недостаточно. Стали, работающие в условиях высоких температур, должны обладать свойством жаропрочности, под которым подразумевается способность стали сопротивляться разрушению в условиях ползучести. Характеристики жаропрочности: - условный предел ползучести, sп, МПа — напряжение, вызывающее остаточную деформацию в 1 % за 100 тыс. ч эксплуатации при данных температуре и давлении; - предел длительной прочности stДП , МПа, напряжение, приводящее металл к разрушению при данной температуре в течение определенного промежутка времени (5, 10, 20–100 тыс. ч) в процессе специальных лабораторных испытаний. Основным способом повышения жаропрочности является рациональное легирование (хром, молибден, ванадий) сталей и оптимальные режимы термообработки. Кроме жаропрочности, стали, работающие при высоких температурах, должны обладать высокой жаростойкостью, т. е. способностью сопротивляться образованию окалины (отсюда часто возникает окалиностойкость). Естественным показателем жаростойкости служит допустимая температура, при которой толщина окалины не превышает установленных норм. Легирование сталей хромом повышает окалиностойкость. Периодические колебания температур и давлений обуславливают переменные напряжения. Разрушение металла под действием переменных напряжений называется усталостью, а свойство сопротивляться такому разрушению — циклической прочностью, или выносливостью, которая характеризуется так называемым физическим пределом усталости s1, представляющим собой максимальное напряжение цикла с определенной характеристикой асимметрии, при котором металл выдерживает бесконечно большое число циклов N. В практике прочностных расчетов используют условный предел усталости — напряжение, при котором металл выдерживает определенное число циклов до разрушения. 130 Матералы. Прочность элементов котлов Для элементов судовых котлов (особенно котлов газотрубных и газотрубно-водотрубных) опасной представляется прежде всего малоцикловая термическая усталость — процесс разрушения металла под действием термических напряжений, обусловленных повторными нагреваниями и охлаждениями с малым числом циклов в течение всего срока службы. Общей причиной термической усталости является свойство материала изменять свои размеры при изменении температуры в стесненных условиях расширения, обусловленных жесткостью (неподатливостью) конструкций (рис. 7.1). а) б) Рис. 7.1. Механизм возникновения малоцикловой усталости: а — розжиг котла tк < tт; б — остановка котла tк > tт Условные обозначения: Pт, Pк — силы, действующие в трубах и корпусе котла Правилами РМРС одобрены и применяются в котлостроении стали марок 10, 12К, 15К, 16К, 18К, 20, 20К. С целью снижения металлоемкости водяные и пароводяные коллекторы котлов могут быть изготовлены из углеродисто-марганцевых сталей марки 22ГК или низколегированных сталей марок 16ГС или 09Г2С. Для деталей, работающих при температуре выше 400 °С, рекомендуется применять низколегированные хромомолибденовые стали марок 15ХМ и 12Х1МФ (здесь легирующие добавки: Г — марганец, С — кремний, X — хром, М — молибден, Ф — ванадий). Согласно требованиям, изложенным в Правилах РМРС, для изготовления элементов котлов следует применять только спокойную сталь с содержанием углерода 131 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки не более 0,2 %. Выбираются необходимые для прочностных расчетов численные значения характеристик прочности stт и s В , а также жаропрочности ρtДП . Эти характеристики, а также показатели пластичности и жаростойкости можно найти в специальной справочной литературе. Зависимости предела длительной прочности и характеристик пластичности рекомендованных ранее сталей от температуры показаны на графиках (рис. 7.2). Кроме сталей в котлах используют и другие материалы, основными из которых являются огнеупорные и теплоизоляционные. Рис. 7.2. Зависимость пределов текучести (—) и длительной прочности (---) сталей от температуры: 1 — углеродистых 12Ки 15К; 2 — углеродистых 16К, 20 и 20К; 3 — легированных 16ГС и 09Г2С; 4 — легированной 12Х1МФ; 5 — углеродистой 22ГК Первостепенную роль играет кирпичная кладка, защищающая стенки топки от воздействия теплоты, излучаемой факелом, температура которого достигает 1800–1900 °С. Кирпичная кладка должна обладать следующими характеристиками: огнеупорностью 132 Матералы. Прочность элементов котлов (способностью сохранять при высоких температурах свою форму и механические свойства) и термостойкостью (способность кирпича выдерживать без растрескивания резкие изменения температуры). Огнеупорность характеризуется температурой, при которой кирпич сохраняет свои свойства. Для судовых котлов применяются материалы с огнеупорностью 1700–1800 °С. Термостойкость характеризуется числом теплосмен, которое выдерживает кирпич без разрушения при специальных испытаниях. Для обмуровки топок и изоляции стенок газоходов вспомогательных судовых котлов рекомендуются огнеупорные материалы марок ШСТ и шамотные общего назначения ША, а также изделия легковесные теплоизоляционные огнеупорные и высокоогнеупорные марки ШЛА-1,3. Для изоляции стен обшивки котлов, а также коллекторов, котельной арматуры и трубопроводов с температурой наружной стенки выше 60 °С применяют ньювель, совелит, минеральную вату и др. 7.2. Основные положения расчета на прочность элементов судовых котлов Конструктивные расчеты судовых котлов на прочность выполняют в соответствии с Правилами РМРС как при проектировании, так и при установлении допустимого рабочего давления в котлах и давления при гидравлических испытаниях котлов в эксплуатации. Цель подобных расчетов состоит в обеспечении условий надежной и безопасной работы котлов при всех эксплуатационных режимах потребителей пара. Условия общей надежности судовых котлов определяются необходимой прочностью всех элементов, которые находятся под внутренним или наружным давлением воды и пара. Так как температурные режимы данных элементов могут существенно отличаться друг от друга, при расчетах это учитывается соответствующим выбором материалов и их характеристик. Прочность материалов оценивают на основе сопоставления возникающих в них усилий от действующих нагрузок (механических, 133 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки тепловых, радиационных) с усилиями, приводящими материалы в предельное состояние. При традиционных расчетах статической прочности основным условием надежной работы детали является sр ≤ sдоп, где sр, sдоп — соответственно рабочее и номинальное допускаемое напряжения, МПа. Расчетные формулы для выбора главных размеров несущих сечений основаны на анализе зависимостей теорий упругости и пластичности (причем концентрации напряжений, остаточные и температурные напряжения в них не учитываются). В зависимости от условий работы и вида нагружения детали величина sдоп устанавливается в соответствии с пределами текучести stт (или st0,2 ), прочности sв, длительной прочности stДП и ползучести sп с введением рекомендуемых запасов, т. е. t или t0,2 tДП доп т ; в; ; п, n п п пп т в ДП (7.1) где пт, пв, пДП, пп — коэффициенты запаса прочности. Коэффициенты запасов прочности, в соответствии с Правилами РМРС, рекомендуется принимать пв = 2,4–2,6; пп = 1; пт = пДП = 1,5–1,6 для пластичных сталей. Однако следует иметь в виду, что конкретные значения коэффицентов прочности могут быть выбраны строго в соответствии с рекомендациями Правил РМРС, согласно которым расчетную температуру стенки парообразующих труб, коллекторов водотрубных котлов выбирают на 30 °С выше средней температуры нагреваемой среды — tср, т. е. tст = tср + 30 °С. Для труб, подверженных воздействию лучистой теплоты, tст = tср + 50 °С. Расчетную температуру труб и коллекторов пароперегревателей при температуре перегретого пара выше 450 °С определяют расчетным способом по специальной методике. Рассмотрим основные положения методики расчета на прочность на примере расчета цилиндрических элементов котлов (труб, коллекторов, корпусов и т. п.). В основе данной методики лежат положения третьей теории прочности для сложнонапряженного состояния цилиндрической части элемента. На кубический микроэлемент, выде134 Матералы. Прочность элементов котлов ленный условно из рассматриваемой части коллектора (рис. 7.3), действуют три главных напряжения: s1, s2, s3. Как известно, при определении составляющих сложнонапряженного состояния учитывааются геометрические размеры элемента и рабочее давление среды. а) б) Рис. 7.3. Схема для определения расчетного напряжения в цилиндрической части коллектора: а — выделенный кубический элемент; б — рассматриваемая часть барабана При определении величины напряжений учитываются как прочностные характеристики материала, так и геометрические параметры рассчитываемого элемента: 1 r dr рDв l рDв рDв2 ; 2 ; 3 r . 2l 2 4Dв ´ 2 (7.2) В соответствии с граничными условиями, устанавливающими sr = –p (волокна сжаты) и sr + dsr = 0 (в наружных волокнах цилиндра при внутреннем давлении напряжения отсутствуют), получают s3 = –р /2. Согласно теории наибольших касательных напряжений (третьей теории прочности), можно записать max доп доп 2 или max max min / 2. (7.3) Тогда условие прочности запишется в виде max min доп . 135 (7.4) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Подставив в уравнение (7.3) значения max 1 и min p / 2, получим: pDв p pDв доп ; = . 2 2 2доп р (7.5) В формулах (7.2) –(7.5) приняты следующие обозначения: р — расчетное внутреннее давление, МПа; Dв — внутренний диаметр цилиндрического элемента, мм; sдоп — допускаемое напряжение, МПа. Уравнение (7.5) для расчета толщины стенки получено для сплошного металла. В реальных условиях сечения цилиндрических элементов котлов могут быть ослаблены отверстиями (под арматуру, лазы) и сварными швами. Учет этого обстоятельства осуществляется введением в уравнение коэффициента прочности j ≤ 1. Кроме того, следует учитывать возможное окалинообразование (например, на парообразующих трубах) с помощью специальной прибавки на коррозию к расчетной толщине стенки с. Окончательно выражения для расчета толщины стенки цилиндрических элементов принимают вид: pDн с; 2доп р (7.6) pDв с, 2доп р (7.7) где Dн , Dв — соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндрического элемента, мм. Для расчета толщины стенки днищ барабанов формулы имеют тот же вид (7.6), (7.7), но в знаменателе вместо цифры 2 ставится цифра 4. Кроме этого, учитывается выпуклость днищ и наличие лазов. В этих формулах за расчетное значение внутреннего давления принимают его наибольшее возможное значение, которое соответствует допустимому давлению срабатывания предохранительных клапанов в соответствии с Правилами РМРС: p = pпр ≤1,1pраб, где pраб — рабочее давление пара в котле. 136 (7.8) Матералы. Прочность элементов котлов Для коллекторов водяного экономайзера расчетное давление принимается p = рраб + ΔрВЭ, где ΔpВЭ — гидравлическое сопротивление экономайзера. В процессе эксплуатации возникает необходимость определять допустимое рабочее давление для реальных труб с учетом коррозионных язв. Для этого используют формулу рдоп 2 н к доп Dн н к , (7.9) где dн — номинальная толщина стенки, мм; Δк — наибольшая глубина коррозионной язвы, мм; Dн — наружный диаметр трубы, мм. Допускаемое давление при пробном гидравлическом испытании, проводимом при очередных освидетельствованиях, оценивается по формуле рг 2,4 н к 20 доп Dн н к , (7.10) где δ20 доп — допускаемое напряжение, определяемое по формуле (7.5) при температуре 20 °С. Наибольшее ослабление поперечного сечения цилиндрического коллектора котла наблюдается в трубной решетке, для которой коэффициент прочности определяется по формуле sd , s (7.11) где s — шаги отверстий (расстояние между осями отверстий). Для коридорной компоновки пучков труб поперечный s1 и продольный s2 шаги труб s принимаются равными друг другу: s = s1= s2. Для шахматного расположения труб в пучке значение величины s в формуле (7.11) принимается равным меньшему из значений поперечного шага s1 и диагонального шага sк. Так как для судовых котлов обычно принимают s1 = sк, в формулу подставляют значение поперечного шага s1 (рис. 7.4). При определении величины коэффициента прочности с разными шагами выбирается наименьшее значение. Коэффициент k относительного расположения труб 137 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки используется в случае равенства всех трех шагов в шахматной компоновке в соответствии с Правилами РМРС. а) б) Рис. 7.4. Схемы для расчета коэффициента прочности трубной доски: а — схема коридорного и шахматного расположения труб; б — график изменения коэффициента относительного расположения труб а) б) в) г) Рис. 7.5. Типы сварных соединений в газотрубных и газотрубно-водотрубных котлах: а — плоские днища; б — выпуклые днища; в — трубы; г — короткие и длинные связи В любом случае коэффициент прочности не может быть больше единицы. Для сварных швов цилиндрических элементов (при отсутствии в них отверстий) коэффициент прочности принимается j = 0,9–1,0 согласно рекомендациям Правил РМРС (рис. 7.5). Для обеспечения приемлемой (с точки зрения прочности) толщины стенки коллектора с трубной решеткой коэффициент прочности должен быть j > 0,3. 7.3. Освидетельствование котлов Российским морским регистром судоходства Российский морской регистр судоходства осуществляет технический надзор за исполнением его требований, что позволяет обеспечивать: 138 Матералы. Прочность элементов котлов - условия технической безопасности мореплавания судов в соответствии с их назначением; - охрану человеческой жизни на море; - надежную перевозку грузов; - предотвращение загрязнения окружающей среды. Надзорную деятельность РМРС осуществляет в соответствии со своим уставом, согласно которому он не несет имущественной ответственности за убытки, которые могут произойти в связи с осуществлением им своей деятельности. Надзору РМРС подлежат главные, вспомогательные и утилизационные котлы, их перегреватели и экономайзеры с рабочим давлением 0,07 МПа и более. Надзор начинается еще до постройки котла путем рассмотрения и одобрения РМРС необходимой технической документации, в том числе конструктивных чертежей и всех данных по расчету прочности. Освидетельствования котлов в эксплуатации подразделяются на первоначальные, очередные, ежегодные и внеочередные и осуществляются в соответствии с нормативной документацией по техническому надзору за судами в эксплуатации. Первоначальное освидетельствование проводят с целью установления возможности присвоения класса судну, впервые предъявленному для классификации РМРС, а также возможность переназначения класса судну, у которого класс РМРС был снят. Периодические освидетельствования проводятся с интервалами и в объеме, изложенными в Правилах классификационных освидетельствований судов в эксплуатации. К периодическим освидетельствованиям относятся: Очередное освидетельствование — проводят для подтверждения класса с целью установить, что техническое состояние котлов удовлетворяет требованиям РМРС. Периодичность проведения каждые 5 лет. Ежегодное освидетельствование — осуществляют для подтверждения класса судна с целью проверки работоспособности котлов, их автоматики, систем сигнализации и защиты. Промежуточное освидетельствование — должно проводиться в период между вторым и третьим ежегодными освидетельствованиями. 139 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Внеочередное освидетельствование — требуется обычно после заводских ремонтов котлов с существенной модернизацией или после аварий по заявке судовладельца. Этот вид освидетельствования связан с восстановлением или переназначением класса РМРС и необходим при временном выводе судов из эксплуатации. Применительно к котлам в процессе освидетельствований осуществляются наружный осмотр, внутренний осмотр и гидравлические испытания. Конкретные сроки и виды освидетельствования котлов регламентированы нормативной документацией по техническому надзору за судами в эксплуатации. Результаты освидетельствований оформляются документально и делается заключение о годности к дальнейшей эксплуатации. При освидетельствованиях производятся наружные и внутренние осмотры котла, осмотры питательных средств, проверки настройки и срабатывания средств автоматизации, сигнализации и защиты. Производится настройка и пломбирование предохранительных клапанов. При этом давление открытия предохранительных клапанов устанавливается на уровне (1,03–1,05)pраб с максимально допустиmax ≤ 1,1 pраб . мым значением роткр Гидравлические испытания котлов на пробное давление выполняются в строгом соответствии с требованиями нормативных документов РМРС. Традиционная система освидетельствования котлов предусматривает проверку агрегатов только непосредственно инспектором РМРС. Однако в настоящее время на судах может быть реализована система мониторинга котельной установки, позволяющая проводить внутреннее освидетельствование паровых котлов без участия инспектора, что предусмотрено ч. XVII, разд. 16 Правил РМРС. Для таких судов к основному символу класса может быть добавлен дополнительный знак BMS (Boiler Monitoring System). В Правилах РМРС сформулированы технические и организационные требования для судов с таким знаком. Система BMS предусматривает внутреннее освидетельствование, проводимое старшим механиком, результаты которого принимаются инспектором РМРС. Другие составляющие освидетельствования котлов осуществляются инспектором. Дополнительный знак BMS может быть присвоен вспомогательным паровым котлам с рабочим давлением не более 2,0 МПа. 140 141 мг/л Нитратное 75–1002 30–60 Не более 13000 Не более 0,4 150–200 Не более 8000 2Значение для котлов, переведенных на фосфатно-нитратный режим. нитратного числа должно составлять 50 % фактического щелочного числа. 3Контролируется в процессе приготовления добавочной воды. 1Контролируется мг/л число1 Фосфатное мг/л Общее солесодержание число1 мг-экв/л мг/л Щелочное число Жесткость остаточная мг/л Не более 8 – мг-экв/л мг-экв/л Не более 50 Не более 50 мг/л Хлориды Общая жесткость Общая жесткость Дистиллят2 Добавочная вода3 Котловая вода Хлориды Конденсат мг/л Хлориды Не более 3 мг/л Не более 0,1 Не более 0,5 мг-экв/л мг/л Газотрубные котлы Единица измерения Содержание кислорода Наименование Показатель воды качества Питательная Общая жесткость вода1 Содержанке масла и нефтепродуктов Показатели качества воды в судовых котлах 75–1002 30–60 Не более 3000 Не более 0,2 150–200 Не более 1200 Не более 5 Не более 0,05 Не более 15 Не более 15 Не более 0,1 Не более 3 Не более 0,3 Водотрубные и комбинированные котлы Матералы. Прочность элементов котлов И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Мониторинг предполагает непрерывный процесс наблюдения и регистрации контролируемых параметров объекта, которые признаны критически важными для расходования ресурса и сравнения значений этих параметров с установленными нормами. Поскольку речь идет о внутреннем освидетельствовании паровых котлов, инструкция по мониторингу требует контроля за качеством и проведением докотловой и внутрикотловой обработки воды. В Правилах РМРС достаточно подробно изложены мероприятия и требования, необходимые для выполнения применительно к котельным установкам судов со знаком BMS. В процессе первоначального освидетельствования для присвоения судну этого знака проводится проверка общего технического состояния котла и выполнения требований к качеству воды согласно данным, указанным в таблице (с. 141). Классификационное общество РМРС является основным органом в системе морской индустрии, требования которого в формате Правил классификации разработаны на основе международных конвенций, кодексов и резолюций, инициируемых Международной морской организацией (IМО), а также национальных правовых актов в сфере деятельности транспортной отрасли и в частности, водного транспорта. Контрольные вопросы и задания 1. Укажите основные факторы, учитываемые при выборе материалов для элементов котла. 2. Какие параметры характеризуют прочности сталей? 3. В чем заключается влияние температурных условий рабочих сред в котле на выбор материалов? 4. Перечислите основные марки сталей, применяемых для элементов котлов. 5. Дайте определение понятия жаропрочности и жаростойкости. 6. Дайте определение понятий «легированные стали» и легирующие элементы. 7. В каких случаях необходимо учитывать предел прочности? 8. Как определяется допускаемое напряжение? 9. В чем состоит сущность коэффициента запаса прочности? 142 Матералы. Прочность элементов котлов 10. При расчете каких элементов учитывается коэффициент прочности? 11. Перечислите требования, предъявляемые к огнеупорным материалам. 12. Что является основной характеристикой материалов тепловой изоляции? 13. Как определить допускаемую толщину степени при расчете прочности? 14. Как выбирается величина расчетного давления? 15. Назовите виды освидетельствований котлов, проводимых РМРС. 143 8. ВОДНЫЕ РЕЖИМЫ КОТЛОВ 8.1. Показатели качества воды и накипеобразование в процессе нагрева воды В судовой энергетике применение воды сводится обычно к роли теплоносителя и с этой точки зрения предпочтительнее среда с минимальной минерализацией. Однако обычная пресная вода (поверхностная) всегда содержит примеси солей и растворенные газы. Различают минеральные и органические примеси. Минеральные примеси: различные соли, кислоты, основания в диссоциированной форме — в виде катионов и анионов. Сюда же относятся растворенные газы: N2, O2, CO2, NH3, CH4, H2S и др. Органические примеси: гумусовые вещества, вымываемые из почв, а также попадающие с различными стоками. Более опасными для котельных установок являются катионы: + Na , К+, Ca+, Mg+, Fe2+, Mn2+, Cu2+ и некоторые анионы: HCO3, Cl–, SO24- , CO23- . Из всех этих элементов натрий и калий практически не образуют труднорастворимые соединения и поэтому легко нейтрализуются. Кальций и магний представляют собой главные нежелательные примеси в воде, так как обусловливают интенсивное накипеобразование. На судах различают питательную и котловую воду, конденсат, дистиллят, добавочную воду, а также воду, загрязненную нефтепродуктами и другими отходами (сточную, льяльную и др.). Для котлов питательной водой служат конденсаты отработавшего пара в судовых потребителях, а для восполнения неизбежных утечек используется добавочная вода (запасы пресной воды или дистиллята испарителей). Котловой водой называется вода, находящаяся внутри котла (во всех его элементах). В котловой воде при ее испарении накапливаются соли, поступающие с питательной водой. Водный режим необходим, чтобы организовать переход солей 144 Водные режимы котлов в легкоподвижный нерастворимый и неприкипающий шлам, удаляемый в процессе продувания котла. Все указанные виды воды различаются по качеству, оцениваемому по следующим основным показателям, а именно: жесткости, содержанию хлоридов, щелочности, фосфатному числу, концентрации водородных ионов, содержанию кислорода и нефтепродуктов, нитратному числу, содержанию механических примесей. Жесткость — одна из основных характеристик качества воды, оцениваемая показателем общей жесткости Жо — сумма всех растворимых в воде солей кальция (кальциевая жесткость ЖCа) и магния (магниевая жесткость ЖМg), выраженная в мг⋅экв/л. С повышением минерализации воды возрастает магниевая составляющая, а кальциевая составляющая снижается. Дополнительными показателями жесткости служит некарбонатная и карбонатная жесткость, обусловленная присутствием в воде бикарбонатов кальция Ca (HCO3)2 и магния Mg (HCO3)2. Она называется временной, так как в процессе работы котла она уменьшается. Хлориды — соли соляной кислоты. Наиболее распространенной солью является хлорид натрия NaCl — основная составляющая солености воды. Выражается соленость через концентрацию NaCl или хлор-иона и измеряется в мг/л. Одним из источников увеличения хлоридов в котловой воде является добавочная пресная вода, а также морская вода, попадающая в питательную воду через неплотности в конденсаторах, подогревателях забортной воды и т. п. Щелочность — представляет собой сумму миллинормальных концентраций всех анионов слабых кислот и ионов гидроксила 3(CO2и др.) и оценивается содержанием щелочных 3 , HCO3, PO4 солей, пересчитанных на NaOH, называемый щелочным числом и выражаемым в мг/л NaOH. Часто щелочность выражается содержанием ионов водорода, называемым водородным показателем pH и равным для котловой воды pH ≥ 9,0–10,0. Водородный показатель служит наиболее достоверной характеристикой коррозионной активности воды. Фосфатное число котловой воды контролируют при поддержании фосфатно-нитратного режима. Фосфаты — это растворенные в воде соли фосфорной кислоты. В котловой воде должен быть всегда 145 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки избыток фосфатных ионов PO34 , что исключает выпадение в осадок накипеобразующих соединений кальция и магния. Содержание фосфатов, определяемое количеством ионов PO34 или выражаемое в виде окисла P2O5, измеряется в мг/л. Содержание нитратов в котловой воде выражается нитратным числом в мг/л NaNO3, значение которого обычно составляет 50 % от щелочного числа. Натриевая селитра NaNO3 добавляется в котловую воду для поддержания фосфатно-нитратного режима. Нитраты образуют на поверхности металла защитную пленку, препятствующую протеканию коррозии. Они не принимают участия во внутрикотловых процессах и необходимы только для защиты от коррозии. Труднорастворимые вещества выделяются из воды в виде осадка, образующего при определенных условиях накипь или шлам. К шламу относятся выпадающие вещества в виде подвижного коллоидного осадка, который может также образовывать вторичную накипь, прикипая к поверхности труб. Образование осадка в виде накипи или шлама происходит при наличии перенасыщенного раствора солей жесткости. Наибольшее влияние на процесс накипеобразования оказыва– 2– 2– ют катионы Ca2+ и Mg2+ и анионы СО23 , OH , SO4 , SiO3 , которые в соединениях между собой образуют, например, карбонаты кальция и магния (CaCO3, MgCO3), гидрат магния (Mg(OH)2), сульфат кальция (CaSO4), силикаты кальция и магния (CaSiO3, MgSiO3). Карбонаты кальция, образующие в котле карбонатную накипь, с повышением щелочности воды осаждаются в грубодисперсном состоянии и входят в состав шлама. Соединение Mg(OH)2 находится в воде преимущественно в виде шлама и может образовывать вторичную накипь (прикипание вторичного шлама), которую также могут образовывать продукты коррозии металла, заносимые в котел с питательной водой. В случае образования силикатной накипи на поверхности нагрева слой загрязнения становится прочным и трудноудаляемым. Накипеобразование обуславливает резкое снижение интенсивности теплопередачи, в результате чего происходит существенное увеличение расхода топлива на установившемся режиме. 146 Водные режимы котлов 8.2. Методы обработки питательной воды Методами обработки питательной воды являются: фильтрация, деаэрация, дистилляция, электрохимическое и химическое обессоливание. Рассмотрим их более подробно. Фильтрация воды и очистка конденсата от нефтепродуктов — особо важные процессы для котлов дизельных танкеров с подогревом груза. Для очистки применяют фильтры, установленные в теплых ящиках или на питательных магистралях и состоящие из кокса, люфы, махровой ткани, синтетических материалов (поролона). Теплые ящики имеют внутри перегородки, образующие каскадное движение воды. Упрощенная схема конструкции теплого ящика приведена на рис. 8.1. Для современных установок характерным является установка в теплом ящике специальных детекторов для контроля отсутствия содержания в питательной воде нефтепродуктов. Следует иметь в виду, что теплый ящик является элементом конденстатно-питательных магистралей вспомогательных котельных установок, а запас питательной воды в паротурбинных установках находится в деаэраторе. Рис. 8.1. Принципиальная схема теплого ящика: 1 — фильтр; 2 — каскадный маслоотделитель; 3 — питательный трубопровод; 4 — охлаждающий змеевик; 5 — перепуск конденсата Конструктивное исполнение теплых ящиков может быть различным. В большинстве конструкций теплых ящиков предусмотрена установка змеевиков охлаждения, так как перегрев воды в нем, 147 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки из-за поступления горячего конденсата (особенно в тропиках) от потребителей пара, может привести к срыву подачи питательных насосов вследствие вскипания воды на всасывании. Кроме этих мер, перед теплым ящиком предусматриваются специальные цистерны — сборники чистых и грязных (с нефтепродуктами) конденсатов, позволяющих эффективно предотвращать попадание нефтепродуктов в питательную воду. Деаэрация воды выполняется с целью удаления растворенных в ней газов и прежде всего кислорода и углекислого газа, являющегося основным участником практически всех процессов коррозии в котлах. Наличие кислорода в питательной воде объясняется его активной растворимостью в добавочной воде и особенно в воде в теплом ящике. Наиболее эффективным способом удаления растворенных газов из воды является десорбция. Данный способ основан на известных законах Генри – Дальтона, характеризующих зависимость между концентрацией растворенного газа и его парциальным давлением. Кислород удаляют из воды десорбционными (физическими) и химическими методами. Десорбционный метод реализуется в паротурбинных установках с использованием термических деаэраторов. Термическая деаэрация позволяет снизить содержание кислорода в воде примерно до 0,03–0,05 мг/кг. Растворимость кислорода и углекислого газа в воде в зависимости от температуры показана на графиках рис. 8.2. Рис. 8.2. Растворимость O2 и CO2 в воде при различных значениях температуры: 1 — кислорода; 2 — углекислоты 148 Водные режимы котлов Ионообменную обработку питательной воды производят с целью снижения ее жесткости и предотвращения таким образом накипеобразования в котле. Часто применяют метод катионирования, сущность которого заключается в замене накипеобразующих ионов Ca2+, Mg2+ ионами Na+ или H+ при фильтрации жесткой воды через особые материалы, склонные к ионному обмену. Более распространенными являются Na-катионитовые фильтры с естественными материалами и искусственными (например, сульфоуголь). Сложность оборудования, большие размеры, а также необходимость наличия на судне материалов регенерации являются причинами ограниченного применения этого метода водообработки на судах. В малых котельных установках решение проблемы водоподготовки достигается применением простых и дешевых средств, к которым относятся физические методы обработки: ультразвуковой, электростатический, магнитный. Ионообменные фильтры используются на судах с ядерными энергетическими установками, где предусмотрены более жесткие требования к качественным показателям воды. Основной целью магнитного метода водообработки является изменение условий кристаллизации накипеобразователей и обеспечение их выпадение не на поверхности нагрева, а в виде шлама в объеме воды, поступающей в котел. Применение магнитной обработки воды не требует систематического введения химических реактивов внутрь котла. Исключает регулярное использование водокоррекционных препаратов также ультразвуковая обработка, с помощью которой происходит разрыхление уже образующихся отложений. Для современных судов достаточно распространенным способом обработки питательной воды является использование химических препаратов с введением их через дозировочную систему. Специальный дозировочный насос устанавливается обычно непосредственно на емкости с препаратами. Один из вариантов такой системы показан на рис. 8.3. 149 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 8.3. Станция дозировочной обработки питательной воды На судах более ранней постройки (до 80-х гг. XX в.) химические препараты для обработки питательной воды в открытых системах вводились преимущественно в теплый ящик. Отечественные препараты выпускались, как правило, в виде порошков и требовали предварительного разведения водой. Для современных судовых котельных установок наиболее характерным способом обработки питательной воды является подача жидких химических препаратов с использованием дозировочных насосов в питательную магистраль. Количество вводимых препаратов определяется с учетом показателей качества питательной и котловой воды. 8.3. Обработка котловой воды В процессе работы котла показатели качества воды ухудшаются, поскольку вместе с питательной водой в котел вносится дополнительное количество химических и механических примесей. Испарившаяся вода уходит к потребителям в виде пара, оставляя 150 Водные режимы котлов основную часть солей в котле, что вызывает образование накипи и шлама. Задачей обработки котловой воды является преобразование накипеобразующих веществ в шлам, который удаляется при продувании котла. Основные накипеобразователи представляют собой соли кальция и магния (формула (8.1)), а для обработки воды используют преимущественно фосфаты натрия. Эффективное осаждение накипеобразующих солей кальция происходит при введении тринатрийфосфата Na3PO4·12H2O. При этом необходимо контролировать щелочность воды. При pH < 9 реакция идет следующим образом: 6Na3PO4 + 10CaCO3 + 2NaOH → → Ca10(PO4 )6(OH)2 + 10Na2CO3. (8.1) Соединение Ca10(PO4)6(OH)2, называемое гидроксилапатитом, выпадает в осадок в виде подвижного шлама и удаляется при продувании котла. В нейтральной или кислой среде в результате реакции образуется сульфат кальция, осаждающийся на поверхностях нагрева в виде накипи. Поэтому для вспомогательных котлов рекомендуется поддерживать фосфатное число в пределах 10–30 мг/л PO43, а щелочное число — 150–200 мг/л NaOH — фосфатно-нитратный режим водообработки, при котором наряду с фосфатами добавляется натриевая селитра NaNO3, предотвращающая агрессивное воздействие на металл избыточной щелочности. Избыточная щелочь появляется при использовании только тринатрийфосфата и непрерывно увеличивается также за счет его гидролиза по реакции: Na3PO4 + H2O → Na2HPO4 + NaOH. (8.2) При повышении концентрации PO43- и двухвалентного железа при низком pH котловой воды становится возможным образование на поверхности экранных труб твердой фазы железофосфата натрия (NaFePO4) с последующим частичным окислением его в гидрат закиси железа: NaFePO4 + 2NaOH ↔ Fe(OH)2 + Na3PO4, 151 (8.3) И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки откуда следует, что должно соблюдаться определенное соотношение фосфатов и NaOH, чтобы режим был безнакипным (рис. 8.4). Рис. 8.4. Соотношение фосфатов и NaOH с границей между областями: 1 — накипеобразования; 2 — безнакипных режимов В настоящее время на практике с целью предотвращения появления избыточной щелочности используют различные сложные присадки. Успешно используется, например, препарат, состоящий из 60 % динатрийфосфата Na2HPO4, 6 % — NaOH, комплексонов и полимерных добавок. Полимерные добавки являются флокулянтами, ускоряющими процесс выпадения в шлам накипеобразующих солей жесткости. Присутствие в таком препарате комплексонов (трилон Б) способствует разложению отложений накипи и созданию условий для образования прочной окисной пленки, состоящей из магнетита Fe3O4. Кроме рассмотренного препарата, зарубежные фирмы применяют целый ряд подобных сложных присадок (например, перолина — БВТ-274, векома — BWT QC3, рохэма — «Уан Шот БВТ» и др.), направленных на комплексное решение проблемы: предотвращение коррозии и накипеобразования в котлах и защиту паропроводов и труб конденсатно-питательных систем от коррозии. При этом процедуры применения каждого из препаратов регламентируются четкими инструкциями, выполнение которых является строго обязательнным во избежание вредного воздействия 152 Водные режимы котлов на человека. Рассматривая влияние щелочности, следует отметить, что щелочь при температуре стенки выше 250 °С способствует образованию плотной оксидной пленки, препятствующей коррозии. Кислород и углекислота снижают прочность этой пленки, вызывая появление локальных язвин, особенно в местах соединения отдельных деталей. Качество воды на судах контролируется с помощью лабораторий водоконтроля различных конструктивных решений или набора препаратов, позволяющих определять следующие показатели: жесткость — общую и карбонатную, содержание хлоридов, щелочность, фосфатное и нитратное число котловой воды. Кроме лабораторий на судах используют различные экспресс-методы оценки отдельных показателей качества воды с помощью специальных препаратов. Водный режим корректируется в зависимости от условий эксплуатации котлов по предписанию соответствующих служб судовладельца. За соблюдение водного режима несут ответственность старший и котельный механики. Следует отметить, что зарубежные фирмы постоянно совершенствуют как методы контроля качества котловой воды, так и химические реагенты для поддержания требуемого водного режима котлов. Так, например, фирма Unitor разработала систему эффективного контроля качества котловой воды, включающую комплект таблеток «Спектрапак» для точного определения химических концентраций различных веществ в воде, набор химических препаратов для обработки воды и компьютерную технологию быстрого реагирования для связи судов с представительствами фирмы. Свои программы обработки воды для судовых котлов широко распространяют на судах многих компаний фирмы Drew Ameroid Marine Division, Unitor Chemicals. При этом обеспечивается не только обработка воды в СЭУ, но и возможность использования средств для очистки поверхностей теплообменников, чистки танков и др. Контрольные вопросы и задания 1. Дайте характеристику понятия водного режима котла. 2. Укажите основные показатели качества питательной воды. 153 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 3. Перечислите основные показатели качества котловой воды. 4. В чем состоит сущность процесса накипеобразования? 5. Перечислите основные способы обработки питательной воды. 6. Укажите способы корректировки показателей качества котловой воды. 7. В чем заключается применение дозировочных насосов при обработке питательной воды? 8. Охарактеризуйте понятия «верхнее» и «нижнее» продувание котлов. 9. Укажите основные фирмы, поставляющие химические препараты для обработки воды. 10. В чем состоит особенность экспресс-методов определения качественных показателей котловой воды? 154 9. КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ПОТРЕБИТЕЛИ ПАРА 9.1. Основные сведения о составе судовых котельных установок и их классификации Теоретические основы котловых процессов, изложенные в гл. 1–8, позволяют перейти к рассмотрению характерных технических решений по организации материальных потоков (воды, топлива, воздуха, пара, газов), формирующих рабочий процесс котла. Следует отметить, что конструктивные особенности организации рабочего процесса котлов с естественной циркуляцией принципиально близки для всех типов котлов: водотрубных, газотрубных и газотрубно-водотрубных. Действительно, для обеспечения нормального функционирования котла к нему должны подводиться строго определенное количество питательной воды, топлива и воздуха, а отводиться требуемое потребителями количество пара с заданными параметрами и отработавшие в котле дымовые газы. На формирование этих материальных потоков требуются затраты энергии функционально самостоятельных элементов: вспомогательных механизмов, теплообменных аппаратов, систем автоматики, защиты и сигнализации, которые совместно с котлом образуют сложную техническую систему, называемую судовой котельной установкой. При этом основным элементом любой котельной установки служит котел (паровой или с термальным теплоносителем), тип и конструктивные особенности которого определяют состав и характеристики оборудования обслуживающих его систем. Принципиальная обобщенная типовая схема судовой вспомогательной котельной установки с утилизационным контуром приведена на рис. 9.1. На схеме не указаны потребители пара. Объясняется это тем, что работающие в данный момент потребители пара 155 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки полностью определяют текущую паропроизводительность котла и, следовательно, нагрузку котельной установки, т. е. являются ведущим (внешним) звеном в системе «котельная установка — потребители пара». Это означает, что без анализа характерных режимов работы потребителей пара сложно получить представление об эффективности работы судовой котельной установки. Поэтому в процессе изучения судовой котельной установки вначале нужно рассмотреть анализ режимов работы потребителей пара, а затем следует изучить особенности конструктивных решений судовых котлов и их элементов. Рис. 9.1. Типовая схема судовой котельной установки: 1 — циркуляционные насосы; 2 — утилизационный котел; 3 — сепаратор пара; 4 — запасная цистерна котельного топлива; 5 — топливоперекачивающий насос; 6 — расходная цистерна котельного топлива; 7 — фильтр холодного топлива; 8 — топливные насосы; 9 — топливоподогреватель; 10 — фильтр горячего топлива; 11 — вспомогательный котел; 12 — котельный вентилятор ; 13 — питательные насосы; 14 — теплый ящик; 15 — охладитель чистого конденсата; 16 — охладитель грязных конденсатов; 17 — контрольно-смотровая цистерна; 18 — подпиточный насос; 19 — цистерна добавочной воды 156 Котельная установка и потребители пара Анализ характерных особенностей оборудования, обслуживающего котел, целесообразно начинать с ознакомления с принципиальными схемами питательных систем, так как именно их бесперебойная работа обеспечивает высокую надежность котла и, следовательно, всей котельной установки. Далее необходимо изучить принципы действия топливных систем, воздушно-газовых и других систем и, наконец, систем автоматики, защиты и сигнализации. Нормальная эксплуатация современного судна невозможна без низкопотенциальной тепловой энергии водяного пара или органического теплоносителя, вырабатываемого вспомогательными и утилизационными котлами. Это обусловлено необходимостью обеспечения паром (теплом) потребителей СЭУ, а также общесудовых потребителей и технологических нужд при транспортировке грузов. Рис. 9.2. Классификация судовых потребителей пара по назначению 157 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Состав потребителей пара, их конструктивные особенности и технико-экономические характеристики зависят от назначения и района плавания судна, типа и мощности главного двигателя и других факторов. Наиболее употребительной классификацией потребителей пара является их деление по назначению (рис. 9.2). На конкретных типах судов используют только те потребители, применение которых обусловлено назначением судна, типом и мощностью главного двигателя и некоторыми специфическими требованиями. В остальном классификация охватывает практически все основные потребители пара морских транспортных судов. Состав потребителей и их функциональное назначение не могут быть критерием выбора необходимой паропроизводительности без анализа режимов их использования. Под режимами в данном случае следует понимать нагрузку отдельных потребителей во временных интервалах и коэффициенты одновременности их использования. 9.2. Режимы использования потребителей пара Режимы работы потребителей пара, обеспечивающих функционирование СЭУ и общесудовые нужды (без учета технологических нужд), относятся к циклически нерегулярным, имеющим вероятностный характер. Периодичность работы потребителей определяется многими факторами: временем года (погодными условиями); районом плавания судна; местонахождением судна — в море (на ходу) или на стоянке; наличием / отсутствием грузовых операций и многими другими обстоятельствами (рис. 9.3). Рис. 9.3. Схема режимов совместной работы потребителей пара 158 Котельная установка и потребители пара Следует также учитывать, что машинные потребители пара на ходу судна работают с большей нагрузкой и чаще, чем на стоянке. В то же время потребители пара, обслуживающие судовую котельную установку (СКУ), непрерывно работают на стоянке и периодически на ходу судна, так как в это время используется утилизационная установка. Периодичность работы общесудовых потребителей пара также нерегулярна (с переменной нагрузкой) и практически полностью определяется климатическими и погодными условиями, режимами работы главного двигателя и условиями перевозки грузов. Таким образом, вероятностный характер режимов использования потребителей пара однозначно определяет циклически нерегулярный, вероятностный характер изменения нагрузки СКУ в эксплуатации. Иными словами, с позиций автоматического регулирования суммарный расход пара на потребители представляет собой внешнее воздействие на котельную установку. Очевидно, что в таких условиях вахтенному механику затруднительно оценить текущую нагрузку котла при принятии решений по управлению действием СКУ. Вероятностные численные показатели нагрузки могут быть получены только статистическими методами обработки опыта эксплуатации котлов на различных типах судов. В настоящее время на базе опыта эксплуатации современных котельных установок приближенная оценка нагрузок котлов может быть выполнена по данным таблицы, в которой приведены относительные расходы пара отдельных групп потребителей (в процентах от номинальной потребности судна в паре, равной сумме номинальных расходов пара на каждую группу потребителей). Таблица (с. 160–161) составлена на основе имеющихся данных для судов мощностью СЭУ 2000–12000 кВт. Именно этим объясняется достаточно широкий диапазон изменения расходов пара на потребители. Очевидно, что при оценке потребностей конкретного судна в паре расход пара на тот или иной потребитель целесообразно принимать пропорционально мощности СЭУ. 159 160 Пар на форсунки Пар на сажеобдувочные устройства и другие потребители пара котлов 8 9 * 0,2–0,5 ~0,1 0,1–0,3 0,1–0,2 Системы обогрева цистерн отходов сепарации и утечек топлива и масла 5 7 0,2–0,5 Системы обогрева цистерн запасов и отработавшего масла 4 0,2–0,4 1,7–3,9 Подогреватели сепараторов топлива и масла, льяльных вод и топлива перед главным двигателем 3 Подогреватели котельного топлива 0,8–1 Системы обогрева переливных и расходных топливных цистерн 2 Системы обогрева запасных и расходных цистерн котельного топлива 13–18 Системы обогрева запасных и отстойных топливных цистерн 1 6 3 10 Главные паротурбинные установки 0 °+ 20 °С Температура наружного воздуха Выше 20 °С * ~0,1 ~0,1 ~0,1 0,2–0,4 0,1–0,3 0,7–0,8 5–7 2–3 16–20 4 * 0,2–0,5 ~0,1 0,1–0,3 0,2–0,4 ~0,1 0,1–0,2 1–2 2–3 10–18 5 * ~0,1 ~0,1 ~0,1 ~0,1 ~0,1 0,2–0,3 3–6 0,6–1 15–22 6 * 0,2–0,4 ~0,1 0,1–0,2 0,1–0,2 ~0,1 0,1–0,2 1–2 0,1–0,2 7–9 7 * ~0,1 ~0,1 ~0,1 ~0,1 ~0,1 0,1–0,2 4–6 0,4–0,6 10–16 8 на стоянке на ходу на стоянке на ходу на стоянке на ходу ниже 0 °С 2 Потребители пара 1 п/п. № Примерный расход пара И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки ~0,1 161 ** ** 26 Турбоприводы грузовых насосов танкеров 27 Системы обогрева грузовых танков 3–6 ** ** ~0,1 ** ** ~0,1 0,3–0,4 ** ** ~0,1 ~0,1 ~0,1 ** ** ~0,1 – ~0,1 ** ** ~0,1 – ~0,1 ~0,1 – ~0,1 – 0,1–0,2 2–3 ~1 – 8-13 5-6 * 8 28 Системы мойки грузовых танков ** ** ** ** ** ** Системы защиты окружающей среды 29 на танкерах ** ** ** ** ** ** * — данные для судов с дизельными установками; ** — расход пара на технологические потребители пара танкеров определяются специальными расчетами в зависимости от многих специфических факторов. 4–5 ~0,1 24 Системы вентиляции грузовых трюмов 25 Системы защиты окружающей среды 0,1–0,2 Расход пара зависит от типа судна 3–7 – ~0,1 4–6 – ~0,1 ~0,1 – 0,1–0,2 2–3 1–2 – 4-6 5–6 * 7 22 Системы паротушения ~2 1–2 ~0,1 1–2 12–18 3–4 1–2 – 10-16 2–4 * 6 23 Пар на верхнюю палубу 1,5–2 ~0,1 8–10 15–20 2–3 2–3 ~0,1 2–3 2–6 * 5 2–4 6–8 ~0,1 8–12 15–20 3–6 3–8 0,8–1,4 8–16 4–7 * 4 21 Обогрев и продувание бортовой арматуры 13–18 10–15 18 Системы отопления служебных помещений 19 Системы обогрева уравнительных цистерн 20 Системы обогрева балластных цистерн 5–6 8–12 15 Подогреватели питьевой и мытьевой воды 17 Системы кондиционирования воздуха 2,5–3,5 14 Система обогрева цистерн пресной воды 16 Хозяйственно-бытовые нужды 3–5 1–1,5 13 Паровые спутники * 4-7 3 12 Опреснители 2 11 Паровые приводы насосов и турбогенераторы 1 Окончание табл. Котельная установка и потребители пара И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В приведенной таблице рассмотрены три сезона: зима (tвозд ≤ 0 °С), весна и осень (tвозд ≈ 0–20 °С), лето (tвозд > 20 °С) в умеренных широтах. Поскольку количество потребителей в каждой из пронумерованных в таблице строк может быть более двух-трех, при оценке нагрузки котла следует учитывать только работающие потребители данной группы. Проанализировав табличные данные, можно сделать выводы об особенности распределения пара между главными группами потребителей: машинными и общесудовыми. В холодное время (–10 °С < tвозд < 10 °С) расход пара на стоянке на общесудовые нужды в среднем на 30 % больше, чем на машинные. При tвозд > 20 °С расход пара на машинные потребители на 20–25 % выше, чем на общесудовые. На ходу судна расход пара на машинные потребители превышает расход на общесудовые нужды tвозд > –2 °С. Абсолютные расходы пара на эти группы потребителей распределяются следующим образом (рис. 9.4). Видно, что расходы пара на машинные потребители и на стоянке, и на ходу судна во всем диапазоне температур воздуха (–10 °С...+30 °С) практически постоянны и колеблются в среднем около 30–40 % соответственно. В то же время расходы пара на общесудовые потребители и на стоянке, и на ходу резко уменьшаются от ~ 60 % при tвозд ≈ –10 °С до ~4 % при tвозд ≈ 30 °С. Рис. 9.4. Расходы пара на машинные и общесудовые потребители пара в зависимости от температуры наружного воздуха 162 Котельная установка и потребители пара Рассмотренные особенности распределения потребностей в паре между двумя группами потребителей позволяют сделать вывод о существовании тесной корреляционной связи между ними и основными показателями судна: дедвейтом и мощностью главного двигателя энергетической установки. Для сухогрузных судов такая зависимость в общем виде представлена эмпирической формулой Gпотр = 0,25 DW; (9.1) Gпотр = 0,65 DW. (9.2) для танкеров — Более приемлемую оценку потребностей Gпотр, т/ч, в паре судов всех типов (за вычетом потребностей пара на технологические нужды) дает эмпирическая зависимость вида Gпотр = 0,1 DW + 0,25 Ne, (9.3) где DW — дедвейт судна, тыс. т; Ne — мощность главного двигателя, тыс. кВт. Потребности танкеров в паре на технологические нужды оцениваются по формуле Gтехн = 0,4 DW, т/ч. Использование корреляционных зависимостей (9.1)–(9.3) рекомендуется в предпроектных проработках. При проектировании конкретного судна потребность судна в паре уточняется после выбора тепловых мощностей и района плавания судна. При этом предполагается, что все потребители пара работают одновременно в зимнее время (tвозд ≤ –10 °С, см. таблицу (с. 160–161) и рис. 9.4). Определенный таким образом суммарный расход пара на все потребители принимается равным номинальной паропроизводительности вспомогательного котла (или котлов на танкерах). Контрольные вопросы и задания 1. Назовите составляющие принципиальной схемы вспомогательной котельной установки? 2. Какие устройства и механизмы являются основными в паротурбинной установке? 3. Назовите элементы классификация потребителей пара. 163 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 4. Раскройте понятие «коэффициент одновременности». 5. Перечислите общесудовые потребители пара. 6. Перечислите технологические потребители пара. 7. От чего зависит выбор производительности котельной установки для различных режимов работы судна? 8. Укажите перечень «машинных» потребителей пара. 9. Назовите параметры пара для вспомогательных потребителей. 10. В чем состоит влияние погодных условий районов плавания на использование потребителей пара? 164 10. КОНСТРУКЦИИ СУДОВЫХ КОТЛОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ 10.1. Общие сведения о конструктивных особенностях котлов Знания теоретических основ котловых процессов позволяют перейти к рассмотрению характерных технических решений по организации рабочего процесса и обусловленных этими решениями конструктивных особенностей судовых котлов и их элементов. В паротурбинных установках одним из главных элементов следует считать котлы. В приведенных схемах на рис. 10.1–10.3 видно, что все механизмы и устройства паротурбинной установки (ПТУ) связаны с котлом соответствующими системами. Известно, что судоходная индустрия Японии является одним из мировых лидеров в области строительства крупнотоннажных судов и ПТУ. Главный котел генерирует перегретый пар, обеспечивая охлажденным паром вспомогательные потребители. В большинстве установок предусмотрено по два главных котла. Вспомогательные котлы, безусловно, являются важной составляющей энергетических установок дизельных и газотурбинных судов. Как у главных, так и у вспомогательных котлов существует довольно большое разнообразие в части компоновки поверхностей нагрева, но рабочие процессы и назначение главных конструктивных составляющих практически аналогичны. Для паротурбинных установок характерными особенностями является обязательный перегрев пара для главных турбин, получение охлажденного пара для вспомогательных потребителей, наличие деаэратора, в котором не только удаляются растворенные в воде газы, но и аккумулируется питательная вода. 165 Рис. 10.1. Общая схема паротурбинной установки: 1 — цистерна дренажного конденсата; 2 — цистерна дистиллята; 3 — испарительная установка; 4 — деаэратор; 5 — подогреватель питательной воды; 6 — главный паровой котел; 7 — цистерны смазочного масла для главного турбозубчатого агрегата; 8 — топливная цистерна; 9 —турбогенератор; 10 — конденсатор турбогенератор; 11 — гребной винт; 12 — главный турбозубчатый агрегат; 13 — главный конденсатор; 14 — кингстон; 15 — низкотемпературные подогреватели питательной воды; 16 — питательный насос котла И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 166 Конструкции судовых котлов и их элементов Рис. 10.2. Схема паровых и конденсатно-питательных магистралей: 1 — деаэратор; 2 — подогреватель воздуха котла; 3 — пароохладитель; 4 — пароперегреватель; 5, 8 — насосы охлаждающей воды; 6 — конденсатор турбогенератора; 7, 10 — конденсатные насосы; 9 — главный конденсатор; 11 — устройство поддержания вакуума в конденсаторе; 12 — низкотемпературные подогреватели питательной воды Основой любого котла с естественной циркуляцией является корпус котла, представляющий собой совокупность конструктивных элементов, образующих замкнутый объем, разделенный свободным уровнем воды на водяное и паровое пространства, в которых размещены внутрикотловые устройства. 167 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В водотрубных котлах корпус состоит из парообразующих пучков труб (экранов и конвективных пучков) — элементов, обеспечивающих циркуляцию воды (опускные трубы, внутриколлекторные выгородки), пароводяных барабанов и водяных коллекторов, объединяющих все элементы, образуя при этом замкнутый контур циркуляции. Рис. 10.3. Схема подвода пара к главным потребителям: 1 — турбина заднего хода; 2 — турбина высокого давления; 3 — маневровый клапан; 4 — экономайзер; 5 — пароводяной барабан; 6 — форсунки; 7 — отвод охлажденного пара к потребителям; 8 — турбогенератор; 9 — конденсатор турбогенератора; 10 — ГТЗА; 11 — турбина низкого давления; 12 — главный конденсатор Условные обозначения: синим цветом обозначены составляющие конденсатно-питательной магистрали; зеленым — трубопроводы забортной (охлаждающей) воды; красным — паровые трубопроводы; желтым — система смазки турбозубчатого агрегата 168 Конструкции судовых котлов и их элементов В газотрубных и газотрубно-водотрубных котлах объединяющим элементом корпуса является цилиндрическая обечайка с днищами (бочка), разделенная свободным уровнем воды на паровое и водяное пространства, в последнем из которых размещены топочная камера (топка) и пучки парообразующих труб с внутренним или внешним обогревом, а также внутрикотловые устройства, способствующие процессу естественной циркуляции за счет свободной конвекции в большом объеме воды. В элементах корпуса (бочках, коллекторах) предусмотрены отверстия и вырезы под арматуру, лючки и лазы для доступа в паровое и водяное пространства котла. В газоходах котлов, в зависимости от их назначения, кроме обогреваемых элементов корпуса (парообразующие поверхности) могут устанавливаться самостоятельные по функциональному назначению элементы: пароперегреватели, экономайзеры и воздухоподогреватели (все вместе или их комбинации). Для организации процесса сгорания и отвода дымовых газов в дымоход котлы имеют каркасы и обшивку, обеспечивающие также защиту окружающей среды. В газоходах водотрубных котлов в районах размещения элементов поверхностей нагрева предусматривается установка сажеобдувочных устройств. Так как конструктивные решения отдельных элементов котлов обоих типов (водотрубных и газотрубных) достаточно разнообразны, количество разновидностей конструкций судовых котлов того или иного типа достигает нескольких десятков. Поэтому здесь рассмотрены особенности конструкций только трех видов котлов: водотрубного, газотрубного и газотрубно-водотрубного котлов. Различия в конструктивных решениях разновидностей этих котлов подтверждены принципиальными схемами с необходимыми краткими пояснениями. В настоящее время на морских транспортных судах мирового флота количество водотрубных котлов больше, чем газотрубных, газотрубно-водотрубных и они преимущественно выполнены зарубежными производителями. Примечательным является то, что это не всегда зависит от страны, где строится судно. Например, на танкерах, строящихся на Адмиралтейских верфях в Санкт-Петербурге, устанавливались котлы шведской фирмы Aalborg Industries AB. 169 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 10.2. Водотрубные судовые котлы Водотрубные судовые котлы — это котлы, в которых нагреваемая среда находится внутри труб, а греющая — снаружи. По назначению водотрубные котлы подразделяются на главные и вспомогательные. Главные котлы. Главные котлы являются основным элементом паротурбинных установок. Для отечественного судостроения наиболее известные судовые ПТУ были установлены на сухогрузных судах типа «Ленинский комсомол» с котлами КВГ-25 и танкерах типа «София» с котлами КВГ-34. Эти разработки 50-х гг. ХХ в. являлись достаточно эффективными и надежными. Котлы с двумя контурами естественной циркуляции (один пароводяной барабан и два водяных), с хвостовыми поверхностями нагрева и КПД — 93 %. Паропроизводительность составляла 25 и 34 т/ч соответственно, температура перегретого пара — 475 °С. В настоящее время главные котлы строятся только с естественной циркуляцией, вертикальные, однопроточные (по току газов), с пароперегревателями, экономайзерами и воздухоподогревателями. На судах, построенных в Российской Федерации в 70–90-е гг. ХХ в., представителем такого типоразмерного ряда котлов является котел а/л «Севморпуть» (введен в эксплуатацию в 1988 г.). Несмотря на то, что по назначению котел КВГ-5 на судне с ЯЭУ в большей степени можно отнести к вспомогательному оборудованию, в случае необходимости он может обеспечить работу главной турбинной установки. Рассмотрим конструктивные особенности современных однопроточных водотрубных котлов на примере КВГ-5 (котел водотрубный главный, паропроизводительностью 50 т/ч), установленного на а/л «Севморпуть» с ЯЭУ, который может обеспечивать работу главного турбозубчатого агрегата (ГТЗА) при выключенном реакторе (рис. 10.4). Корпус котла представлен одним контуром циркуляции, включающим пароводяной коллектор 3, опускные трубы 12, водяной коллектор 10, и подъемные парообразующие трубы экрана 11 и конвективного пучка 9. За конвективным пучком раз170 Конструкции судовых котлов и их элементов мещен пароперегреватель, вертикальный двухколлекторный (коллекторы: верхний 5 и нижний 8) с пучком труб 7. Насыщенный пар из пароводяного коллектора по сообщительной трубе 4 подводится к верхнему коллектору пароперегревателя. Рис. 10.4. Схема главного котла КВГ-5 а/л «Севморпуть»: 1 — патрубок подвода воздуха; 2 — питательная труба; 3 — пароводяной коллектор; 4 — сообщительная труба; 5, 8 — соответственно верхний и нижний коллекторы пароперегревателя; 6 — воздухоподогреватель; 7 — пароперегреватель, 9 — основной пучок парообразующих труб; 10 — водяной коллектор циркуляционного контура; 11— боковой экран; 12 — опускные трубы; 13 — место установки форсунок 171 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Перегретый пар отводится также из верхнего коллектора 5 через главный стопорный клапан. В водяном коллекторе размещается паровой подогреватель, обеспечивающий требуемый температурный режим котловой воды для поддержания котла в состоянии готовности к быстрому вводу в действие. Питательная труба 2 в пароводяном коллекторе 3 размещена таким образом, чтобы обеспечить надежный подвод воды к опускным трубам, предотвратив попадание в них пузырьков пара, выходящего из подъемных парооборазующих труб. Для улучшения циркуляции в водяном коллекторе установлен обтекатель, улучшающий подвод воды из опускных труб в подъемные. На фронте котла размещены три форсунки 13. Воздух подводится в патрубок 1, омывает часть двойной обшивки котла, поступает в воздухоподогреватель 6, из которого горячий воздух направляется в воздушный короб топочных устройств. На пароводяном коллекторе установлен предохранительный клапан непрямого действия с импульсным клапаном, питательные клапаны и водоуказательные приборы. На коллекторе пароперегревателя размещен предохранительный клапан с импульсным клапаном. В одном корпусе питательного клапана смонтированы разобщительный и невозвратный клапаны. На сообщительной трубе 4 к пароперегревателю предусмотрен клапан выпуска воздуха, необходимый при заполнении котла водой в процессе подготовки его к пуску. Основные характеристики котла КВГ-5: давление пара в котле 2,8 МПа, перегретого пара 2,5 МПа, температура перегретого пара 357 °С, расход топлива 3920 кг/ч, КПД равен 85,6 %, температура питательной воды составляет 105 °С, площадь поверхности нагрева парообразующих труб — 481 м2, пароперегревателя — 422 м2, воздухоподогревателя — 410 м2, объем топки — 34 м3, масса котла сухого — 80 т, с холодной водой — 90 т. Рассмотренный главный котел выполняет, по сути, вспомогательные функции, замещая атомную установку в ходовом режиме при возникновении нестандартных ситуаций. Так, при указанных характеристиках главного котла может быть обеспечена мощность турбинной установки около 4780 кВт и скорость судна до 10 уз, тогда как при полной нагрузке силовой установки мощность составляет 29420 кВт, а скорость — 20 уз. 172 Конструкции судовых котлов и их элементов Главные котлы паротурбинных судов на крупных танкерах постройки 70–80-х гг. прошлого века, имеют ряд принципиальных конструктивных особенностей, по сравнению с однопроточными котлами, рассмотренными ранее. К ним относятся: отсутствие развитого конвективного пучка парообразующих труб (пар генерируется в экранных трубах полностью экранированной топки), потолочное расположение горелок, большие объемы топок, установка промежуточных пароперегревателей и развитых хвостовых поверхностей нагрева в виде экономайзеров и воздухоподогревателей. Котлы имеют высокий КПД (до 97 %) при малых избытках воздуха (α = 1,03– 1,05), большие размеры и высокую стоимость. Параметры пара: давление в котле до 9 МПа, температура перегретого пара 510–515 °С, паропроизводительность достигает 80–100 т/ч. На рис. 10.5 приведена схема компоновки главного котла КВГ 80/80 отечественной постройки для танкеров серии «Крым». Несмотря на то, что эти Рис. 10.5. Схема главного водотрубного котла с промежуточным перегревом суда уже выведены из экспара КВГ 80/80: плуатации, котел явля1 — пароводяной коллектор; ется примером агрегата 2 — боковой экран полностью экранирос промежуточным паропеванной топки; 3 — центральный экран; 4 — экранный коллектор; регревателем. 5 — основной пароперегреватель; «Промежуточный» оз6 — промежуточный пароперегреватель; начает, что пар после про7 — экономайзер; 8 — воздухоподогреватель; хода турбины высокого дав9 — воздуховод ления возвращается в котел в этот пароперегреватель, где температура пара снова повышается до первоначального значения 515 °С. Затем пар направляется в турбину среднего давления. 173 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Современные главные судовые котлы зарубежных фирм отличаются по конструктивной компоновке от рассмотренных выше отечественных котлов. Для зарубежного судостроения наиболее характерными котлами в составе ПТУ можно выделить главные котлы V2M-8 компании Combation Engineering, котлы MB фирмы Mitsubishi Heavy Industries, Ltd, котлы UME фирмы Kawasaki. Такими котлами оборудованы большинство газовозов старой и особенно современной постройки. Котлы V2M-8 (рис. 10.6) имеют следующие рабочие параметры: паропроизводительность 27–34 т/ч, давление в пароводяном барабане 7,0 МПа, а за пароперегревателем 6,5 МПа при температуре перегретого пара 510 °С. Котлы оборудованы газомазутными горелками. Расход жидкого топлива на номинальном режиме 1989 кг/ч, газа 1495 кг/ч. Котлы более поздней постройки оборудованы экономайзером (температура питательной воды 135 °С) и паровым воздухоподогревателем, где воздух нагревается до 122 °С. а) 174 Конструкции судовых котлов и их элементов б) Рис. 10.6. Котел V2M-8 компании Combustion Engeneering: а — вертикальное сечение; б — сечение по А – А Условные обозначения: 1 — экономайзер; 2 — сильфонный компенсатор; 3 — перепускной трубопровод; 4 — пароохладитель для получения охлажденного пара; 5 — подвод воздуха к горелкам; 6 — горелки; 7 — боковой экран; 8, 15 —опускные трубы; 9 — водяной коллектор; 10 — притопочный пучок парообразующих труб; 11 — подовая часть притопочного пучка; 12 — пароперегреватель; 13 — пароохладитель регулировки температуры перегретого пара; 14 — основной пучок парообразующих труб; 16 — отвод к системе инертных газов Верхняя (потолочная) установка горелок существенно улучшила аэродинамику топки и исключила застойные зоны в ней. Вертикальный пароперегреватель сделан двухколлекторным, что резко упростило его обслуживание. Котел V2M-8 водотрубный с двумя барабанами с полностью экранированной топкой. Передняя и задняя и боковая стены топки экранированы трубами диаметром 50,8 × 4,6 мм с шагом 63,5 мм. При этом экранирование передней и задней стенок доходит до последнего ряда пароперегревателя. Сварные плавниковые трубы сварены между собой, образуя газоплотную панель. Полное экранирование и газоплотность позволяют упростить конструкцию обшивки котла за счет исключения двойной обшивки, уменьшения толщины теплоизоляции. Стенки газохода в пределах основного конвективного пучка экранированы такими же трубами, 175 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки но с шагом 101,6 мм, т. е. между трубами приварены пластины с тем, чтобы обеспечить газоплотность. Боковой экран 7 выполнен таким же, как передний и задний, но перед ПВБ трубы разводятся с тем, чтобы обеспечить необходимое расстояние между отверстиями в барабане, в которых крепятся трубы. Притопочный пучок 10 состоит из двух рядов таких же двухдюймовых труб с рядным расположением и шагом 108 мм. Подовая часть труб 11 притопочного пучка имеет необходимый наклон благодаря наклону всего котла, что предотвращает расслоение пароводяной смеси при нагревании труб. Дополнительной мерой борьбы с расслоением и обеспечением циркуляции является нанесение на трубы в нижней части топки слоя огнеупорной обмазки. Оба коллектора пароперегревателя 12 размещены в коробе или закрыты теплоизоляционными матами. Коллекторы имеют плоскую сторону, обращенную к трубам, что позволяет размещать трубы перпендикулярного к поверхности коллектора (в некоторых моделях встречаются и круглые коллекторы). Сделать отверстия под трубки в цилиндрическом коллекторе можно, если их осевые будут перпендикулярны касательной в месте сверления. Непосредственно за пароперегревателем размещен ряд труб с шагом 108 мм, входящий в состав основного испарительного пучка. На них и на трубах притопочного пучка крепятся устройства для удержания труб пароперегревателя от вибрации. Расстояние между трубами притопочного пучка 57,2 мм, т. е. больше диаметра труб пароперегревателя (38,1 мм). Насыщенный пар входит в дальний от топки коллектор паропереревателя, где температурные условия являются более благоприятными для предотвращения накипных отложений в случае заброса влаги из пароводяного барабана при повышении влажности пара. Опускные трубы 8 и 15 размещены за пределами наружной обшивки котла, причем их всего четыре; две в водяной барабан и две в коллектор 9. В котлах V2M-8 водяной коллектор 9 соединяется с ПВБ двумя прямыми трубами такого же диаметра, как и опускные. Трубы экранов передней и задней стенки топки получают воду именно из этих труб, которые одновременно являются коллекторами. Таким образом, эти котлы имеют один контур циркуляции. 176 Конструкции судовых котлов и их элементов В водяном барабане размещен пароохладитель 13 для регулирования температуры перегретого пара, а в ПВБ пароохладитель 4 для получения охлажденного пара. Для доступа в топку и в пазуху ПП предусмотрены лючки, для которых трубы экранов разведены (показано пунктиром). Выше лючка в пазухе показано отверстие для втягивающегося (длинноходового) сажеобдувателя. Котел имеет двухсекционный экономайзер 1. Питательная вода на входе в него имеет постоянную на всех нагрузках температуру 135 °С, т. е. выше температуры точки росы (ТТР) и поэтому низкотемпературная коррозия не развивается. Экономайзер установлен на своем фундаменте и поэтому для компенсации тепловых расширений между ним и котлом предусмотрен сильфонный компенсатор 2. Насыщенный пар отводится из ПВБ в пароперегреватель по трубопроводу 3. Воздух в горелочный короб, где установлены две горелки 6, подается через воздуховод 5. Отбор уходящих газов для системы инертных газов осуществляется после основного конвективного пучка через отвод 16. Котел оборудован четырьмя предохранительными клапанами: двумя на ПВБ, и по одному за пароперегревателем и за экономайзером. Змеевики экономайзера изготовлены из труб диаметром 50,8 с оребрением, выполненным из спиральной ленты с шагом 12 мм и высотой ленты 19 мм. Наиболее распространенными котлами на газовозах LNGC в настоящее время являются котлы производства Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. На газовозах СКФ Grand Aniva и Grand Elena, работающих преимущественно в дальневосточном регионе (пр. «Сахалин 1» и «Сахалин 2»), установлены главные котлы MB-3E производительностью 46,2 т/ч (рис. 10.7). Параметры котла аналогичны для всего ряда котлов этой фирмы. На многих газовозах установлены котлы MB-4E-RS2 производительностью 55,7 т/ч. Главным отличием котлов МВ от V2M-8 является вертикальное положение, а нужный наклон подовых труб котла V2M-8 получен за счет изменения формы подовой части топки. Опускные трубы, показанные на рисунке темно-синим цветом, также размещаются за пределами наружной обшивки котла, 177 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки а поскольку температура воды в них ≈ 283 °C, они имеют тепловую изоляцию. Опуск воды из пароводяного барабана непосредственно в водяной барабан осуществляется всего по двум трубам, как и у предыдущего котла. Топка также полностью экранирована газоплотным экраном из сваренных между собой плавниковых труб. Притопочный пучок включает два ряда труб с коридорным расположением. Пароводяная смесь из этих двух рядов отводится непосредственно в пароводяной барабан. Цветовое обозначение опускных и подъемных труб наглядно на рис. 10.7 показывает, что в котле МВ-4Е, как и в V2M-8, образуется единый циркуляционный контур. а) б) Рис. 10.7. Принципиальная схема расположения элементов главного котла МВ-4Е: а — поперечный разрез; б — вид в плане Паротурбинные установки преимущественно устанавливаются на крупнотоннажных танкерах, включая газовозы. Фирма Kawasaki для таких установок на газовозах дедвейтом 85 тыс. т поставляет котлы паропроизводительностью 50–60 т/ч, с температурой перегретого пара 515 °С и рабочим давлением 6 МПа. Котлы типа UME 68/52 с естественной циркуляцией, с потолочным располо178 Конструкции судовых котлов и их элементов жением трех горелок имеют экономайзеры, воздухоподогреватели и КПД, равный 85 %. Горелки предусматривают возможность использования трех видов топлива: дизельное, мазут и сжиженный природный газ на танкерах LNG. При ходовом режиме судна в форсунках сжигается только газ, а с переходом на маневренный вариант параллельно подключается жидкое топливо. Расход жидкого топлива может быть в пределах 115–1780 кг/ч, расход газа 200–1470 кг/ч. Вспомогательные котлы. Вспомогательные водотрубные котлы отличаются конструктивными решениями отдельных элементов. В то же время рабочий процесс в них ничем не отличается от рассмотренных ранее главных водотрубных котлов. Корпус вспомогательного водотрубного котла образует, как правило, один контур циркуляции: пароводяной коллектор – опускные трубы – водяной коллектор – подъемные (парообразующие) трубы. Отечественной промышленностью вспомогательные водотрубные котлы выпускаются с 50-х гг. XX в., начиная с котлов марок КВВ, КВС, КВВА и заканчивая типоразмерным рядом котлов марки КАВ, которые строятся и в настоящее время. Паропроизводительность котлов этого ряда составляет 1,6–16,0 т/ч при давлении пара 0,5–1,6 МПа. Компоновка котла КАВ мало отличается от более ранних моделей отечественных водотрубных котлов, это двухколлекторный однопроточный котел, корпус которого образован одним контуром циркуляции: пароводяным коллектором, опускными трубами, водяным коллектором, подъемными трубами экрана и конвективного пучка. В котлах большой паропроизводительности (до 16 т/ч) возможно применение воздухоподогревателя или экономайзера. Котлы типа КАВ полностью автоматизированы и рассчитаны на обслуживание без постоянной вахты. Кроме ранее рассмотренных котлов, отечественной промышленностью выпускались вспомогательные водотрубные котлы типа КВ большой паропроизводительности для специализированных крупнотоннажных судов. Как и у котлов типа КАВ, корпус котла типа КВ образован одним контуром циркуляции. Котел двухколлекторный с односторонним ходом газов, состоит из 179 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки унифицированных узлов топки, конвективных пучков парообразующих труб, пароводяного и водяного коллекторов, пароперегревателей и хвостовых поверхностей нагрева, с паромеханическими форсунками. Первым в этой серии был котел КВ35, установленный на танкерах типа «Крым» в качестве вспомогательного в полуторакотельной установке с одним главным котлом КВГ 80/80. Паропроизводительность котла 35 т/ч, пар насыщенный давлением 2,65 МПа, КПД составляет 85 %. Компоновка котла представляет собой традиционную для отечественного котлостроения. Для последующих танкеров этой серии построены модернизированные котлы типа КВ35-1, отличающиеся от КВ35 наличием двухсекционного змеевикового пароперегревателя в газоходе за конвективным пучком парообразующих труб. Вертикальный воздухоподогреватель — одноходовой. КПД котла составляет 91 % при такой же паропроизводительности. На рис. 10.8 приведены принципиальные схемы различных модификаций вспомогательных котлов типа КВ. Так, в котлах типа КВ1, установленных на балктанкерах, вместо пароперегревателя установлен двухсекционный экономайзер. Воздухоподогреватель двухсекционный, каждая секция трехпроточная по ходу газов. Благодаря развитой поверхности нагрева воздухоподогревателя, КПД котла достигает 95 %, паропроизводительность — 35 т/ч, давление насыщенного пара — 2,5 МПа. Отсутствие пароперегревателя в котле КВ1 потребовало его модернизации, в результате чего появился котел КВ1-1, в котором за конвективным пучком установлен двухколлекторный вертикальный пароперегреватель вместо экономайзера. КПД котла КВ1-1 на 2 % ниже, а паропроизводительность на 5 т/ч меньше, чем у котла КВ1. Котлы КВ2 являются еще одной модификацией котлов КВ. Основной их конструктивной особенностью является применение двухколлекторного петлевого пароперегревателя и односекционного воздухоподогревателя одноходового по воздуху и газу. Паропроизводительность — 25 т/ч при давлении пара 1,75 МПа и КПД 84 %. 180 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) в) г) Рис. 10.8. Принципиальные схемы вспомогательных водотрубных котлов типа КВ: а — КВ35-1; б — КВ-1; в — КВ1-1; г — КВ-2 Условные обозначения: 1 — воздухоподогреватель; 2 — змеевиковый пароперегреватель; 3 — водоподогреватель; 4 — экономайзер На ледоколах типа «Арктика» (предыдущее — второе поколение) с ЯЭУ установлены вспомогательные котлы КВВА12/28М (рис. 10.9). Производительность котла — 12 т/ч, давление — 2,8 МПа, температура перегретого пара — 343 °С. Котел имеет один контур естественной циркуляции, включающий пароводяной барабан 5, водяной барабан 10 и два пучка труб, соединяющих их между собой. На новом л/к «Арктика», пр. 22220, установлены котлы КАВ 10/7, имеющие аналогичную компоновку труб циркуляционного контура. В период вывода из работы реакторов котлы обеспечивают насыщенным паром вспомогательные, хозяйственно-бытовые потребители, имея паропроизводительность 10 т/ч при рабочем давлении 0,65 МПа. В котле КВВА 12/28 питательная вода поступает в ПВБ по трубе б, откуда, смешавшись с имеющейся в нем водой, поступает в опускные трубы 8, по которым опускается вниз, т. е. в водяной барабан. В рассматриваемом котле количество опускных труб значительно — 92 шт., они скомпонованы в три ряда. Опускные трубы не обогреваются и расположены за экранными трубами 7. Как и в котле КВГ-5, они образуют сплошную стенку, т. е. экран, благодаря чему предотвращен обогрев опускных труб излучением из топки. 181 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 10.9. Вид котла КВВА12/28М в разрезе: 1 — пучок парообразующих (испарительных) труб; 2 — патрубок подвода воздуха; 3 — пароперегреватель; 4 — воронка верхнего продувания; 5 — пароводяной барабан; 6 — подвод питательной воды; 7 — экранные трубы; 8 — опускные трубы; 9 — фасонные кирпичи; 10 — водяной барабан; 11— кирпичная кладка Вблизи ПВБ и водяного барабана экранные трубы разводят для того, чтобы на барабанах между отверстиями было достаточное расстояние для вальцовки. Общее количество подъемных труб в испарительном пучке 1 и экране — 710 шт. Передняя и задняя стенки топки покрыты огнеупорными кирпичами 11. Амбразура горелки образуется четырьмя фасонными огнеупорными кирпичами 9. 182 Конструкции судовых котлов и их элементов В котле КВВА12/28 применено двухфронтовое отопление, т. е. на переднем и заднем фронте соосно установлено по одной горелке. Передним фронтом котла является та сторона, где расположены водоуказательные приборы. Воздух для сжигания топлива подается котельным вентилятором в межобшивочное пространство переднего фронта через патрубок 2, одна его часть идет к передней горелке, другая по боковому пространству — к горелке заднего фронта. Пространство между внутренней и наружной обшивкой для котлов с неполным экранированием топки позволяет исключить протечки продуктов сгорания в машинно-котельное отделение при неплотности внутренней обшивки. Следует отметить, что давление воздуха в межобшивочном пространстве выше, чем давление в топке, на величину аэродинамического сопротивления горелок, поэтому продукты сгорания не могут попасть в МКО. Кроме того, при такой схеме легче снизить температуру наружной обшивки котла. Внутри ПВБ установлены устройства для снижения влажности выходящего из него пара. Там же находится воронка верхнего продувания 4 для удаления части котловой воды с целью снижения ее солесодержания и удаления пены. Пар из ПВБ поступает в пароперегреватель 3, где нагревается от температуры насыщения 230 °С до температуры 343 °С. Размещение пароперегревателя за испарительным пучком является особенностью этого котла. Обычно здесь размещают хвостовые поверхности нагрева: экономайзер и воздухоподогреватель, позволяющие снизить температуру уходящих газов и, следовательно, повысить экономичность котла. В рассматриваемом случае пароперегреватель не может выполнить такой задачи, так как температура подогреваемой в нем среды выше, чем температура пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева. Следовательно, температуру уходящих газов при равных температурных напорах невозможно снизить по сравнению с вариантом без пароперегревателя. Несмотря на наличие устройств для снижения влажности, пар из ПВБ выходит с влажностью не менее 0,1 %. Состав вспомогательных котельных установок на атомных судах практически аналогичен вариантам для дизельных судов (рис. 10.10). 183 Рис. 10.10. Принципиальная схема вспомогательной котельной установки л/к «Таймыр» И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 184 Конструкции судовых котлов и их элементов На рис. 10.10 приняты следующие условные обозначения: 1 — тепый ящик ВКУ; 2 — питательный электрический насос (3 шт., один — резервный); 3 — подогреватель питательной воды (2 шт.); 4 — редукционный клапан 30/0,8 кг/см2; ПК — питательный клапан (2 шт.), предотвращает обратное движение воды из котла при падении давления в напорно-питательной магистрали; РУ3 — автоматическое регулирующее устройство уровня воды (h); 5 — предохранительный клапан на давление 1 кг/см2; 6 — стопорный клапан; 7 — стопорный невозвратно-запорный клапан (автоматически закрывается при снижении давления в котле ниже давления в паропроводе); 8 — котел; 9 — расходная топливная цистерна (емкость 2 × 4 т); 10 — быстрозапорный клапан с дистанционным приводом; 11 — щелевой фильтр; 12 —топливный электрический насос (3 шт., один — резервный); 13 — пульт системы автоматического регулирования горения; 14 — быстрозапорный клапан; 15 — горелка котла; 16 — дроссельное устройство для подачи пара на распыление топлива; 17 — (РП) регулятор перепада давления для слива избытка топлива (2 шт.); 18 —невозвратно-запорные клапаны; 19 — воронка для слива отстоя; 20 — охладитель конденсата греющего пара; ВЗ — воздушная заслонка; РУ2 — регулирующее устройство подачи воздуха. Водотрубные котлы зарубежной постройки. Наиболее представительным типом являются котлы фирмы «Мицубиси». Ежегодно выпускается более 100 единиц. Типоразмерный ряд вертикальных водотрубных котлов этой фирмы 20–110 т/ч. Примечательным является двухпроточный по ходу газов вариант (рис. 10.11). Горизонтальная перегородка в центре пучка парообразующих труб обеспечивает движение газов в сторону от топки, а затем поворот на 180° и выход газового потока вверх. Это показано на приведенном рисунке красными стрелками. Котел производительностью 20 т/ч насыщенного пара при рабочем давлении в пароводяном барабане 1,6 МПа имеет одну горелку. Вертикально расположенная форсунка с максимальным расходом топлива 1552 т/ч паромеханического типа для распыла топлива может использовать и воздух. Котел не имеет хвостовых поверхностей и его КПД составляет 80,5 %. Температура питательной воды 60 °С. Масса воды в котле 10 т, а котла без воды — 26 т. Таким 185 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки образом, следует отметить, что относительное водосодержание такого котла равно 0,5, что для водотрубных котлов достаточно характерно и требует надежной системы автоматического регулирования и защиты по уровню воды в котле. Топка котла полностью экранирована и внутренняя стенка экрана в верхней части газоплотная, направляющая газовый поток к выходу. В пароводяном барабане у выходного патрубка имеется паросепарационное устройство для дополнительного осушения выходящего пара. Выход Выход газа пара 1 2 3 Подвод воздуха к горелке Паровой (пароводяной) барабан 4 5 9 Поток уходящих газов Топка 6 8 Водяной барабан 7 Рис. 10.11. Вспомогательный котел фирмы «Мицубиси»: 1 — форсунка; 2 — воздушный короб; 3 — сепаратор (осушитель) пара; 4 — парообразующие трубки; 5 — сажеобдувочные устройства; 6 — горизонтальная перегородка; 7 — трубы экрана переднего фронта; 8 — трубная часть экрана между топкой и основным пучком; 9 — разделительная стенка из экранных труб Вспомогательные водотрубные котлы производятся в Германии, Финляндии, Дании, США, Великобритании и других странах. Рабочие процессы в водотрубных котлах зарубежной постройки 186 Конструкции судовых котлов и их элементов такие же, как и в отечественных, хотя конструктивные решения многих их элементов имеют существенные различия. В течение последних 15–20 лет получили широкое распространение котлы цилиндрического исполнения. Рассмотрим отдельные оригинальные конструктивные решения этих котлов. Финской фирмой «Раума-Репола» разработан типоразмерный ряд вертикальных цилиндрических водотрубных котлов с естественной циркуляцией типа UNEX NA паропроизводительностью 1–10 т/ч (пар насыщенный) давлением 0,7 МПа и КПД около 85 %. Котел (рис. 10.12) состоит из пароводяного 2 и водяного 6 коллекторов с прямоугольным поперечным сечением, изготовленных в виде колец, в которых закреплены два ряда труб: первый кольцевой экран топочной камеры 3 образует цилиндрическую камеру сгорания (это подъемные трубы), второй — опускные трубы 4. Агрегатированное топочное устройство 1 типа «Монарх» установлено в верхней части топки по оси котла (факел направлен вниз). Огнестойкая футеровка закрывает центральный проем Рис. 10.12. Схема вспомогательного нижнего (водяного) тороидаль- водотрубного котла типа UNEX NA: 1 — агрегатированное топочное ного коллектора, образуя так устройство; 2 — пароводяной коллектор; 3 — кольцевой называемый под топки. Дымоэкран топочной камеры; вые газы движутся от центра 4 — внешний кольцевой топки к каркасу обшивки котла, герметичный экран; 5 — дымоход; 6 — водяной коллектор омывают парообразующие трубы и отводятся в дымоход 5. Еще одним вариантом котлов зарубежных фирм является вспомогательный водотрубный вертикальный котел типа AQ-9 (рис. 10.13). 187 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 10.13. Схема водотрубного котла AQ-9 фирмы Aalborg: 1 — экранный коллектор; 2 — агрегатированное топочное устройство; 3 — нижняя трубная доска промежуточной пароводяной камеры; 4 — верхняя трубная доска промежуточной водяной камеры; 5 — пучок парообразующих труб; 6 — верхний пароводяной коллектор; 7, 8 — соответственно длинные и короткие связи; 9 — промежуточная пароводяная камера; 10 — верхние концы экранных труб; 11 — опускные трубы; 12 — трубы экрана; 13 — дымовой патрубок; 14 — перегородка из парообразующих труб Известной зарубежной фирмой Aalborg разработан типоразмерный ряд вертикальных водотрубных котлов паропроизводительностью 10–35 т/ч с давлением пара 0,7–1,8 МПа на базе газотрубно-водотрубного котла AQ-3. Подобная компоновка элементов котла позволяет обеспечить высокую степень сухости пара за счет увеличения высоты и объема парового пространства. Большой объем парового пространства позволяет использовать котлы AQ-9 в качестве парового сепаратора в утилизационных контурах. Указанные особенности котлов данного типа приближают их 188 Конструкции судовых котлов и их элементов к водотрубным двухколлекторным котлам традиционной компоновки по основным технико-экономическим показателям при сохранении определенных положительных свойств газотрубно-водотрубных котлов. Котел состоит из полностью экранированной топки цилиндрической формы. Трубы экрана 12 с наружной стороны защищены обшивкой сварной конструкции, к которой крепится изоляция котла. Нижние концы труб экрана ввариваются в экранный коллектор 1 тороидальной формы. Верхние концы экранных труб 10 ввариваются в нижнюю трубную доску 3 промежуточной пароводяной камеры 9 тороидальной формы с прямоугольным сечением, образующей цилиндрический канал для отвода газов из топки в конвективный пучок парообразующих труб 5, закрепленных в трубных досках 4 промежуточной пароводяной камеры 9 и верхнего пароводяного коллектора 6. Конвективный пучок закрыт газонепроницаемой обшивкой, в которой находятся лючки для доступа в газоход при очистке от наружных отложений. Для спирального движения газов в пучке труб предусмотрены выгородки, состоящие из парообразующих труб, сваренных между собой с помощью специальных плавников 14. Отработавшие газы из котла отводятся через дымовой патрубок 13. Для обеспечения жесткости плоских трубных досок устанавливаются длинные 7 и короткие 8 связи. Под топки выполнен из огнеупорных кирпичей, покрытых слоем огнеупорной обмазки. Котел оснащен агрегатированным топочным устройством 2 с ротационной форсункой «Сааке». В котле оригинально решена проблема обеспечения эффективной естественной циркуляции — из пароводяного коллектора 6 вода по опускным трубам 11 подается в экранный коллектор 1, откуда по подъемным экранным трубам поступает в промежуточную пароводяную камеру 9 в виде пароводяной смеси, а из нее в подъемные парообразующие трубы 5, в которых происходит дополнительное образование пара, что увеличивает движущий напор циркуляции. В начале XXI в. в составе российского флота появились специализированные суда для транспортировки углеводородов предназначенные преимущественно для обслуживания шельфовых 189 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки месторождений, при этом в северных широтах работа системы теплоснабжения в судовых СЭУ становится достаточно важной составляющей. На дизельных танкерах и газовозах устанавливаются большие котлы цилиндрической формы с потолочным или фронтальным расположением топочных устройств. На рис. 10.14 показаны два вида разрезов вспомогательного котла танкера южнокорейской постройки «Капитан Готский», который наряду с однотипными т/х «Василий Динков» и «Тимофей Гуженко» с 2008 г. приступил к выполнению челночных рейсов: Мурманск – Варандей – Мурманск с доставкой сырой нефти. Вспомогательный паровой котел Mission фирмы Aalborg имеет достаточно простую конструкцию с прямыми вертикальными трубами. Два барабана цилиндрической формы: пароводяной 2 и водяной 9, сообщены между собой обогреваемыми испарительными трубами. Опускные трубы 6 большего размера необогреваемые, так как расположены за испарительными, образующими конструктивно сплошную стенку. Топочное устройство 17 с потолочным расположением, размещенное в средней части пароводяного барабана, образовано расположенными в виде сплошной стенки 4 вертикальными испарительными трубами и имеет форму, близкую к цилиндрической. В нижней части топки в стенке из испарительных труб, прилегающих к основному пучку труб 12 образован фестон для прохода газов. Таким образом, образующиеся от горящего топлива газы через разреженную часть труб, которая является конвективной поверхностью нагрева котла с оребренными трубами, попадают в межтрубное пространство пучка 13. Для контроля за процессом горения и доступа в топку в процессе обслуживания предусмотрен лючок 3. Для чистки топки и осмотра газохода служат лазы 7 и 14. На схеме котла видно, что для обеспечения доступа в топку перед лючком 7 экранные трубы разведены. Плоские верхние и нижние днища пароводяного и водяного барабанов снабжены вертикальными связями 11. Доступ в пароводяной и водяной барабаны обеспечивается через лазы 16 и 10. Подовая часть топки 5 покрыта тепловой изоляцией. Цифрой 1 показан подвод воздуха к форсунке, а 15 выход уходящих газов. 190 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) Рис. 10.14. Вспомогательный котел «Мission»: а — продольный разрез; б — поперечный разрез Условные обозначения: 1 — патрубок подвода воздуха к форсунке; 2 — пароводяной барабан; 3 — смотровой лючок; 4 — экранные парообразующие трубы; 5 — топка; 6 — опускные трубы; 7 — лаз для доступа в топку; 8 — разводка труб (фестон) для доступа в топку; 9 — водяной барабан; 10 — лаз для доступа в водяной барабан; 11 — вертикальные связи; 12 — фестон для прохода газов; 13 — основные парообразующие трубы с оребрением; 14 — лаз для доступа в газоход; 15 — выход уходящих газов; 16 — лаз для доступа в пароводяной барабан; 17 — форсунка На судне установлены два котла паропроизводительностью по 16000 кг/ч. Рабочее давление пара 1 МПа, температура насыщенного пара 183 °С. Расход топлива в зависимости от нагрузки мо191 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки жет быть 150– 1140 кг/ч. Топочное устройство позволяет использовать как дизельное (МДО), так и тяжелое топливо (HFO). В случае применения тяжелого топлива, например, IFO-380, требуется его подогрев до 145 °С для получения необходимой вязкости. На паромеханическую форсунку расходуется около 60 кг/ч пара. Цилиндрические котлы более компактны с позиций размещения в машинном котельном отделении (МКО). Рассматриваемый тип котла высотой 8810 мм диаметром 3070 мм имеет массу с водой 29,6 т, без воды — 20,5 т. В зависимости от высоты пароводяного пространства форсунка может быть длиной до 2000 мм (см. фото на рис. 10.15). Рис. 10.15. Фото форсунки вспомогательного котла «Миссион» На рис. 10.16 показаны способы крепления котла к фундаменту. Жесткие опоры (рис. 10.16, б) имеют сварную конструкцию, а подвижные (рис. 10.16, а) крепятся болтовыми соединениями, что позволяет регулировать необходимый зазор для теплового расширения. 192 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) Рис. 10.16. Опоры вспомогательного котла: а — подвижная; б — неподвижная Котлы такого же типа (Мission OL) установлены на газовозе «Великий Новгород) постройки 2013 г. Газовоз грузовместимостью 170 000 м3, имеет четыре главных двигателя: 2 × 7200 кВт, 2 × 8700 кВт. Газовоз — LNG и, следовательно, основным топливом является СПГ. Два вспомогательных котла по 15000 кг/ч с рабочим давлением 0,85 МПа. Температура питательной воды 85 °С, расход газового топлива на номинальном режиме работы котла составляет около 18860 кг/ч. Кроме газа может использоваться жидкое топливо вязкостью до 600 сСт (при 50 °C). В этом случае в качестве распыливающей среды используется насыщенный пар. Важно отметить, что в состав котельной установки данного газовоза входят также четыре утилизационных котла, использующие теплоту отработанных газов главных дизель-генераторов. Вспомогательные котлы поддерживаются в горячем резерве и подключаются, когда, например, главные двигатели переходят на частичную нагрузку и падает паропроизводительность утилизационных. Поскольку парообразующие поверхности имеют оребрение со стороны газового потока, инструкции по обслуживанию котлов требуют обдувку труб паром с рабочим давлением при нагрузке не менее 50 %. Это предписывается выполнять ежесуточно, а в период профилактических (ремонтных) работ газовый тракт основного пучка должен промываться горячей водой с применением, в случае необходимости, специальных химических препаратов. 193 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В 2018 г. был сдан в эксплуатацию первый танкер для транспортировки жидких нефтепродуктов «Проспект Гагарина» с использованием в качестве топлива сжиженного природного газа. При этом, как отмечалось ранее, два вспомогательных котла имеют аналогичную с «Мission» цилиндрическую конструкцию. Отличием является горелочное устройство, в котором сжигается как жидкое, так и газообразное топливо. Вспомогательные котлы цилиндрического исполнения установлены на судах-газовозах типа «Кристоф де Маржери». Компоновка поверхности нагрева и пример оребрения труб показаны на рис. 10.17. Первое судно этой серии танкеров LNGC с усиленным ледовым классом (Arc 7), построенное в 2017 г. в Южной Корее, имеет грузовместимость 172845 м3 дедвейтом 80181,7 т. Длина судна — 259 м, ширина — 50 м, осадка — 13 м. Может развивать скорость до 21 уз. Эти газовозы, предназначеные для перевозки LNG, имеют судовую установку, где основным топливом является сжиженный природный газ. а) б) Рис. 10.17. Вспомогательный котел судов типа «Кристоф де Маржери» с элементами оребрения парообразующих труб: а — горизонтальный разрез; б — продольный разрез 194 Конструкции судовых котлов и их элементов Как отмечалось ранее, в качестве основного топлива на таких судах используется испаряющаяся часть груза (BOG), а для балластного перехода специально резервируется часть газа. Система электродвижения обеспечивается четырьмя главными дизель-генераторами и движительными устройствами типа Azipod, которые могут поворачиваться на 360°, что позволяет двигаться в процессе рейса как носом, так и кормой вперед. При этом движение судна в грузу в ледовых условиях кормой вперед оказывается более эффективным. Четыре двухтопливных двигателя фирмы «Вяртсиля», мощностью 11700 кВт каждый, с температурой уходящих газов около 370 °С обеспечивают применение утилизационных котлов для каждого двигателя. Котлы имеют паропроизводительность по 3000 кг/ч с рабочим давлением 0,7 МПа типа Aalborg газотрубного исполнения (XS-7V). Кроме того, утилизационными котлами оснащены два вспомогательных дизель-генератора, каждый из которых имеет паропроизводительность 2000 кг/ч и рабочее давление 0,7 МПа. Все утилизационные котлы не имеют автономных сепараторов пара. Два вспомогательных котла Aalborg паропроизводительностью по 35000 кг/ч при давлении 0,7 МПа снабжены топочными устройствами двухтопливного варианта. Температура питательной воды составляет 80 °С. При работе на жидком топливе его расход составляет 350–2440 кг/ч в зависимости от нагрузки. Массовый расход газового топлива (BOG) 412–2882 кг/ч. Вспомогательные котлы работают так же, как паросборники (сепараторы) для утилизационных котлов. Количество образующихся BOG оценивается 388–3888 кг/ч с содержанием метана до 100 %. В системе теплоснабжения предусмотрены три подогревателя органического теплоносителя (термомасло). Нагрев теплоносителя производится паром. Температура термомасла составляет 93 °С на входе и 130 °С на выходе, расход пара — 9–13 т/ч при давлении 0,7 МПа. Термомасло как теплоноситель идет в систему кондиционирования на обогрев помещений грузовых компрессоров, помещений для палубных устройств, аварийного ДГ и для других вспомогательных нужд. 195 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Безусловно, здесь невозможно привести описание всех вариантов конструктивного исполнения главных и вспомогательных водотрубных котлов, которые находят применение в практике судостроения. Однако основные направления компоновки поверхностей нагрева отражены достаточно полно с учетом перспективных решений для современных котлов. Следует отметить, что в настоящее время значительно сокращены объемы применения в котлах кирпичной кладки, устанавливаются надежные вспомогательные механизмы, возрастает уровень автоматизации с применением систем контроля большого количества параметров. Особо значимым направлением развития судовых котельных установок является решение вопросов, связанных с предотвращения загрязнения окружающей среды. 10.3. Газотрубные судовые котлы Газотрубные котлы применяют только в качестве вспомогательных. Несмотря на то, что у газотрубных котлов сравнительно низкие показатели безопасности, они продолжают успешно эксплуатироваться на судах и, по отзывам судовых механиков, являются достаточно простыми и удобными в обслуживании. К тому же они обладают высокой надежностью при соблюдении инструкций по технической эксплуатации. По конструктивному исполнению применяется две разновидности газотрубных котлов: вертикальные и горизонтальные по направлению газового потока. Вертикальные газотрубные котлы. Количество модификаций газотрубных котлов тоже достаточно велико и рассматривать их все нет необходимости, поскольку характер реализации рабочего процесса в них одинаков: процесс парообразования в них происходит в большом объеме, а циркуляция воды осуществляется за счет свободной конвекции. Вертикальные газотрубные котлы выпускаются многими зарубежными фирмами. В ХХ в. наибольшую известность получили котлы типа: «Линдхольмен», «Кохран», «Спеннер», UNEX CH и др. На рис. 10.18 приведены принципиальные схемы компоновок этих котлов. 196 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) в) Рис. 10.18. Схемы компоновок вертикальных газотрубных котлов: а — котел «Линдхольмен»; б — котел типа UNEX CH-3800; в — котел типа «Кохран» Условные обозначения: 1 — цилиндрический корпус (бочка); 2 — дымовая коробка; 3 — дымогарные трубы; 4 — верхнее плоское днище; 5 — топочная камера; 6, 7 — соответственно полусферическое и нижнее днище; 8 — кницы; 9, 11 — патрубок; 10 — кольцевая опора; 12 — кольцевая питательная труба Рассмотрим конструктивные особенности огнетрубного котла типа UNEX CH-3800 постройки финской фирмы «Раума-Репола». Паропроизводительность котла 3800 кг/ч при рабочем давлении составляет 0,7 МПа. Котел состоит из цилиндрического корпуса (бочки) 1 диаметром 2200 мм, высотой 4800 мм и толщиной стенки 11 мм. В верхнее днище толщиной 16 мм вварена дымовая коробка 2, нижний торец которой является трубной доской для вертикальных дымогарных труб 3. Цилиндрическая топочная камера 5 полностью омывается водой. Верхнее плоское днище 4 камеры служит трубной доской для дымогарных труб, нижнее полусферическое днище 6 с помощью радиальных книц 8 с вырезами для циркуляции воды прикреплено к нижнему днищу 7 котла сваркой. Кницы 8 пропущены через специальные вырезы в днище и приварены к нему угловыми швами с наружной стороны. В центре нижнего выпуклого днища камеры вварен патрубок 9 для отвода топлива или гудрона, а также воды при обмывке газовой стороны поверхностей нагрева. Сбоку в бочку котла и топочную камеру вварен патрубок 11 с фланцем для установки топочного устройства. К нижнему днищу корпуса 197 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки приварена кольцевая опора 10. В корпусе предусмотрены необходимые вырезы под лазы и приварыши для крепления арматуры и трубопроводов. Кольцевая питательная труба 12 размещена над топочной камерой по ее периферии. Использование книц для крепления топочной камеры делает конструкцию котла излишне жесткой, что обусловливает появление усталостных повреждений его элементов. Однако, из-за большой массы и различной формы верхнего и нижнего днищ топочной камеры, нагрузка на дымогарные трубы слишком велика, и поэтому устанавливать кницы или короткие связи необходимо. Указанный недостаток отсутствует у вертикальных газотрубных котлов типа «Кохран» со сферической полностью охлаждаемой топочной камерой и горизонтальными дымогарными трубами (см. рис. 10.18, в). С целью интенсификации теплоотдачи от газов к стенкам в дымогарных трубах устанавливают специальные завихрители в виде ленточных или простых пружин (как в котлах «Спеннер») или специальные дымогарные трубы типа «свирлифло» (винтообразно закручены). Горизонтальные газотрубные котлы. Наиболее известными горизонтальными газотрубными котлами являются шотландские котлы, компоновка которых остается неизменной практически с момента начала интенсивной эксплуатации парового флота. Однако в настоящее время шотландские котлы остались только на старых судах постройки 60–70-х гг. XX. Простота конструктивных решений и рабочего процесса горизонтальных газотрубных котлов не требует подробного описания, а особенности их компоновки хорошо видны на принципиальных схемах (рис. 10.19 и 10.20). На современных судах газотрубные котлы получают распространение в качестве утилизационных, выполненных в вертикальном варианте. Ввиду меньшего количества газотрубных котлов на морских судах и отсутствия значительных конструктивных усовершенствований нет необходимости детализировать их особенности. При значительно большем относительном водосодержании газотрубные котлы по сравнению с водотрубными имеют как преимущества, так и недостатки. 198 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) в) Рис. 10.19. Схемы компоновок горизонтальных газотрубных котлов: а — шотландский оборотный; б — типа «Стимблок-200»; в — отечественный типа КВА Условные обозначения: 1 — корпус котла; 2 — длинные связи; 3 — дымогарные трубы; 4 — огневая камера; 5 — короткие связи; 6 — жаровая труба Рис. 10.20. Принципиальная схема трехходового газотрубного котла 199 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Простота компоновки основных элементов снижает трудозатраты на чистку поверхностей нагрева, а высокое водосодержание делает более надежным контроль за системой питания котла. К существенным недостаткам газотрубных котлов следует отнести относительно высокие массогабаритные показатели. 10.4. Газотрубно-водотрубные судовые котлы Многообразие конструктивных решений газотрубно-водотрубных котлов требует их подробного рассмотрения. Действительно, если газотрубная часть этих котлов всех модификаций практически не отличается от собственно газотрубных котлов (топочная камера размещается в нижней части корпуса котла), то их водотрубная часть может быть представлена различными элементами: от гладкотрубных пучков до ошипованных патентованных элементов «Санрод». Ведущее положение по частоте применения на судах занимают вспомогательные вертикальные газотрубно-водотрубные котлы с пучками гладких парообразующих труб типа AQ-3, VX и др. (рис. 10.21). Цилиндрический корпус разделен на две части: нижнюю 5, заполненную водой, и верхнюю 1 — пароводяную. Обе части соединены между собой пучком парообразующих труб 2. В нижних частях размещены топочные камеры 6 колоколообразной формы. Дымовые газы из камер через огневые патрубки 4 поступают в огневые коробки 8, откуда с помощью направляющих листов 11 распределяются в междутрубном пространстве таким образом, что они равномерно омывают все парообразующие трубы 2, откуда газы через дымовую коробку 7 отводятся в дымоход. Необходимо обратить внимание на различия в конструктивных решениях пучка парообразующих труб, имеющих принципиальное значение для обеспечения надежной циркуляции воды. Так, в котлах AQ-3 для этой цели предусмотрены две опускные обогреваемые трубы 9 большого диаметра, гидравлическое сопротивление которых ничтожно мало. Вода, подаваемая через питательную трубу в верхнюю часть корпуса по периферии трубной доски, надежно заполняет нижнюю часть котла. Еще более успешно эта 200 Конструкции судовых котлов и их элементов задача решена в котлах «Зосен» японской корпорации «Хитачи», в которых вместо опускных труб предусмотрена одна подъемная труба 10 большого диаметра в центре трубного пучка над топочной камерой, где интенсивность парообразования максимальна и движущий напор циркуляции наибольший. Очевидно, что в котлах VX польской постройки, в трубных пучках которых использованы только трубы малого диаметра, процесс циркуляции будет затруднен (особенно на больших нагрузках котла) вследствие большого гидравлического сопротивления опускных труб малого диаметра. Более того, в некоторых модификациях котлов VX (например, VX125) газовый патрубок 4 расположен в центре трубного пучка, что смещает восходящий поток пароводяной смеси к периферии, где идет нисходящий поток воды, тем самым ухудшая циркуляцию воды. а) б) в) Рис. 10.21. Принципиальные схемы газотрубно-водотрубных котлов: а — AQ-3; б — «Зосен»; в —VX Условные обозначения: 1 — пароводяная часть цилиндрического корпуса; 2 — парообразующие трубы; 3 — корпус; 4 — газовый патрубок; 5 — нижняя часть цилиндрического корпуса (водяное пространство); 6 — топка; 7 — газоход; 8 — огневые коробки; 9 — обогреваемые трубы большого диаметра (опускные); 10 — парообразующая труба большого диаметра; 11 — направляющие листы На морских судах, включая танкеры, построенные на заводе «Адмиралтейские верфи» в Санкт-Петербурге, достаточно широко представлены газотрубно-водотрубные котлы с устройствами 201 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки «Санрод», получившие свое название от патентованного элемента, представляющего собой трубу, наружная поверхность которой покрыта множеством приваренных шипов, расположенных в виде солнечных лучей (sun — солнце, rod — пруток). Ошипованная часть элемента размещается в дымогарной трубе большого диаметра. Нижним концом она вваривается в нижнюю часть дымогарной трубы таким образом, чтобы в нее поступала вода и пароводяная смесь из водяного пространства. Верхним концом труба вваривается в той части дымогарной трубы, которая проходит в паровом пространстве котла. Таким образом, пароводяная смесь, образуемая в ошипованной трубе, выходит в паровое пространство. В остальном конструкция котла с устройством «Санрод» подобна конструкциям вертикальных газотрубных котлов. Разрез котла, имеющего четыре элемента «Санрод», приведен на рис. 10.22. Рис. 10.22. Вспомогательный котел с элементами типа «Санрод» На танкерах серии «Троицкий мост» постройки 2005 г. вспомогательная котельная установка имеет два газотрубно-водотрубных 202 Конструкции судовых котлов и их элементов котла KLN/VIC-19/10 с элементами «Санрод» (рис. 10.23). Паропроизводительность котла — 19 т/ч, рабочее давление пара — 1 МПа, пар насыщенный, КПД — 82,4 %, расход топлива — 1502 кг/ч, сухая масса котла — 25 т, объем воды в котле — 10,2 м3. Изготовитель котла — TPK NOVAd.0.0 (г. Загреб). Котел газотрубно-водотрубный вертикальный цилиндрический не имеет пароперегревателя и хвостовых поверхностей нагрева. Рис. 10.23. Схема котла танкера «Троицкий мост»: 1 — огнеупорная футеровка; 2 — опускная труба; 3 — цилиндрическая топка; 4 — элемент «Санрод»; 5 — трубы для прохода продуктов сгорания (дымогарные); 6 — клапан отбора пара; 7 — выход отработанных газов; 8 —дымовая камера; 9 — предохранительные клапаны; 10 — водоуказательные приборы; 11 — корпус котла; 12 — плавниковые трубы экрана; 13 — нижнее днище; 14 — кольцевой коллектор; 15 — днищевой стальной лист Нижняя часть (водотрубная) состоит из сваренных между собой плавниковых труб 12, образующих кольцевую топку 3 и соединяющих кольцевой коллектор 14 на поде котла с верхней частью. Под котла не экранирован и включает днищевой стальной 203 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки лист 15 с расположенным на нем слоем теплоизоляции и огнеупорной футеровки 1. Верхняя часть (газотрубная) представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд, заполненный котловой водой. Его нижнее днище 13 имеет вогнутую сферическую форму, а верхняя плита плоская. К днищу и к верхней плите присоединяются трубы 5 для прохода продуктов сгорания. Опускные трубы 2, соединяющие верхнюю часть с кольцевым коллектором на поде топки, размещены за пределами внешней обшивки и распределены равномерно вокруг водотрубной части большого диаметра. Внутри каждой дымогарной трубы 5 установлен элемент «Санрод» 4. В совокупности трубы образуют конвективную водотрубную часть парообразующей поверхности котла. Количество дымогарных труб зависит от паропроизводительности котла и может колебаться в количестве 10–30 труб. Опускные трубы экранного контура циркуляции необогреваемые, размещены за газоплотным экраном в слое наружной изоляции котла. Опускные трубы верхним концом вварены в пароводяную верхнюю цилиндрическую часть 8 корпуса котла, а нижним концом — в экранный коллектор. Количество опускных труб — 11 шт. Организованная естественная циркуляция в экранном контуре и устойчивая циркуляция в элементах «Санрод» обусловленная полусвободной конвекцией, обеспечивают надежную работу котла на всех режимах. Фурменное отверстие топочного устройства в экране образовано специальной разводкой труб экрана. Под топки выполнен из огнеупорных кирпичей и обмазки, как и в котле AQ-9. Большой объем парового пространства, его достаточная высота и прохождение через него дымогарных труб обеспечивают получение сухого насыщенного пара, а на малых нагрузках, возможно, слабоперегретого пара. Котел оборудован топочным устройством с вращающимся распылителем (ротационной форсункой) типа «Сааке» со сложной системой распределения подвода первичного и вторичного воздуха к факелу, что значительно усложняет его техническое обслуживание. Газотрубно-водотрубные котлы типа UNEX CHB-8000 устанавливались на танкерах в середине XX в. По общей компоновочной схеме этот котел подобен котлам AQ-9, отличаясь от них тем, 204 Конструкции судовых котлов и их элементов что в нем применены обычные дымогарные трубы 1 (рис. 10.24), со вставленными в них винтовыми завихрителями 2 для турбулизации потока газов с целью интенсификации процесса теплоотдачи от газов к стенке. Топка котла цилиндрической формы выполнена полностью экранированной. Экран газоплотный, сварен из плавниковых труб 7. а) б) Рис. 10.24. Принципиальная схема водотрубно-газотрубного котла типа UNEX CNB-8000 : а — общий вид; б — поперечное сечение Условные обозначения: 1 — дымогарная труба; 2 — винтовые завихрители; 3 — трубная доска верхнего днища; 4 — пароводяная часть котла; 5 — свод топочной камеры; 6 — нижняя трубная доска; 7 — плавниковые трубы; 8 — опускные трубы; 9 — место установки горелки; 10 — водяной коллектор; 11 — футеровка пода топки Нижний конец труб вварен в водяной коллектор 10 тороидальной формы с цилиндрическим сечением, а верхний конец — в нижнюю трубную доску 6 пароводяной части котла. Свод топочной камеры представляет собой эллиптическое днище 5, в которой 205 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки посредством сварки закреплены дымогарные трубы 1. Верхняя часть дымогарных труб крепится в плоской трубной доске верхнего днища 3, на котором установлена конусная дымовая коробка. Котел оборудован агрегатированным топочным устройством, для которого в экране предусмотрено фурменное отверстие 9, образованное посредством специальной разводки экранных труб. Футеровка пода топки 11 выполнена из специальной огнеупорной массы. Опускные трубы 8 (7 шт.) расположены за экраном в слое изоляции и соединяют пароводяную часть котла 4 с экранным водяным коллектором. На заводе «Адмиралтейские верфи» в 2008–2009 гг. построены два танкера, дедвейтом 70 тыс. т каждый: «Михаил Ульянов» и «Кирилл Лавров», предназначенные для транспортировки нефти и газоконденсата от стационарной нефтедобывающей платформы «Приразломная». Суда с усиленным ледовым классом могут перевозить одновременно три вида нефтепродуктов плотностью 0,7–1,025 т/м3. Прием груза производится через носовое погрузочное устройство, а выгрузка осуществляется через бортовые манифолды. Электродвижение обеспечивают четыре главных дизель-генератора по 6565 кВт и две винто-рулевые колонки типа Azipod. С учетом условий эксплуатации в системе теплоснабжения используются два теплоносителя: традиционный водяной пар и органический теплоноситель. Котельная установка состоит из двух вспомогательных котлов типа UNEX CHB–15000. Паропроизводительность котлов по 15 т/ч, давление пара —19 бар, КПД — 82 %. Котлы не имеют хвостовых поверхностей. Температура питательной воды — 90 °С, температура воздуха — 30 °С. В состав котельной установки входят четыре утилизационных котла типа UNEX P (по числу главных дизель-генераторов). Газотрубно-водотрубные котлы традиционной компоновки могут обеспечить паропроизводительность не более 6–8 т/ч при приемлемых массогабаритных показателях. Обусловлено это низкой интенсивностью теплоотдачи при продольном омывании плоских поверхностей топочной камеры и неустойчивой циркуляцией воды в условиях свободной конвекции в большом объеме жидкости. 206 Конструкции судовых котлов и их элементов Техническое решение фирмы Aalborg о замене топочной камеры водотрубной частью экранированной топки позволило обеспечить устойчивую циркуляцию в экранных трубах на любых нагрузках и увеличить интенсивность теплопередачи в экранных трубах. Диапазон паропроизводительности котла при современной компоновке может быть 30–45 т/ч при приемлемых массогабаритных показателях. В то же время в этих котлах сохраняются их главные достоинства — большие высота и объем парового пространства, упрощающие систему регулирования питания и обеспечивающие высокое качество пара. 10.5. Комбинированные котлы Под словом «комбинированный» в данном случае понимается агрегат, в котором применены два способа получения теплоты: непосредственное сжигание топлива в топке и использование теплоты уходящих газов от главного двигателя (утилизация вторичных энергоресурсов). На морском транспорте во второй половине ХХ в. широкое распространение получили высокоэкономичные длинноходовые (L/D до 3–4) двигатели внутреннего сгорания (ДВС) с температурой выпускных газов перед утилизационными котлами, не превышающей 230–250 °С. Поскольку температура уходящих из УК газов должна превышать 170 °С (из условия предотвращения низкотемпературной коррозии), а температура перегретого пара перед турбогенератором быть не ниже 230–250 °С, глубокая утилизация теплоты в СЭУ с такими двигателями невозможна при любых мощностях. Однако при больших объемах выпускных газов (при Ne > 12000–15000 кВт) с температурой 230–250 °С количество содержащейся в них низкопотенциальной тепловой энергии является достаточным для генерации до 3–4 т/ч насыщенного пара в УК, что позволяет реализовать частичное или полное замещение вспомогательного котла утилизационным на ходу судна. Одним из решений получения необходимого количества пара и снижения массогабаритных показателей установки для дизельных судов является применение комбинированных котлов с естественной циркуляцией. На рис. 10.25 показано принципиальное 207 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки расположение элементов топливной части (слева) и утилизационной поверхности нагрева. В той и другой частях парообразующие поверхности скомпонованы в виде прямых вертикальных труб. Пароводяной барабан и водяное пространство являются общими для обеих частей. 2 3 1 Рис. 10.25. Газотрубный комбинированный котел: 1 — вход дымовых газов от дизельного двигателя в утилизационную часть котла; 2 — выход газов в дымовую трубу; 3 — отвод пара к потребителям На рис. 10.26 показан разрез комбинированного котла различными видами поверхности нагрева по принципу относительного движения теплообменивающихся сред. Утилизационная часть (слева) работает по принципу газотрубной, а топливная часть имеет смешанную газотрубно-водотрубную поверхность. Водотрубная составляющая представлена элементами типа «Санрод». Особенностью этих котлов является возможность работы топливной и утилизационной частей параллельно или в автономном режиме. Компоновка двух составляющих такого котла в одном корпусе может рассматриваться как преимущество с учетом сокращения массогабаритных показателей. 208 Конструкции судовых котлов и их элементов а) б) Рис. 10.26. Комбинированный котел со смешанной поверхностью нагрева: а — вертикальный разрез; б — горизонтальный разрез в районе расположения элементов «Санрод» Условные обозначения: 1 — фундаментная плита; 2 — лаз в водяной барабан; 3 — нижняя трубная доска; 4 — контрольное отверстие; 5 — лаз для доступа в водяное пространство; 6 — верхняя трубная доска; 7 — лаз в газоход; 8 — трубы для прохода дымовых газов; 9 — паровое пространство; 10 — элементы «Санрод»; 11 — трубы газохода топливной части; 12 — топка; 13 — патрубок для форсунки; 14 — тепловая изоляция Однако такой агрегат сложнее при обслуживании, так как в целях безопасности в случае ремонта котел полностью выводится из действия. 10.6. Утилизационные котлы Утилизационные котлы подразделяются на котлы систем с обычной утилизацией (теплофикационные установки) — более 80 % всех котлов, и котлы в системах с глубокой утилизацией тепла — около 20 %. При этом водотрубные утилизационные котлы занимают доминирующее положение, причем большинство из них — котлы с принудительной циркуляцией цилиндрической и прямоугольной компоновки. В этой связи целесообразно рассмотреть особенности конструкции только двух утилизационных 209 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки котлов. При анализе конструкций указанных котлов необходимо отметить наиболее характерные конструктивные особенности остальных разновидностей котлов той или иной группы. На транспортных судах с дизельными установками применяют две системы утилизации теплоты уходящих газов главного двигателя: систему с обычной утилизацией и систему с глубокой утилизацией теплоты. Система с обычной утилизацией, в которой насыщенный пар сравнительно низкого давления (0,4–0,7 МПа) расходуется на бытовые и общесудовые потребители (теплофикационная система). Система с глубокой утилизацией теплоты, где утилизационный котел генерирует пар, основным потребителем которого является турбогенератор. В этом случае давление перегретого пара до 1,5 МПа и температура 260–280 °С. При этом удельная паропроизводительность утилизационного котла принимается равной Dк / Ne 0,5–0,65 кг/(кВт⋅ч), а удельный расход пара на турбогенератор Dтг / Nтг — 6,5–12 кг/(кВт⋅ч). В настоящее время применяются утилизационные котлы с принудительной циркуляцией цилиндрической и прямоугольной компоновок. При цилиндрической компоновке змеевики, выполненные в виде плоской спирали из гладких труб, размещают в газоходе горизонтально последовательно по ходу газов так, что первый змеевик находится в зоне наибольших температур дымовых газов, а последний — наименьших. Такая компоновка обуславливает вертикальное расположение входного и выходного коллекторов. При прямоугольной компоновке змеевики имеют плоскую зигзагообразную форму и размещены в газоходе параллельно по отношению к потоку газов, т. е. все змеевики, расположенные вертикально, находятся в одинаковых температурных условиях. При этом входной и выходной коллекторы расположены горизонтально. Компоновку цилиндрического утилизационного котла (рис. 10.27) рассмотрим на примере котла типа VX польского производства. Первой отличительной особенностью этих котлов является то, что сепаратор 1 скомпонован вместе с утилизационным котлом в одном агрегате. Спиральные змеевики парообразующих труб разделены на две секции 4 и 7, поэтому водяная камера состоит из двух частей 14 и 15, а пароводяная — из частей 5 и 6. Вода из сепаратора 210 Конструкции судовых котлов и их элементов может подаваться в каждую из параллельно включенных секций либо самотеком по трубе 16, либо циркуляционным насосом 13. а) б) Рис. 10.27. Утилизационный котел цилиндрической компоновки: а — принципиальная схема; б — общий вид Условные обозначения: 1 — сепаратор; 2 — глушитель; 3 — перепускная труба; 4, 7 — парообразующие секции; 5 — камеры; 8 — перепускная заслонка; 9 — змеевиковый пароперегреватель; 10 — приемная камера; 11 — полость перегретого пара; 12 — полость насыщенного пара; 13 — циркуляционный насос; 14, 15 — две части водяной камеры; 16 —перепускная труба; 17 — отвод пара к пароперегревателю Пароводяная смесь отводится из камер 5 и 6 по перепускной трубе 3 в сепаратор, откуда насыщенный пар направляется к потребителям пара. Коллектор змеекового пароперегревателя 9 разделен на две полости: насыщенного пара 12 и перегретого пара 11. Отработавшие газы от двигателя подводятся к патрубку приемной камеры 10, а отводятся через глушитель 2. В средней части первой 211 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки по ходу газов секции 7 змеевиков установлена газоперепускная заслонка 8, позволяющая регулировать паропроизводительность котла путем изменения соотношения количества газов, омывающих поверхность нагрева и протекающих, минуя ее, через центральную часть агрегата (часто называемую байпасным газоходом). Полная паропроизводительность 600 кг/ч при рабочем давлении 0,5 МПа обеспечивается при горизонтальном положении заслонки. Площадь поверхности нагрева парообразующих труб — 134 м2, пароперегревателя — 9 м2, объем сепаратора до среднего уровня — 0,31 м3, масса котла без воды —10 т. Примером утилизационных котлов с байпасным газоходом и заслонкой являются котлы, установленные на танкерах «Михаил Ульянов» и «Кирилл Лавров» (рис. 10.28). Рис. 10.28. Утилизационный котел танкера «Михаил Ульянов» Котлы типа UNEX P водотрубные, цилиндрические с гладкими трубами с принудительной циркуляцией. Поверхность нагрева образована спиральными змеевиками. Верхняя часть котла выполнена в виде конуса, на котором расположены лючки для доступа 212 Конструкции судовых котлов и их элементов внутрь при промывке поверхностей и обслуживании. Два сажеобдувочных устройства позволяют достаточно эффективно производить очистку труб от сажистых отложений. В нижней части предусмотрен люк для удаления загрязнений и дренажный клапан. Регулировка производительности котла осуществляется путем открытия (закрытия) заслонки, расположенной в верхней части байпасного канала, внутренние стенки которого покрыты звукопоглощающим материалом. Кратность циркуляции в этом котле равна пяти на номинальной нагрузке. В нижней части котла расположен пластинчатый искрогаситель. Финской фирмой «Раума-Репола» разработаны типоразмерные ряды вспомогательных и утилизационных котлов всех типов: газотрубных с естественной циркуляцией типа UNEX H, комбинированных газотрубных котлов с естественной циркуляцией типа UNEX PH, а также с принудительной циркуляцией UNEX P и прямоугольной компоновки UNEX G. Конструктивные особенности утилизационных котлов типа UNEX G показаны на рис. 10.29. Котел состоит из двух параллельно включенных по газовой стороне секций с отдельными подводами 3 и 4 питательной воды и отводами 1 и 2 пароводяной смеси. Поверхности нагрева обеих секций выполнены из оребренных змеевиков 5. Ребра 6 прямоугольные, каждое из них является общим для двух ветвей змеевика. а) б) Рис. 10.29. Конструктивные особенности утилизационных котлов прямоугольной компоновки типа UNEX G: 1, 2 — отводы пароводяной смеси; 3, 4 — отдельные подводы 213 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Паропроизводительность секции 1000 кг/ч и 700 кг/ч при давлении 0,7 МПа. Котлы компактные, при ремонте — секции можно легко демонтировать. При соблюдении правил технической эксплуатации котлы достаточно надежны. Котлы прямоугольной формы, со змеевиками из гладких труб, установлены на судах типа «Великий Новгород». Конструкцию таких котлов можно считать достаточно простой для обслуживания и надежной. Несмотря на то, что конструктивно все четыре котла (по количеству главных дизель-генераторов) одинаковы, паропроизводительность их различна, поскольку два двигателя имеют мощность на 1000 кВт больше, чем два других. Таким образом, два утилизационных котла (УК) мощностью по 530 кг/ч, два — по 470 кг/ч насыщенного пара. При работе двигателей температура выхлопных газов, естественно, зависит от вида топлива и нагрузки двигателя. При работе мощностью 85 % от номинальной на жидком топливе температура выхлопных газов 311 °C, на природном газе — 354 °C. Температура газов за утилизационными котлами одинакова и составляет 182 °C. На рис 10.30 показана компоновка поверхности нагрева, состоящая из двух секций 2, между которыми установлены сажеобдувочные устройства 4, 5. Рис. 10.30. Утилизационный котел газовоза «Великий Новгород»: 1 — предохранительный клапан; 2 — секции поверхности нагрева; 3 — крепления труб испарительного пучка; 4, 5 — сажеобдувочные устройства; 6 — дренажный клапан; 7 — вход циркуляционной воды ; 8 — входной коллектор; 9 — выходной коллектор; 10 — стопорный клапан Поскольку паросборником для УК являются вспомогательные котлы и применена принудительная циркуляция, вода подается из 214 Конструкции судовых котлов и их элементов водяного пространства вспомогательных котлов к утилизационным. Входной коллектор 8 с клапаном 7 расположен в нижней части, а выход пароводяной смеси из коллектора 9, на котором размещен предохранительный клапан 1. Специальные крепления труб 3 испарительного пучка придают конструкции необходимую жесткость и предотвращают от повреждений при вибрации. Для дренажа предусмотрен клапан 6, а на выходном коллекторе — стопорный клапан 10. В составе котельной установки этих газовозов два вспомогательных котла, производительностью 15 т/ч насыщенного пара каждый. Поскольку пар может использоваться для турбогенератора, он перегревается до температуры 200 °C. Насыщенный пар из любого ВК может поступать в любой из четырех пароперегревателей, скомпонованных в утилизационных котлах (рис. 10.31). Рис. 10.31. Утилизационная установка газовоза «В. Новгород» ГМВК — газомазутный вспомогательный котел; ПП — пароперегреватель; 1 — регулятор подачи воздуха на сажеобдуватели; 2 — датчик циркуляции; 3 — продувание; 4 — вентилятор уплотнительного воздуха; 5 — циркуляционные насосы В практике разработки конструкции судовых устройств прослеживается тенденция к упрощению утилизационных котлов. 215 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В частности, применение естественной циркуляции исключило циркуляционный насос. В качестве примера следует рассмотреть вариант реальной установки с утилизационным котлом фирмы «Альфа Лаваль» Aalborg XS-2V (рис. 10.32 — продольный разрез и вид сверху), паропроизводительность которого равна 1100 кг/ч насыщенного пара давлением 0,7 МПа. а) б) Рис. 10.32. Утилизационный котел Aalborg XS-2V: а — вид сбоку; б — вид сверху Условные обозначения: 1 — паровое пространство; 2 — выходная часть газового тракта; 3, 8 — трубные доски; 4 — труба продувания; 5 — поддерживающая труба; 6 — внутренняя стенка котла; 7 — вход отработанных газов после ГД; 9 — дренажные трубы; 10 — водяное пространство; 11 — внешняя обшивка котла; 12 — дымогарные трубы; 13 — труба подвода питательной воды Котел устанавливается за двигателем, где температура выхлопных газов перед котлом 7 равна 247 °C. Температура газов за котлом в районе выходной части 2 составляет 206 °C. При такой производительности котел имеет достаточно большие размеры. Диаметр бочки 11, включая изоляцию, равен 2270 мм, высота — 4070 мм. Вес без воды — 11,6 т, с водой — 19,2 т. Паровое пространство 1 при этом сравнительно небольшого объема. Котел газотрубный. Трубы крепятся к трубным доскам 3 и 8. Кроме ды216 Конструкции судовых котлов и их элементов могарных труб 12 установлено несколько поддерживающих труб 5. Питательная вода подается по трубе 13, а для верхнего продувания предусмотрена труба 4. Нижнее продувание производится через две трубы 9. Естественное движение воды и пароводяной смеси происходит, как обычно, при парообразовании в большом объеме воды 10. Остальная арматура размещена на верхней платформе и ее состав обычный: два предохранительных клапана прямого действия, главный стопорный и воздушный клапаны. Особенности конструкции котла с принудительной циркуляцией для системы с глубокой утилизацией теплоты выпускных газов главного двигателя заключаются в схеме компоновки отечественного котла утилизационного парового (КУП) с суммарной площадью поверхностей нагрева (экономайзера, пароперегревателя и парообразующей) 660 м2 и давлением пара 7 бар (рис. 10.33). При мощности главного двигателя 8ДКРН 74/160-2, равной 8830 кВт, утилизационный котел генерирует 5200 кг/ч, что при температуре перегретого пара 260 °С обеспечивает замещение дизель-генератора турбогенератором на ходу судна. На морском транспорте в 70–80-е гг. XX в. широкое распространение получили высокоэкономичные длинноходовые (L/D до трех–четырех) ДВС с температурой выпускных газов перед утилизационными котлами, не превышающей 230–250 °С. Так как температура уходящих из УК газов должна быть выше 170 °С (из условия предотвращения низкотемпературной коррозии), а температура перегретого пара перед турбогенератором не ниже 230–250 °С, глубокая утилизация теплоты в СЭУ с такими двигателями невозможна при любых мощностях. Однако при больших объемах выпускных газов (при Ne > 12000–15000 кВт) с температурой 230–250 °С количество содержащейся в них низкопотенциальной тепловой энергии является достаточным для генерации до 3–4 т/ч насыщенного пара в УК, что позволяет реализовать частичное или полное замещение вспомогательного котла утилизационным на ходу судна. При этом, как показывает практика, перспективным решением является применение комбинированных газотрубных котлов с естественной циркуляцией. 217 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 10.33. Особенности конструкции утилизационного котла системы глубокой утилизации теплоты: 1–3 — сетка, конус и лопатки искроулавливателя соответственно; 4 — сажеобдувочные устройства; 5 — экономайзер; 6 — пароводяной коллектор; 7 — пучок парообразующих змеевиков; 8 — пароперегреватель; 9 — газовая приемная камера На рис. 10.34 приведена упрощенная схема взаимного расположения составляющих вспомогательной котельной установки. Вспомогательные котлы 2 работают на один паропровод 1 подачи пара к потребителям. Утилизационный котел системы глубокой утилизации состоит из экономайзера А, парообразующей поверхности В и пароперегревателя С. Пароводяная смесь из утилизационного котла поступает в паровое пространство вспомогательного, которое выполняет роль сепаратора. Для обеспечения работы турбогенератора насыщенный пара проходит через пароперегреватель в составе утилизационного котла. В теплообменнике D происходит подогрев питательной воды, подаваемой насосом I к вспомогатель218 Конструкции судовых котлов и их элементов ным котлам. Температура регулируется с использованием магистрали рециркуляции с датчиком 3. Из конденсатора Е насосом F конденсат подается в теплый ящик 6. Насос Н обеспечивает подвод добавочной воды, а насос G прокачивает забортную воду через конденсатор. Поддержание температуры воды в теплом ящике обеспечивается регулятором 4. Рис. 10.34. Схема расположения элементов котельной установки дизельного судна: 1 — отвод пара к потребителям; 2 — вспомогательные котлы; 3 —регулятор температуры циркуляционной воды; 4 — регулятор температуры воды в теплом ящике; 5 — контроль отвода конденсата; 6 — теплый ящик (Источник заимствования — техническая документация СЭУ) 219 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки При этом необходимо отметить, что в течение длительного периода времени традиционным был вариант установки одного утилизационного котла над главным двигателем или двух котлов при двухвальных пропульсивных установках. В настоящее время на судах с электродвижением у каждого главного дизель-генератора имеется автономный утилизатор. Например, как отмечалось ранее, на газовозе «Кристоф де Маржери» установлено шесть таких устройств — четыре главных и два вспомогательных. 10.7. Котлы с органическим теплоносителем Конструктивно котлы с органическим теплоносителем (термомасляные) близки к водогрейным, так как происходит нагревание однофазной среды в отличие от паровых котлов. В установках теплоснабжения с одним теплоносителем (термомасло) устанавливаются котлы как работающие при сжигании топлива, так и утилизационные. Водяной пар как теплоноситель в системах теплоснабжения имеет следующие существенные недостатки: – высокая коррозионная агрессивность; – низкая температура насыщения при давлении 0,5–0,7 МПа; – возможность замерзания конденсата пара в системах обогрева наружных судовых помещений и балластных танков; – необходимость жесткого контроля качества питательной воды; – сложность технического обслуживания и высокая стоимость систем обогрева грузовых, топливных и балластных танков. В настоящее время на судах, где отсутствуют турбоприводные механизмы, в качестве теплоносителей, лишенных указанных недостатков, используют органические жидкости на основе минеральных масел. В системах с термомаслами существует возможность обеспечения высокой точности и равномерности регулирования температуры нагреваемой среды, что в отдельных случаях имеет первостепенное значение. Поэтому термомасла целесообразно применять в системах теплоснабжения судов, предназначенных 220 Конструкции судовых котлов и их элементов для плавания в холодных районах, на танкерах и специализированных судах. К недостаткам применения термомасел, ограничивающим их использование на судах, относятся: – низкая термостойкость, обусловливающая загрязнение поверхности нагрева выпадающими тяжелыми фракциями (асфальтены, смолы); – высокая пожароопасность; – отсутствие пара (как теплоносителя) на судне. Основными характеристиками термомасел являются: – температура начала разложения органического теплоносителя (выделение твердых фракций); – температура вспышки; – температура застывания (потеря текучести). Конструкция термомасляного котла приведена на рис. 10.35, где в качестве примера показан продольный разрез котла немецкой постройки. Такие котлы устанавливались на газовозах типа «Юрмала» в 80-е гг. ХХ в. Поверхность нагрева вспомогательного котла с термомасляным теплоносителем скомпонована в виде наружного 3 и внутреннего 5 цилиндрических змеевиков. Габариты котла: диаметр 2250 мм, высота 3045 мм. Расположение топочного устройства 1 — потолочное. Термомасло поступает сверху по трубам 2 и по наружному змеевику 3 движется вниз и далее к внутреннему змеевику 5, в котором оно имеет восходящее движение к верхним элементам змеевика, а затем отводится к потребителям теплоты. Движение продуктов сгорания происходит следующим образом. Внутренний змеевик выполнен в виде экрана не по всей высоте, образуя в нижней части разреженный участок 6 для прохода газов в кольцевое пространство между змеевиками (см. стрелки на рис. 10.35). Поскольку внешний змеевик 5 представляет собой экран по всей высоте котла, то дымовые газы движутся вверх, поворачивают на 180° и движутся вниз по кольцевому пространству между наружным змеевиком 3 и корпусом котла 4 до выхода 221 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки в дымоход 7. Внутренний и внешний змеевики имеют, соответственно, 26 и 28 витков, выполненных из труб диаметром 82,5 мм с толщиной стенки 5 мм. Основные показатели котла: теплопроизводительность 1,98 МВт; давление термомасла в змеевиках ~10 бар; температура на входе в котел 140 °С, на выходе 180 °С; количество масла в системе 1,27 м3 (1280 кг); масса котла 5400 кг. Рис. 10.35. Термомасляный котел с принудительной циркуляцией теплоносителя: 1 — топочное устройство; 2 — трубы подвода теплоносителя; 3, 5 — соответственно наружный и внутренний змеевик; 4 — корпус котла; 6 — участок разреженного расположения труб; 7 — дымоход В 2016 г. сданы в эксплуатацию танкеры типа «Штурман Альбанов», обеспечивающие вывоз нефти с ямальских месторождений 222 Конструкции судовых котлов и их элементов в районе Обской губы. Серия из шести судов построена в Южной Корее дедвейтом по 42 тыс. т, с мощностью установки 23000 кВт усиленного ледового класса (Arc7). Работа системы теплоснабжения танкеров данного типа обеспечивается двумя вспомогательными котлами по 8000 кВт с органическим теплоносителем (Texatherm или BP Transcal N). Суда с электродвижением имеют по четыре главных дизель-генератора, каждый из которых снабжен утилизационным котлом. Термомасло Texatherm фирмы «Шеврон» (Бельгия) плотностью 870 кг/м3 нагревается в котлах вспомогательных и утилизационных до 200 °С на выходе и имеет температуру на входе 140 °С. Температура вспышки термомасла 200 °С. Номинальное количество циркулирующего термомасла 239 м3/ч, максимальное давление 10 бар. Температура уходящих газов равна 275 °С. Конструктивно вспомогательный котел фирмы Aalborg имеет практически типовую конструкцию для таких агрегатов — двухрядный змеевик с вертикальным расположением горелки. Теплоноситель входит в наружный четырехзаходный змеевик и перемещается по нему вниз, переходя во внутренний, из которого уходит к потребителям тепла. Котлы имеют наружный диаметр 2661 мм и высоту 6662 мм. Котлы с органическими теплоносителями (термомасляные) конструктивно выполняются также и с горизонтальным расположением змеевиков (рис. 10.36). Принципиально работа котла осуществляется практически аналогично вертикальному. Рис. 10.36. Котел с органическим теплоносителем горизонтального исполнения 223 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В данном случае видно, что котел имеет один вход термомасла и один выход и называется однозаходным. На котлах с большей теплопроизводительностью устанавливаются коллекторы входа и выхода с двумя и более патрубками соединения с соответствующими концами змеевиков. Такое конструктивное решение позволяет увеличить количество прокачиваемого теплоносителя. Для некоторых «арктических» судов применяется другая (комбинированная) схема системы теплоснабжения. При установке обычных паровых котлов предусмотрены специальные подогреватели термальной жидкости. Такой вариант применен на современном газовозе «Кристоф де Маржери». В качестве теплоносителя в специальных трех теплообменниках применяется «Therminal-55» производства США, температура вспышки которого равна 166 °С и температура потери текучести — минус 54 °С. Плотность данного масла 870 кг/м3 и вязкость 19 мм2/с при температуре 40 °С. Примерами подобных установок могут быть также танкеры отечественной постройки «М. Ульянов» и К. Лавров», работающие в районе месторождения «Приразломное». 10.8. Котельная арматура и другие элементы котла Котельная арматура. Размещение арматуры котла и ее количество определяются требованиями РМРС с учетом надежной организации рабочего процесса и обеспечения безопасной эксплуатации. Предохранительные клапаны. Защитные устройства автоматически открываются при превышении давления в котле сверх допустимого и закрывающиеся после снижения давления до установленного предела. Согласно требованиям РМРС, каждый котел должен иметь не менее двух пружинных предохранительных клапанов одинаковой конструкции и одинакового размера, установленных на пароводяном коллекторе, как правило, на общем патрубке. В котлах с перегревом пара устанавливается один предохранительный клапан на выходном коллекторе пароперегревателя. Предохранительные клапаны должны регулироваться таким образом, чтобы максимальное давление при их действии превышало 224 Конструкции судовых котлов и их элементов рабочее давление не более чем на 10 %. Предохранительные клапаны должны полностью прекращать выход пара при падении давления в котле не ниже 0,85 рабочего давления. Устройство клапанов должно быть таким, чтобы их можно было подрывать вручную при помощи специального привода. Управление приводом клапана должно находиться в котельном помещении, а также на верхней палубе или в другом доступном месте вне котельного помещения. Различают предохранительные клапаны прямого и непрямого действия. Предохранительный клапан прямого действия пружинный. Пружина отрегулирована на определенное давление. На котле устанавливаются два таких клапана. На вспомогательных котлах чаще устанавливаются сдвоенные предохранительные клапаны прямого действия на одном патрубке. Особенности конструкции предохранительных пружинных клапанов приведены на рис. 10.37 и 10.38. Рис. 10.37. Предохранительный сдвоенный клапан прямого действия: 1 — тарелка клапана; 2 — седло клапана; 3 — пружина; 4 — рычаг ручного подъема клапана 225 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Принцип непрямого действия (рис. 10.39) осуществляется благодаря тому, что тарелка предохранительного клапана передвигается серводвигателем, работающим с использованием пара от двух пружинных клапанов прямого действия, называемых импульсными (контрольными) клапанами. Рис. 10.38. Внешний вид Контрольный клапан отпредохранительных клапанов вспомогательного котла крывается при превышении допустимого давления в котле, пар поступает в подпоршневую полость 1, открывается главный предохранительный клапан. После падения давления в котле контрольный клапан закрывается под действием пружины. Поступление пара в полость 1 прекращается, и главный клапан под действием пружины 2 закрывается. Рис. 10.39. Схема клапана главного предохранительного непрямого действия: 1 — подпоршневая полость; 2 — пружина Принудительно открыть предохранительные клапаны можно с использованием специальных приводов с платформы расположения контрольно-измерительных приборов (рис. 10.40). 226 Конструкции судовых котлов и их элементов Рис. 10.40. Дистанционный привод открытия предохранительных клапанов вспомогательного котла Питательные клапаны. Каждый главный и вспомогательный котел ответственного назначения должен оборудоваться, по крайней мере, двумя невозвратными питательными клапанами. Между питательным клапаном и котлом должен быть установлен разобщительный клапан. Невозвратный и разобщительный клапаны могут быть размещены в одном корпусе. Разобщительный клапан должен устанавливаться непосредственно на котле. Конструктивные особенности невозвратного питательного и разобщительного клапана показаны на рис. 10.41. Рис. 10.41. Конструктивные особенности питательных клапанов: 1 — разобщительный невозвратно-запорный; 2 — невозвратный 227 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Водоуказательные приборы. Согласно требованиям ч. Х Правил РМРС, каждый котел со свободной поверхностью воды (зеркалом испарения) должен оборудоваться не менее чем двумя независимыми указателями уровня воды с прозрачной частью для визуального контроля (рис. 10.42). Рис. 10.42. Водомерная колонка (водоуказатель): 1 — указатель уровня; 2 — паровой клапан; 3 — тяга ручного привода; 4 — водяной клапан; 5 — кран продувания Стекла водоуказателей для котлов с рабочим давлением до 3,2 МПа обычно плоские рифленые. Водоуказатели обязательно снабжаются запорными устройствами со стороны водяного 228 Конструкции судовых котлов и их элементов и парового пространств. Должна быть предусмотрена возможность раздельного продувания водяной и паровой полостей через каналы диаметром не менее 8 мм. Водоуказатели устанавливаются так, что нижняя кромка прорези рамки водоуказателя находится ниже низшего уровня не менее чем на 50 мм, однако низший уровень должен быть не выше средней линии видимой части указателя. При дистанционном управлении котлами должны быть предусмотрены надежно действующие дистанционные (сниженные) указатели уровня воды. Современные системы автоматического управления двигательной установкой позволяют контролировать все рабочие параметры главных и вспомогательных механизмов на мониторах, установленных в центральном посту управления (ЦПУ). На главных котлах водоуказатели могут иметь по два стекла (рис. 10.43). Рис. 10.43. Водоуказатель главного котла с двойным стеклом 229 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Конструктивные решения водоуказателей могут быть различными, но все они должны удовлетворять требованиям Правил РМРС. Прочая арматура котла. На котлах должны устанавливаться: – клапаны верхнего и нижнего продувания котлов; – клапаны отбора проб котловой воды; – клапаны для удаления воздуха. В соответствии с требованиями РМРС, на котлах, их пароперегревателях, экономайзерах и паросборниках предусмотрены клапаны продувания и при необходимости клапаны для осушения котлов, устанавливаемые непосредственно на стенках барабанов (коллекторов). При этом устройство верхнего продувания, включающее воронку продувания, трубопровод внутри котла и клапан верхнего продувания на корпусе котла, должно обеспечивать удаление пены и шлама со всей поверхности зеркала испарения. Внутренний диаметр клапанов и труб нижнего продувания допускается в пределах 20–40 мм. В водотрубных котлах, имеющих несколько (два и более) водяных (в том числе экранных) коллекторов, клапаны нижнего продувания устанавливаются на каждом коллекторе. Клапаны отбора проб котловой воды устанавливаются непосредственно на стенках корпуса котла. Установка клапанов для удаления воздуха предусматривается на котлах, пароперегревателях и экономайзерах с целью удаления воздуха из всех внутренних объемов при заполнении котла водой и при подъеме пара. На котлах устанавливаются также клапаны подачи пара на сажеобдувку, на систему автоматического регулирования, на подогрев и распыление топлива и др. Каждый котел должен быть отделен от всех соединенных с ним трубопроводов разобщительными клапанами, установленными непосредственно на котле. Разобщительные клапаны главного и вспомогательного паропроводов (главные стопорные клапаны) главных котлов, кроме местного управления, должны иметь дистанционные приводы для управления с верхней палубы или с другого всегда доступного места, расположенного вне котельного помещения. 230 Конструкции судовых котлов и их элементов Для вспомогательных котлов дистанционные приводы стопорных клапанов не предусматриваются. Принципиальное устройство стопорного клапана представлено на рис. 10.44. Клапан выполнен невозвратно-запорным угловым и пропускает пар только в одном направлении. При прекращении отбора пара из котла или в случае снижения давления пара в нем ниже давления в паропроводе (при параллельной работе котлов) тарелка клапана 5, свободно сидящая на шпинделе 2, опускается под действием давления пара в трубопроводе за клапаном и закрывает клапан. Сальниковое уплотнение 3 клапана предотвращает протечки пара через шпиндель. Стопорные клапаны размещаются на пароводяном коллекторе вспомогательных котлов, не имеющих пароперегревателя, или на выходном коллекторе пароперегревателя. Рис. 10.44. Клапан главный стопорный вспомогательного котла: 1 — крышка клапана; 2 — шпиндель; 3 — крышка сальника; 4 — набивка; 5 — тарелка; 6 — корпус 231 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Контрольно-измерительные приборы. Предназначены для обеспечения безопасной, надежной и эффективной работы котельных установок. Во время эксплуатации котлов необходимо непрерывно или периодически контролировать следующие параметры: – уровень воды в котле; – давление пара насыщенного (в котле), перегретого и охлажденного; – температуру пара перегретого и охлажденного; – давление и температуру питательной воды, температуру воды за экономайзером; – давление и температуру топлива, поступающего к горелкам; – паропроизводительность котла (если предусмотрены расходомеры); – расход топлива и его уровень в расходных цистернах; – давление и температуру воздуха перед топкой; – температуру и химический состав уходящих газов (если предусмотрен штатный газоанализатор); – химический состав котловой и питательной воды; – расход добавочной воды (суточный, по вахтам); – дымность продуктов сгорания (визуально) на выходе из дымовой трубы или в системе автоматического контроля. Для контроля указанных параметров используются манометры, тягонапоромеры, термометры, термопары, указатели уровня, расходомеры, солемеры, рН-метры и др. Особые требования предъявляются РМРС к манометрам и термометрам. Так, на каждом котле устанавливается не менее двух манометров для измерения давления пара в котле — один на фронте котла, второй в ЦПУ в системе централизованного контроля параметров (система автоматики). Между котлом и манометрами предусматриваются трехходовые краны или клапаны, предназначенные для продувания, а также для подключения контрольных манометров. На шкалах манометров красной чертой отмеча232 Конструкции судовых котлов и их элементов ется рабочее давление. При этом шкала должна быть достаточной для гидравлических испытаний котла. Манометры маркируются с указанием даты проверки. Пароперегреватели и экономайзеры снабжаются термометрами. Обязательно должен быть установлен термометр на топливной магистрали перед котлом. Штатные приборы размещают на приборных щитах в ЦПУ и на местных постах у переднего фронта котла. При этом число штатных приборов и количество контролируемых параметров котельных установок определяются инструкциями по их эксплуатации. Используемые контрольно-измерительные приборы подразделяются: – по назначению: технические (рабочие), контрольно-образцовые и эталонные; – по характеру измерения: показывающие, самопишущие и суммирующие; – по принципу действия: механические, гидравлические, электрические, химические и др.; – по условиям использования: штатные и переносные, местные и дистанционные, оперативные и учетные. Опоры, каркас и обшивка призваны обеспечить не только надежную и эффективную эксплуатацию котла, но и комфортные условия труда обслуживающего персонала. Конструктивные особенности и количество опор определяются типом котла, размещением его на судне и другими факторами. Так, количество опор у водотрубных вспомогательных котлов равно 4–6, при этом одна опора котла (на переднем фронте, у водяного коллектора) неподвижная, остальные — подвижные, с двумя степенями свободы. Кроме опор предусматриваются специальные ушки в верхней части котла для раскрепления его с помощью талрепов, чтобы уменьшить раскачивание котла при качке судна. Каркас котла служит для обеспечения требуемой прочности крепления обшивки и изоляции. При этом учитывается, что в районе топки в качестве термоизоляции используются огнеупорные материалы в виде массивных кирпичей, обычных и фурменных. 233 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Так, масса кирпичной кладки водотрубного главного котла паропроизводительностью 25 т/ч составляет примерно 9 т. С целью уменьшения массы кирпичной кладки и повышения технико-экономических показателей водотрубных котлов увеличивается степень экранирования топок, а вместо огнеупорных фурменных кирпичей применяют металлические воздухоохлаждаемые фурмы. Для изоляции стен обшивки коллекторов водотрубных котлов, корпусов газотрубных котлов, сепараторов пара и установленной на них котельной арматуры применяют минеральную вату, ньювель, совелит в виде картона, плит, матрацев и обмазки. Суммарная масса изоляции, например, пароводяного и водяного коллекторов водотрубного котла паропроизводительностью 1,5–3,0 т/ч может быть 300–800 кг. Внутренние элементы судовых котлов должны обеспечивать: – минимальную влажность насыщенного пара; – устойчивую циркуляцию воды в котле; – продувание котла с целью удаления пены и снижения общего солесодержания котловой воды. Внутренние элементы пароводяного коллектора водотрубного котла (рис. 10.45) включают потолочный дырчатый щит 1, погруженный дырчатый щит 3, питательную трубу 4, воронку верхнего продувания 2, две поплавковые системы указателя уровня 5. Потолочный дырчатый щит 1 обеспечивает минимальную влажность пара, установлен в верхней части парового пространства коллектора и состоит из двух щитов коробчатой формы с отверстиями диаметром 12 мм. Погружной дырчатый щит 2 предназначен для выравнивания нагрузки зеркала испарения (часто называется успокоительным). Он расположен в водяном объеме коллектора под зеркалом испарения и состоит из соединенных в один лист четырех-пяти частей с отверстиями диаметром 10–20 мм. Листы щита установлены на двух балках, угольнике и уголке, которые крепятся к приварным элементам коллектора с помощью болтовых соединений. Равномерный выход пара через зеркало испарения обеспечивают вер234 Конструкции судовых котлов и их элементов тикальный подъем пара с минимальной скоростью и снижение его влагосодержания. Рис. 10.45. Внутриколлекторные устройства котла: 1 — щит потолочный; 2 — воронка верхнего продувания; 3 — щит дырчатый погружной; 4 — труба питательная; 5 — поплавковая система указателей уровня; 6 — патрубки питательных клапанов Питательная труба 4 установлена под погруженным щитом и служит для равномерной раздачи питательной воды по длине коллектора через отверстия диаметром 10 мм, которые направлены в сторону опускных труб. Воронка верхнего продувания 2 обеспечивает поддержание солесодержания котловой воды в пределах нормы и удаление пены и шлама из пароводяного коллектора. Поплавковые системы 5 предназначены для совместной работы с дистанционным указателем уровня. Каждая поплавковая система состоит из корпуса, направляющего стакана, поплавка, стержня и магнита. В направляющем стакане имеются отверстия, через которые полость стакана сообщается с пространством пароводяного коллектора. Контрольные вопросы и задания 1. Каково назначение главных и вспомогательных котлов. 2. В чем заключаются конструктивные особенности главных котлов с фронтальным расположением горелки? 235 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 3. Перечислите особенности компоновки поверхностей нагрева у котлов с потолочным расположением горелок. 4. В чем особенность конструктивного расположения экранов в топочном пространстве у главных котлов? 5. Назовите особенности водотрубных котлов. 6. В чем состоит принцип действия газотрубных котлов? 7. Устройство и принцип действия котла КВГ-5. 8. Устройство и принцип действия котла КВГ-80/80. 9. В чем заключаются особенности компоновки элементов котлов МВ и V2M-8? 10. Назовите параметры пара главных котлов. 11. Как обеспечиваются паром вспомогательные потребители в составе ПТУ? 12. Назначение вспомогательных котлов на судах с ПТУ. 13. Конструкция котлов типа КАВ и КВВА. 14. Укажите элементы компоновки котлов «UNEX», «Mission». 15. Особенности компоновки поверхностей нагрева газотрубных котлов. 16. Что означает понятие «комбинированный котел»? 17. Перечислите особенности котлов с органическими теплоносителями. 18. В чем состоят преимущества применения в котлах элементов «Санрод»? 19. Перечислите составляющие схемы утилизационного котла обычной утилизации. 20. Особенности компоновки элементов поверхности нагрева утилизационных котлов глубокой утилизации. 21. В чем заключается регулировка производительности утилизационных котлов? 22. Укажите типы предохранительных клапанов. 236 11. СИСТЕМЫ, ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СУДОВЫЕ КОТЛЫ 11.1. Общие требования Паровой котел на жидком топливе обслуживают следующие системы: питательная, топливная, система подачи воздуха и отвода дымовых газов, продувания котла, автоматического регулирования, сигнализации и защиты, ввода химических реагентов для обработки воды. Требования, установленные к котлам и обслуживающим их системам с позиций безопасности и надежности, подробно изложены в Правилах РМРС: ч. Х «Котлы, теплообменные аппараты и сосуды под давлением» и ч. VIII «Системы и трубопроводы». В Правилах РМРС изложены требования, предъявляемые к расположению и конструктивным особенностям непосредственно котлов их систем. Вспомогательные котлы, устанавливаемые в одном помещении с двигателями внутреннего сгорания, ограждаются металлической выгородкой. Между котлом и топливными цистернами предусматривается свободное пространство, необходимое для поддержания температуры топлива в них ниже температуры вспышки его паров. Применительно к топливным системам должны быть выполнены требования «Руководства по применению положений Международной конвенции МАРПОЛ 73/78». На расходных топливных цистернах рекомендуется установка клапанов быстрозапорного типа, а на запасных цистернах — клапанов с дистанционным закрытием вне машинного отделения. Для удаления воды из расходных и отстойных цистерн должны быть предусмотрены клапаны самозапорного типа и трубопроводы к сточным цистернам. Топливные цистерны должны быть отделены от цистерн питательной воды коффердамами. Топливные цистерны оборудуются змеевиками подогрева топлива, устанавливаемыми в самых низких частях цистерны. Концы приемных 237 топливных труб расходных и отстойных цистерн располагаются над змеевиком, чтобы они не оголялись. Максимальная температура подогретого топлива в цистернах должна быть не менее, чем на 15 °С ниже температуры вспышки топлива. Конденсат греющего пара направляется в контрольный бак со смотровым стеклом. Давление пара, применяемого для подогрева топлива, не должно превышать 0,7 МПа. Для контроля за температурой подогрева предусматриваются термометры. При наличии на судне утилизационного котла в состав вспомогательной котельной установки включается утилизационный контур, режимы работы которого определяются не только нагрузкой потребителей пара, но и режимами работы главного двигателя. Однако в таких котлах греющей средой являются выхлопные газы от двигателя и все, что касается сжигания топлива, не относится непосредственно к котельным установкам. При этом утилизационный контур включается в питательную систему вспомогательной котельной установки, составляя с ней единое целое. По паровой стороне утилизационный контур подключается к потребителям пара через единый раздающий паровой коллектор. 11.2. Питательные системы Каждый котел (или группа котлов) должен обслуживаться не менее, чем двумя питательными насосами с независимым механическим приводом. При этом подача каждого насоса должна быть больше паропроизводительности котла не менее чем на 15 %. Питательная система должна обеспечивать питание котла (или группы котлов) каждым из питательных насосов через два независимых питательных трубопровода. Для предотвращения попадания нефтепродуктов в питательную воду в питательной системе предусматриваются специальные охладители грязных конденсатов и контрольно-смотровые цистерны. В системе автоматизации могут предусматриваться устройства контроля солености питательной воды. Согласно требованиям РМРС, эти положения должны быть соблюдены на любом судне, имеющем вспомогательные котельные установки. Технические решения питательных систем на конкрет238 Системы, обслуживающие судовые котлы ных судах могут различаться, но только в соответствии с указанными требованиями. Поэтому более подробно следует рассмотреть принципиальные особенности технических решений на примере компоновки питательной системы котельной установки со вспомогательным водотрубным котлом. В состав питательной системы (рис. 11.1) входят: теплый ящик 1, два центробежных питательных насоса 2 и 3, имеющих давление нагнетания 9 бар, байпасные перемычки 4, автоматический регулирующий клапан 5, ручной регулирующий клапан 6, невозвратные питательные клапаны 7 перед котлом и 8 после питательных насосов, манометры 9, запорные клапаны 10 на трубопроводах. К питательной системе целесообразно отнести также подпиточный насос 11, предназначенный для заполнения теплого ящика водой из цистерны добавочной воды 12, а также для подпитки его с целью восполнения утечек котловой воды при продувании котла и конденсата после потребителей пара. Рис. 11.1. Принципиальная схема питательной системы вспомогательного котла: 1 — теплый ящик; 2, 3 — центробежные питательные насосы; 4 — байпасные перемычки; 5 — автоматический регулирующий клапан; 6 — ручной регулирующий клапан; 7 — невозвратные питательные клапаны перед котлом; 8 — невозвратные питательные клапаны после питательных насосов; 9 — манометры; 10 — запорные клапаны на трубопроводах; 11 — подпиточный насос; 12 — цистерна добавочной воды; 13 — дроссельная шайба; 14 — перепускной клапан; 15 — охладитель чистых конденсатов; 16 — охладитель грязных конденсатов; 17 — контрольно-смотровая цистерна Работа питательной системы полностью зависит от нормального функционирования конденсатной системы потребителей пара, 239 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки с помощью которой конденсат отработавшего пара возвращается в теплый ящик питательной системы. Для этого используются охладитель чистых конденсатов 15, охладитель грязных конденсатов 16 и контрольно-смотровая цистерна 17. Питательные насосы обычно центробежные, одноступенчатые, электроприводные, нерегулируемые. Для уменьшения пусковой нагрузки насосов в питательной системе предусмотрены дроссельные шайбы 13, позволяющие отвести некоторое количество питательной воды в теплый ящик. Регулирование центробежных насосов осуществляется комбинированным способом — изменением сопротивления на нагнетании (дросселированием) с помощью питательного клапана с одновременным перепуском части воды со стороны нагнетания на всасывание с помощью шайб 13 и клапанов 14. На судах зарубежной постройки с цилиндрическими котлами фирмы Aalborg система питания имеет аналогичный состав оборудования (рис. 11.2). Рис. 11.2. Принципиальная схема подачи воды во вспомогательный котел Aalborg OS-TCi: 1–3 — места установки дозировочных устройств химической обработки питательной воды Для котельных установок дизельных танкеров и газовозов, где обычно устанавливается по два вспомогательных котла, питательная система оборудуется одним теплым ящиком и тремя питательными насосами (рис. 11.3). 240 Рис. 11.3. Схема питательной системы газовоза «Великий Новгород» Системы, обслуживающие судовые котлы 241 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Трехсекционный каскадный теплый ящик имеет систему контроля уровня и датчик обнаружения нефтепродуктов в поступающем от потребителей конденсате. Около питательных насосов расположены две станции ввода химических препаратов в питательную воду. Применительно к паротурбинным судам системы подачи питательной воды имеют существенные отличия. Питательная система главных котлов начинается не от теплого ящика, а от деаэратора, где происходит удаление из воды растворенных газов (кислород, углекислота). Одновременно деаэратор является сборником горячих конденсатов, т. е. емкостью для питательной воды. Кроме того, в таких установках предусмотрен подогрев питательной воды. Одной из ступеней подогрева является деаэратор, так как принцип термической деаэрации основан на прямом контакте распыливаемой воды с греющим паром. Особенностью этих систем является привод питательных насосов. В паротурбинных установках питательные насосы обычно турбоприводные и электроприводные. Последние необходимы при пуске котла, когда пара еще нет. Надежность работы питательных насосов главных котлов обусловлена их расположением в машинном отделении судна. Вода к насосам поступает из деаэратора с температурой, близкой к состоянию насыщения. При наличии гидродинамического сопротивления входа питательного насоса давление на входе в насос будет ниже, чем в деаэраторе, в результате чего произойдет вскипание воды, что неизбежно приведет к срыву подачи, если насос будет расположен на уровне деаэратора. Поэтому во избежание срыва подачи деаэратор размещают на несколько метров выше насоса. Подпор в установках паротурбинных судов может составлять более 20 м. В данном случае вода на всасывании насоса оказывается недогретой до температуры насыщения и вскипание исключено. 11.3. Топливные системы Система подачи жидкого топлива к котлам оборудуется двумя комплектами топливных насосов и фильтров на приемном и напорном трубопроводах, причем один из комплектов рабочий, другой — 242 Системы, обслуживающие судовые котлы резервный. Топливные насосы помимо местного управления должны иметь средства для остановки их из легкодоступных мест вне машинного отделения. На трубопроводе, подающем топливо к горелкам каждого котла, предусматривается установка быстрозапорного клапана с местным ручным управлением. Контроль температуры и давления топлива осуществляется с помощью термометров и манометров. Топливные трубопроводы, предназначенные для перекачки топлива, нагретого до температуры, превышающей 60 °С, располагаются в доступных для наблюдения местах. Цистерны, насосы, фильтры и другое оборудование в местах возможной утечки топлива снабжены поддонами со сточными трубами для отвода утечек топлива в сточные цистерны, оборудованные сигнализацией по верхнему предельному уровню. Для вспомогательных котлов паропроизводительностью до 10–16 т/ч применяются агрегатированные топочные устройства. Рассмотрим особенности конструктивного решения различных вариантов компоновки оборудования топливных систем, а именно: с рассредоточенным размещением оборудования, агрегатированного топочного устройства, с использованием двух видов топлива. Топливная система с рассредоточенным размещением оборудования в машинном отделении наглядно иллюстрируется принципиальной схемой системы вспомогательной котельной установки с водотрубным котлом (рис. 11.4). В состав топливной системы входят магистраль тяжелого топлива и магистраль легкого дизельного топлива. Магистраль тяжелого топлива включает цистерну тяжелого топлива 1, фильтр холодного топлива 2, два параллельно включенных шестеренных насоса 3, двухсекционный топливоподогреватель 4, между секциями которого включен фильтр горячего топлива 5. Конденсат от топливоподогревателя отводится конденсатоотводчиком. Подогреватель топлива снабжен мембранным предохранительным устройством, при разрыве мембраны которого от превышения допустимого давления топливо отводится по трубопроводу в цистерну. Датчик вязкости 6 и регулятор вязкости обеспечивают требуемую температуру топлива перед форсункой. 243 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Регулирование расходов топлива на котел осуществляется регулирующим топливным клапаном регулятора давления пара совместно с регулятором перепада давления топлива. Регулирующий клапан управляет воздушной заслонкой. Рис. 11.4. Схема топливной системы вспомогательного водотрубного котла: 1 — цистерна тяжелого топлива; 2 — фильтр холодного топлива; 3 — два шестеренных насоса; 4 — двухсекционный топливоподогреватель; 5 — фильтр горячего топлива; 6 — датчик вязкости; 7 — рециркуляционный топливный клапан; 8 — котел; 9 — специальный клапан; 10 — топливный насос; 11 — фильтр; 12 — цистерна легкого топлива Рециркуляционный топливный клапан 7 обеспечивает рециркуляцию топлива в магистрали при подогреве его во время пуска котла, а также при срабатывании защит. Автоматическое быстрозапорное устройство обеспечивает прекращение подачи топлива в котел в аварийных ситуациях. Магистраль легкого топлива включает цистерну легкого топлива 12, фильтр 11, топливный насос 10, клапан специальный 9 и невозвратно-запорное устройство. На магистрали предусмотрено предохранительное устройство, перекрывающее ее при неплотности клапана специального. Контроль давления и температуры топлива в топливной системе осуществляется с помощью манометров и термометров на местных постах управления непосредственно у котлов. 244 Системы, обслуживающие судовые котлы Трубопроводы топливных магистралей имеют паровые спутники — паровые трубопроводы, которые покрываются изоляцией вместе с топливными трубопроводами для обеспечения поддержания температуры топлива и температуры наружной поверхности изоляции на необходимом уровне в соответствии с требованиями санитарных норм, согласно которым она не должна превышать 60 °С. Топливная система агрегатированного топочного устройства. Упрощенная схема агрегатированного топочного устройства, приведенная на рис. 11.5, дает представление о принципе его работы. Рис. 11.5. Схема топливной системы котла с агрегатированным топочным устройством: 1 — трубопровод всасывания; 2 — трубопровод сливной; 3 — дренажный трубопровод; 4, 5 — соответственно форсунки I и II; 6 — электромагнитный клапан дренажный; 7 — электромагнитный клапан подпорный; 8 — трубопровод подвода топлива к форсункам; 9 — электромагнитный клапан рециркуляционный; 10 — манометр; 11 — термометр; 12 — трубопровод нагнетательный; 13 — топливоподогреватель; 14 — топливный насос; 15 — предохранительное автоматическое устройство 245 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Топливо из расходной цистерны поступает самотеком (гравитационная система) по приемной трубе 1 через предохранительное автоматическое устройство 15 к насосу 14, затем по напорной линии 12 направляется в электрический подогреватель топлива 13 и далее к форсункам и электромагнитным клапанам 7 и 9, от которых по трубам отводится избыточное топливо в дренажный трубопровод 3. Для зажигания факела предусматривается электрозапальное устройство с электродами. Распыливающие сопла I и II, а также другие внутренние части топочного устройства, размещенные в корпусе, защищены от лучистого воздействия топки щитком и отражательным диском, обеспечивающим одновременно регулирование количества первичного воздуха. Топочное устройство (горелка) представляет собой элемент системы автоматического регулирования давления пара в котле. Системы подачи воздуха и отвода дымовых газов присущи любому котлу. Для преодоления сопротивления воздушно-газового тракта судовых вспомогательных котлов обычно используются центробежные вентиляторы с электрическим приводом на переменном токе с двумя ступенями скорости. Воздушный тракт кроме вентилятора включает нагнетательный воздуховод, в котором устанавливается регулирующая воздушная заслонка. Воздух забирается вентилятором из машинного отделения и нагнетается к котлу. В котлах типа КАВ 1,6/7 воздуховод заканчивается в межобшивочном пространстве котла на переднем фронте. Перед входом воздуха в воздухонаправляющее устройство установлена регулирующая заслонка. Технические решения о расположении регулирующих заслонок могут быть различными, однако для всех котлов одинаковым является решение использования жесткой связи топливного клапана и воздушной заслонки (воздушного шибера). Следует отметить, что максимальное аэродинамическое сопротивление имеют воздухонаправляющие устройства, а на преодоление сопротивления газового тракта котла расходуется не более 10–20 % общего напора вентилятора. В агрегатированных топочных устройствах вентилятор установлен непосредственно в корпусе топочного 246 Системы, обслуживающие судовые котлы устройства, а регулирующая воздушная заслонка, устанавливаемая на всасывании вентилятора, имеет электроприводной сервопривод, работающий от системы управления. Системы с использованием двух видов топлива. На современных судах наряду с жидкими сортами топлив внедряется сжигание газа. При этом газовое топливо используется как на судах с паротурбинными установками, так и на дизельных судах. Во всех случаях сохраняется в полном объеме применение жидких топлив. Иногда такие установки называют трехтопливными, имея в виду тяжелое топливо, дизельное и газовое. Таким образом, главные котлы газовозов являются газомазутными и, следовательно, имеют две топливные системы: газовую и мазутную. Рассматривая газовое топливо, следует иметь в виду, что этот вид топлива является наиболее характерным для газовозов, где сжигаемый газ — это СПГ, перевозимый в сжиженном состоянии (при температуре минус 163 °C), состоящий из метана с небольшими включениями других углеводородных газов. За счет теплопритока из окружающей среды (атмосферы и морской воды) в сутки испаряется около 0,1–0,15 % объема перевозимого газа. Давление в грузовом танке практически атмосферное, равное 107 кПа, что недостаточно для подачи в машинное отделение к горелкам котлов с учетом сопротивления сети и регулирующих органов. Поэтому в отделении газовых компрессоров, расположенном на грузовой палубе, установлены два электроприводных центробежных компрессора, предназначенных только для подачи газа в машинное отделение. На судах LNGC компрессоры центробежные одноступенчатые с регулирующими лопатками на входе газа. Подача 8000 м3/ч, давление нагнетания 0,196 МПа. Температура газа на входе –140 °C, за компрессором –112 °C. Частота вращения вала компрессора 24000 об/мин. Приводные электродвигатели размещены в отдельном помещении (моторный отсек). Поскольку температура газа за компрессором –112 °C, необходимо прежде чем подавать газ к котлам, его подогреть с использованием подогревателя. В системе предусмотрена возможность байпасирования компрессора и подогревателя. 247 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Подача газа может регулироваться поворотом лопастей на всасывании компрессора, изменением частоты вращения электродвигателя или клапаном, регулирующим подачу газа. В случае, если испаряющегося газа недостаточно, из груза отбирается сжиженный газ по системе распыливания, предназначенной для захолаживания купола танка. Перевод жидкого газа в газообразное состояние осуществляется в принудительном подогревателе-испарителе (рис. 11.6, а). Газ для сжигания из компрессорного отделения подается в машинное отделение по обычной трубе. В непосредственной близости от котлов располагается помещение для газовой арматуры и коллекторов. Выгородка герметична и в ней поддерживается небольшое разряжение одним работающим вытяжным вентилятором. Другой вентилятор используется в качестве резервного. Выброс от вентиляторов производится в атмосферу через специальный отвод. Содержание газа в выгородке контролируется непрерывно прибором газового анализа. Трубопровод газа, входящий в машинное отделение, выполнен по схеме «труба в трубе». По внутренней трубе идет природый газ, в межтрубное пространство подается азот с давлением выше давления топлива. а) 248 Системы, обслуживающие судовые котлы б) Рис. 11.6. Принципиальные схемы подачи газа: а — в машинное отделение; б — к горелкам котла В соответствии с требованиями Правил РМРС, должна быть предусмотрена инертизация и дегазация части системы трубопроводов, расположенной в машинном отделении. Подобная система предусматривается на газовозах LNGC, где есть установка для получения азота из воздуха. Подача азота в межтрубное пространство необходима для исключения попадания метана в атмосферу машинного отделения в целях безопасности. В случае возникновения неплотности в газовой трубе азот попадает в поток газа. Главный газовый клапан находится вне машинного отделения. Газовая часть всех горелок также находится в выгородке, соединенной с помещением газовой арматуры (рис. 11.6, б) и, следовательно, в этой выгородке поддерживается тоже разряжение. Топливная система подачи жидкого топлива во многом схожа с обычными топливными системами паротурбинных установок (рис. 11.7). 249 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 11.7. Схема системы жидкого топлива газовоза LNGC с ПТУ : 1 — трехходдовые клапаны; 2 — угловые клапаны; 3 — отстойные расходные танки; 4 — расходная цистерна; 5 — форсуночный насос; 6 — регулятор; 7 — подача топлива на другой котел; 8 — промежуточная емкость; 9 — расходомер; 10 — регулятор давления топлива; 11 — перепускной клапан; 12, 17 — автоматические клапаны; 13 — топливный коллектор; 14 — подвод пара; 15 — форсунка; 16 — вискозиметр; 18 — дроссельная шайба; 19 — автоматический поршевой клапан; 20 — возврат топлива из топливного коллектора; 21 — фильтр тонкой очистки; 22 — подогреватель; 23 — расходомер; 24 — фильтр; 25 — дегазирующая камера Объем бункерных танков для тяжелого топлива паротурбинных газовозов обычно около 6 тыс. м3. К двум форсуночным насосам 5 топливо поступает из одного из двух отстойных расходных 250 Системы, обслуживающие судовые котлы танков 3 объемом приблизительно 210 м3 каждый. Одного такого танка может хватить на двое ходовых суток. Для дизельного топлива предусматривается один расходный танк 4 объемом около 50 м3 и один танк запаса объемом около 400 м3. Для хранения низкосернистого топлива служит танк объемом около 500 м3. Отбор топлива производится через быстрозапорные угловые клапаны 2. Перепад давления на сдвоенном фильтре 24 измеряется дифманометром, подключенным до и после него через разделительные сосуды. Переход на неработающий фильтр производится после появления предупредительного сигнала о высоком перепаде даления на работающем фильтре, для чего служат трехходовые клапаны 1. После фильтра топливо проходит через расходомер 23 и соединяется с потоком топлива из дегазирующей камеры 25 и поступает на всасывание одного работающего форсуночного насоса 5. Другой насос обычно в резерве. Форсуночные насосы могут запускаться или останавливаться с местного поста управления. Если насосы управляются дистанционно, то необходимо выбрать вид управления: автоматическое или ручное и тогда управление будет через объединенную систему автоматического регулирования. Если включено автоматическое управление, работающий насос не выбирается и может быть заменен другим насосом автоматически в случае, если он не обеспечивается необходимое давление. Из линии нагнетания насоса часть топлива возвращается через регулятор 6 в дегазатор. Благодаря рециркуляции топлива на нагнетании насосов поддерживается постоянное давление 2,6 МПа. После подогревателя 22 топливо проходит один из двух фильтров тонкой очистки 21 и подводится к вискозиметру 16. Ранее на паротурбинных установках танкеров использовались регуляторы температуры топлива для получения необходимой вязкости перед форсунками, в настоящее время используются вискозиметры и регулируется непосредственно вязкость. На некоторых судах предусмотрена возможность выбора регулировки вязкости или температуры. Обычно при сжигании тяжелого топлива поддерживается температура 127 °C, что соответствует вязкости 14,5 сСт. Затем топливо поступает в промежуточную 251 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки емкость 8, в которой установлены датчики температуры и далее топливо распределяется по котлам. Расход топлива на каждый котел измеряется своим расходомером 9. Каждый котел имеет собственный регулятор давления топлива 10. Подача на другой котел и возврат топлива из топливного коллектора обозначены стрелками 7 и 20. Отличием современных систем является использование в топливной системе дегазирующей камеры 25. В эту емкость отводятся пары топлива из расходных отстойных танков и топливо после топливных коллекторов 13. В дегазирующей камере топливо и газы разделяются и топливо поступает к форсуночным насосам. Перед каждой форсункой 15 после коллектора 13 последовательно установлено три клапана, из которых один ручной запорный, два других — автоматические поршневые 19. На входе и выходе из топливного коллектора установлены два автоматических клапана 12 и 17. Для ограничения сброса части топлива из коллектора в дегазирующую камеру установлена дроссельная шайба 18. Для продувания труб и ствола форсунок от остатков топлива предусмотрен подвод пара 14. Краткие сведения о составе газомазутных топливных систем, так как их обслуживание и управление подробно изучаются в специальном курсе «Эксплуатация судовых котельных и паропроизводящих установок». 11.4. Прочие системы котельной установки К прочим системам котельной установки относятся системы верхнего и нижнего продувания котлов, система очистки наружных и внутренних поверхностей нагрева котлов, а также ввода химических реагентов в котловую и питательную воду (рис. 11.8). Система верхнего и нижнего продувания котла, являющаяся обязательным элементом всех типов котлов, предназначена для удаления из котла пены, шлама и понижения концентрации солей в котловой воде. Присутствие в котловой воде органических соединений (даже в незначительных концентрациях) и различных солей вызывает вспенивание воды. В результате на зеркале испарения (свободном уровне воды в коллекторе) образуется пена, ко252 Системы, обслуживающие судовые котлы торую необходимо периодически удалять из котла путем верхнего продувания. Для этой цели в пароводяном коллекторе под свободным уровнем воды устанавливается воронка продувания, соединенная трубой с клапаном верхнего продувания, установленным на коллекторе. Продуваемая вода отводится в общую магистраль продувания. Рис. 11.8. Схема систем верхнего и нижнего продувания, внутренней и наружной химической очистки вспомогательного водотрубного котла: 1 — котел; 2 — эжектор; 3 — насос; 4 — дроссельный клапан; 5 — ротаметр; 6 — расширительный бак; 7 — клапан нижнего продувания котла; 8 — отвод удаляемой воды Введение тринатрийфосфата (или других реагентов) переводит соли жесткости Ca и Mg в шлам, который скапливается в виде коллоидной взвеси в нижней части котла — в водяных коллекторах водотрубных котлов или в районе топочных камер газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов. Во избежание осаждения шлама на поверхностях нагрева и образования вторичной накипи шлам должен периодически удаляться из котла путем нижнего продувания. Для этой цели в водотрубных котлах на водяных коллекторах устанавливаются клапаны нижнего продувания. 253 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В газотрубных и газотрубно-водотрубных котлах в связи с наличием застойных зон между корпусами котлов и топочными камерами устанавливаются внутрикотловые трубы продувания с несколькими ответвлениями труб, направленными открытыми концами в застойные зоны для более эффективного продувания. Необходимо отметить, что в зависимости от конструктивных особенностей нижней части корпуса котла того или иного типа выбор технических решений элементов нижнего продувания будет различным. Система очистки наружных и внутренних поверхностей нагрева котла может быть рассмотрены на примере технических решений системы для очистки водотрубных котлов отечественной постройки. Принцип действия этих систем остается неизменным и для других типов котлов, изменяются только второстепенные технические решения компоновки оборудования. Например, моющая среда может подаваться без использования эжектора при наличии насоса. В рассматриваемом случае система представляет собой специальную установку, собираемую на время промывки, которая состоит из расширительного бака 6 с подогревателем, электронасоса 3 для прокачки раствора через котел при внутренней химической очистке, гибких шлангов, запорной и присоединительной арматуры и термометров. Внутренняя химическая очистка производится моющим раствором путем прокачивания его через котел. Периодически контролируется концентрация моющих веществ в растворе, по мере их уменьшения определяют момент окончания очистки. После этого раствор удаляется из котла и производится нейтрализация остатков кислоты путем прокачивания раствора тринатрийфосфата. Если для внутренней очистки применяются другие химические реагенты, то следует строго соблюдать инструкции по их использованию. Наружная очистка от отложений золы и сажи водотрубных котлов осуществляется, например, химическим методом — пропариванием котла паром с раствором углекислого аммония и углекислого натрия, вводимого в газоход котла с помощью эжектора 2, устанавливаемого на место форсунки. Раствор готовится в баке 6 и подается к эжектору 2 через регулирующий клапан 4 и ротаметр 5, измеряющий расход моющей среды. Пар подает254 Системы, обслуживающие судовые котлы ся к эжектору по гибкому шлангу через регулирующий клапан 4. После пропаривании производится обмывка труб пресной водой с помощью ручных переносных шлангов через верхние лючки — сверху вниз, затем через топочный лаз. Обмывочная вода из топки котла удаляется через патрубок в сборный танк. Во избежание коррозии металла просушка котла производится сразу после обмывки. В некоторых случаях очистка производится только обмывкой пресной водой без предварительного пропаривания. В котельных установках с другими типами котлов возможны иные технические решения системы очистки, предумотренные конструктивными особенностями и инструкциями по эксплуатации. Система ввода химических реагентов в котел предназначена для предотвращения накипи на парообразующих поверхностях нагрева и защиты их от действия агрессивной щелочной среды. При фосфатно-нитратном режиме водообработки для этих целей используется тринатрийфосфат и натриевая селитра. Растворы этих реагентов приготовляются в специальных баках, имеющих водомерные стекла, подогреватели, линейки с ценой деления 0,2 л и мешалки. Растворы вводятся в котел через питательную систему с помощью дозировочной установки периодически после проведения химического анализа проб котловой воды, отбираемой из котла через специальный клапан отбора проб. 11.5. Утилизационные контуры вспомогательных котельных установок Расходы на топливо на современных теплоходах составляют более 20 % от общей суммы эксплуатационных расходов. Повышение эксплуатационных расходов происходит в связи со специализацией судов, увеличением их скорости и повышением стоимости топлива. Поэтому актуальность утилизации тепловых потерь и повышения КПД энергетической установки также возрастает. Существенным источником экономии энергии является утилизация выпускных газов главных двигателей. Кроме того, практикуется утилизация теплоты охлаждающей воды ДВС и совершенствование схем привода вспомогательных механизмов (использование 255 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки валоприводов и гидроприводов). При этомнаряду с уменьшением расхода топлива, наблюдается повышение надежности и сохранение ресурса вспомогательных двигателей и котлов. Утилизационный паропроизводящий контур включается во вспомогательную котельную установку и обслуживается тем же оборудованием с дополнительными циркуляционными насосами. В зависимости от типа и мощности главных двигателей, типа и назначения судна утилизация выпускных газов может осуществляться при помощи следующих систем: – системы обычной утилизации (теплофикационные системы), предназначенной для замещения вспомогательных котлов утилизационными при обеспечении машинных и общесудовых потребителей насыщенным паром; – системы глубокой утилизации теплоты, предназначенной для обеспечения судна не только насыщенным, но и перегретым паром, расходуемым на турбоприводные механизмы (турбогенераторы, турбонасосы, турбины гребных установок). В этом случае возможно полное или частичное замещение дизель-генераторов турбогенераторами, вспомогательных котлов — утилизационными. Утилизационные контуры систем обычной утилизации. Принципиальная схема утилизационного контура, обеспечивающего судовые потребители насыщенном паром на ходу судна (замещение вспомогательного котла), приведена на рис. 11.9. Вода из сепаратора пара 3 циркуляционным насосом 2 подается в парообразующую поверхность нагрева утилизационного котла 1. Пароводяная смесь отводится в сепаратор пара, где происходит разделение воды и пара. Пар влажный (с влажностью 0,5–1,0 %) поступает в общий распределительный паровой коллектор и далее к потребителям насыщенного пара. Утилизационный контур включается в питательную систему вспомогательной котельной установки, питательные насосы 4 которой, забирая питательную воду из теплого ящика, подают ее в сепаратор пара 3. Избытки пара, образующегося в утилизационном котле и неиспользованного потребителями пара, сбрасываются на конденсатор через регулирующий клапан. Конденсатный насос отводит конденсат в теплый ящик, куда возвращаются чистые 256 Системы, обслуживающие судовые котлы и грязные конденсаты от потребителей насыщенного пара. В большинстве случаев в обычных системах утилизации применяются водотрубные котлы с принудительной циркуляцией (кратность циркуляции колеблется в пределах 4–8). Давление пара в этих системах утилизации колеблется в пределах 0,4–0,7 МПа. Рис. 11.9. Схема системы обычной утилизации теплоты с котлом прямоугольной компоновки и байпасным регулированием паропроизводительности котла: 1 — змеевиковая поверхность нагрева котла; 2 — циркуляционный насос; 3 — сепаратор пара; 4 — питательные насосы В системах с обычной утилизацией роль сепаратора пара иногда выполняет вспомогательный котел (рис. 11.10), но в этом случае затрудняется его техническое обслуживание, поскольку вспомогательный котел практически постоянно находится под давлением в горячем состоянии. Нередко на современных судах с дизельными установками применяются комбинированные котлы, в которых топливная и утилизационная поверхности нагрева размещены в одном корпусе газотрубного котла с естественной циркуляцией. Такая компоновка 257 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки утилизационного контура имеет преимущество, состоящее в том, что обе части могут работать параллельно, обеспечивая при этом широкий диапазон изменения потребностей судна в паре, однако при этом затрудняется техническое обслуживание котла, постоянно находящегося под паром. Рис. 11.10. Принципиальная схема питательной системы с котлом, используемым в качестве сепаратора пара для утилизационного контура: 1 — утилизационный котел; 2 — конденсатор; 3 — контрольно-смотровая цистерна; 4 — охладитель грязных конденсатов; 5 — теплый ящик; 6 — подпиточные насосы; 7 — цистерна добавочной воды; 8 — питательные насосы; 9 — вспомогательный котел; 10 — циркуляционные насосы; S — солемер Утилизационные контуры систем с глубокой утилизацией теплоты. Утилизационные установки с глубокой утилизацией работают только на ходовом режиме, что дает экономию топлива примерно 4–6 % и позволяет заменить один дизель-генератор турбогенератором. Это возможно при мощностях главных двигателей выше 10000–12000 кВт с температурой выпускных газов на входе в утилизационный котел не ниже 300 °С. Утилизационные кот258 Системы, обслуживающие судовые котлы лы в этих схемах имеют большую поверхность нагрева, включающую экономайзер 1, парообразующую поверхность 2 и пароперегреватель 3 (рис. 11.11). Кроме того, утилизационный контур усложняется устройствами, обеспечивающими автоматическое регулирование паропроизводительности котлов и ввод в действие дизель-генераторов при резких изменениях режима работы главных двигателей или их внезапной остановке. Рис. 11.11. Схема системы глубокой утилизации: 1 — экономайзер; 2 — парообразующая поверхность нагрева; 3 — пароперегреватель; 4 — циркуляционный насос; 5 — сепаратор пара; 6 — питательный насос; 7 — теплый ящик; 8 — конденсатный насос; 9 — конденсатор; 10 — турбогенератор; 11, 12 — охладители чистых и грязных конденсатов; 13 — раздаточный коллектор Циркуляционный насос 4 подает в экономайзер 1 воду из сепаратора пара 5. Нагретая вода из экономайзера поступает в парообразующую поверхность нагрева 2, пароводяная смесь направляется 259 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки в сепаратор пара 5, откуда незначительное количество (1,2 т/ч) насыщенного пара отбирается на потребители пара через распределительный коллектор 13, а остальной пар направляется в пароперегреватель 3, где перегревается до 320–360 °С, необходимых для работы турбогенераторов 10. Отработавший пар сбрасывается на конденсатор 9, откуда конденсат насосом 8 направляется в теплый ящик 7. Конденсат насыщенного пара возвращается в теплый ящик через охладители чистых 11 и грязных 12 конденсатов. Питательная вода подается насосом 6 из теплого ящика в сепаратор. Рассмотрим схему утилизационного контура энергетической установки, работающей по газопаровому циклу, в котором газотурбинный двигатель 1 и паровая турбина 2 (рис. 11.12), потребляющая перегретый пар из утилизационного котла 5, работают в параллель через редуктор 3 на один вал. В схему включен также турбогенератор 4, работающий на перегретом паре. Остальные элементы системы такие же, как и в системе глубокой утилизации, приведенной на рис. 11.11. Рис. 11.12. Схема утилизационного контура газопарового цикла СЭУ: 1 — газотурбинный двигатель; 2 — паровая турбина; 3 — редуктор; 4 — турбогенератор; 5 — утилизационный котел; ТЯ — теплый ящик 260 Системы, обслуживающие судовые котлы Утилизационный котел выполнен из змеевиковых пучков оребренных труб диаметром 22 × 2 мм, включающих экономайзер, пучок парообразующих труб и двухсекционный пароперегреватель, обеспечивающий перегрев пара до 310 °С при давлении 1,14 МПа. Технические решения компоновочных схем утилизационных контуров различны, но принцип их действия одинаков: получение пара за счет использования теплоты выпускных газов двигателей. Контрольные вопросы и задания 1. Назовите назначение элементов питательной системы. 2. Укажите составляющие топливной системы. 3. Как регулируется соотношение топливо – воздух? 4. Размещение и роль воздухонаправляющих устройств. 5. Какая арматура устанавливается при подводе питательной системы к пароводяному барабану? 6. Перечислите особенности топливной системы при использовании газового топлива? 7. В каких случаях используется одновременно жидкое и газовое топливо? 8. Назначение системы верхнего и нижнего продувания. 9. Укажите элементы системы очистки поверхностей нагрева. 10. Перечислите составляющие схемы конденсатно-питательной системы вспомогательных котлов и их назначение. 11. Назовите элементы системы циркуляционной воды для утилизационных котлов. 261 12. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ, СИГНАЛИЗАЦИИ И ЗАЩИТЫ 12.1. Основные сведения о котельной установке как объекте управления Для обеспечения судовых потребителей требуемым количеством пара заданного качества (давления и температуры) необходимо выполнять ряд целенаправленных мероприятий с использованием элементов котельной установки. При этом все решения о необходимости выполнения тех или иных воздействий принимает человек-оператор. Такие воздействия называются управляющими и выполняются с помощью технических средств, образующими совместно с объектом систему управления. На современных судах автоматизация механической установки выполняется на базе компьютеров или программируемых контроллеров. Объем автоматизации судовой установки отражается в написании класса, присвоенному конкретному судну. В частности, для морских судов чаще всего используются уровни AUT1 и AUT2. В первом случае предусматривается работа без постоянной вахты в машинном отделении и центральном посту управления (ЦПУ), второй предполагает вахту в ЦПУ. На судах с высоким уровнем автоматизации в каютах механиков и общественных помещениях, а также в местах несения вахты на стоянке должны быть предусмотрены устройства системы аварийно-предупредительной сигнализации (АПС), извещающие в обобщенном виде о неисправностях механической установки. Средства системы управления СКУ подразделяются на следующие группы: 1. Средства управления конечными режимами работы установки (ввод и вывод из действия), корректировки режимов работы и состава действующего оборудования. Использование 262 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты этих средств осуществляется при непосредственном участии человека-оператора. 2. Средства поддержания с требуемой точностью заданных значений регулируемых величин на переходных и установившихся режимах работы установки, которые совместно с объектами управления образуют системы автоматического регулирования (САР). 3. Средства сбора, обработки и представления оператору информации о состоянии установки в совокупности, образующие систему контроля, важной частью которой является система сигнализации, предупреждающая оператора об изменении состояния рабочего процесса установки, т. е. система аварийно-предупредительной сигнализации. Составляющей АПС является система индикации и регистрации, отражающая параметры, достаточные для безопасной эксплуатации. Система АПС должна быть независимой от систем управления и защиты. 4. Средства, автоматически воздействующие на элементы установки в экстремальных ситуациях с целью предотвращения аварий, образующие систему автоматической защиты СКУ. Система защиты должна срабатывать автоматически при появлении неисправностей, которые могут вызвать аварийное состояние котлов. Взаимодействие приведенных ранее технических средств, объектов управления и человека-оператора показаны на принципиальной схеме (рис. 12.1), откуда следует, что главными функциями вахтенного механика являются: контроль технического состояния элементов СКУ по показаниям приборов и сигналам системы сигнализации в режиме слежения и принятие решений в случаях нарушения качества функционирования установки. При нормальном функционировании оборудования функции поддержания заданных значений регулируемых параметров выполняют системы автоматического регулирования. При установке на судне двух котлов, работающих на одну общую магистраль, должно быть предусмотрено автоматическое управление при одиночной работе каждого котла. 263 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 12.1. Судовая котельная установка как система «человек-машина»: Gв , Gт, GПВ — расходы воздуха, топлива, питательной воды соответственно; рк — давление пара в котле; рт —давление топлива; рПВ — давление питательной воды; tГТ — температура горячего топлива; hвну — сигнал для воздухонаправляющего устройства; САРГ — система автоматического регулирования горения; САРП — система автоматического регулирования питания; УБЗ — управление блока защиты Системы автоматического регулирования обеспечивают не только поддержание параметров, но и надежность работы всех составляющих рабочего процесса. 12.2. Основные понятия и определения Объектом регулирования называется емкость, аккумулирующая рабочее тело и (или) энергию, в которой протекают процессы, приводящие к изменению значения регулируемого параметра от внешних возмущений и требующие выполнения регулирующих воздействий на объект с целью восстановления первоначального значения параметра. 264 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты Паровой котел с естественной циркуляцией в аспекте автоматизации обладает отличительной особенностью, состоящей в том, что при анализе его рабочего процесса необходимо рассматривать в качестве самостоятельных объектов регулирования две аккумулирующие емкости, одна из которых входит в другую, с зеркалом испарения (свободным уровнем воды) в качестве границы между ними (рис. 12.2). Рис. 12.2. Схема совмещения двух аккумулирующих емкостей котла как объектов регулирования Нормальная работа котла на установившемся режиме при наличии свободного уровня воды возможна только при поддержании парового объема Vп постоянным с целью предотвращения заброса воды в паропровод. Из уравнения состояния насыщенного пара в этом объеме рк Vп = Gп RT следует, что при Vп = const давление пара в котле должно быть на всех режимах постоянным (pк = const) за счет поддержания постоянства количества пара в паровом объеме: Gп = const, где R — газовая постоянная насыщенного пара; T — абсолютная температура насыщенного пара. Для поддержания условия Vп = const необходимо обеспечивать постоянный уровень воды h, или Vв = const, за счет непрерывной подачи воды в котел в количестве DПВ, равном количеству отбираемого пара (паропроизводительности Dк). Отсюда следует, что первым регулируемым параметром котла должен быть уровень воды h, регулирующим воздействием — степень открытия питательного клапана, объектом регулирования — водяной объем 265 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Vв котла. Целью регулирования этого объекта служит обеспечение материального баланса котла: DПВ = Dк. Для получения Dк пара к водяному объему необходимо подводить Q1 теплоты, получаемой водой от поверхностей нагрева при сжигании в топке Bк топлива с Gв воздуха с учетом тепловых потерь. Так как возмущающим воздействием на котел является расход пара на потребители, любое его изменение отражается в первую очередь на величине количества пара Gп в паровом объеме и, следовательно, давлении пара рк. Поскольку реально измеримым параметром в этом случае служит давление пара, именно оно является вторым регулируемым параметром котла, а объектом регулирования — пароводяной объем котла (Vв + Vп), аккумулирующий совместно с металлом тепловую энергию и обеспечивающий энергетический баланс котла. В связи с тем, что регулирующим воздействием в данном случае служит изменение количества теплоты, на которое можно оказывать только косвенное влияние путем изменения количества сжигаемого топлива Bк именно оно и выступает вторым регулирующим воздействием. При этом известно, что расход топлива Bк и расход воздуха Gв= αV0 Bк жестко связаны между собой, что требует введения третьего регулируемого параметра — соотношения «топливо – воздух» Bк / Gв (возможно использование значения коэффициента избытка воздуха). Количество регуляторов в САР котла определяется числом регулируемых величин. Каждый регулятор устанавливает связь x = x (G, τ) между регулируемой величиной x, расходом соответствующей рабочей среды G и временем τ, называемую законом регулирования рабочего процесса по данной регулируемой величине. В этом случае расход рабочей среды представляет собой функцию перемещения т регулирующего органа, перепада давлений Δр на нем и кинематической вязкости среды v, т. е. G = G (m, Δр, v). При этом, так как регулятор расхода изменяет только величину m = m (τ), необходимо также обеспечить постоянство Δр = const и v = const, для чего вводятся дополнительные регуляторы, воздействующие не на котел, а на режимы работы вспомогательных механизмов СКУ. При выборе количества этих регуляторов следует учитывать, что регулирование перепада давления в питательном 266 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты клапане требуется только при наличии турбопитательного насоса в главных котельных установках. Для центробежных питательных электронасосов вспомогательных котлов регулятор Δр = const не устанавливается. Таким образом, в системах регулирования вспомогательных котельных установок применяется ограниченное количество регуляторов (не более трех-четырех). Каждый регулятор совместно с аккумулятором объекта, регулируемую величину которого он измеряет и на регулирующий орган которого воздействует, образует замкнутый контур регулирования. Общая принципиальная схема такого контура приведена на рис. 12.3. Совокупность контуров регулирования, взаимосвязанных между собой, образует систему автоматического регулирования, которая в СКУ условно подразделяется на систему регулирования питания (САРП) и систему регулирования горения (САРГ), являющиеся относительно самостоятельными и связанными между собой объектом регулирования питания — объемом воды в котле, в котором аккумулируются и рабочее тело, и подавляющая часть тепловой энергии. Рис. 12.3. Схема контура регулирования Схемы реализации САР вспомогательных котельных установок подразделяются на релейные (позиционные), пропорциональные и релейно-пропорциональные (комбинированные). 267 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Релейные схемы применяются в САР котлов с большим относительным водосодержанием, где они реализуются по двухпозиционному («включено-выключено») принципу работы котлов. Такие схемы используются в котлах, вырабатывающих насыщенный пар для потребителей, допускающих изменение давление пара в некотором диапазоне (обычно ± 1,5–3 бар). Пропорциональные схемы регулирования применяются в САР котлов, вырабатывающих перегретый пар для турбоприводных механизмов, требующих поддержания постоянства давления в котле на всех режимах их работы. Релейно-пропорциональные схемы (комбинированные) используются в САР водотрубных котлов с малым относительным водосодержанием, вырабатывающих насыщенный пар для всех судовых потребителей. Они обеспечивают работу котлов по принципу включено-выключено на малых нагрузках — до 25 % и по пропорциональному принципу на нагрузках более 25 %. 12.3. Системы автоматического регулирования питания котлов Регулируемым параметром в системе питания является уровень воды, любые изменения которого служат импульсом для системы автоматики. Регуляторы с одним импульсом по уровню называются одноимпульсными, их главным недостатком является то, что они вступают в работу только после того, как уровень воды изменился. В случае, если скорость изменения уровня велика, они не могут предотвратить значительное рассогласование между паропроизводительностью и количеством подаваемой воды. Данное обстоятельство усугубляется также явлением набухания уровня при изменении расхода пара из котла, когда регулирующий орган перемещается в направлении, противоположном требуемому. Это хорошо видно на примере действия простейшего поплавкового регулятора уровня, известного еще со времен Дж. Уатта (рис. 12.4), используемого в газотрубных котлах первых паровых машин. Так, при набросе (увеличении) нагрузки давление в паровом объеме снижается, происходит дополнительное парообразова268 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты ние за счет аккумулированной в водяном объеме и металле объекта теплоты, и уровень воды повышается. При сбросе нагрузки, наоборот, уровень понижается («провал» уровня) вследствие конденсации части пара, находящегося в водяном объеме. а) б) в) Рис. 12.4. Принципиальная схема автоматического регулирования уровня воды в котле с поплавковым регулятором (а), статическая характеристика котла с поплавковым регулятором (б), характер изменения уровня на переходных режимах при набросе и сбросе нагрузки котла (в) Реакция исполнительного органа поплавкового регулятора следующая. В случае набухания уровня измерительный орган поднимается вверх и через рычажное устройство прикрывает питательный клапан для восстановления псевдонарушенного материального баланса котла. Поскольку котел обладает свойством самовыравнивания по давлению пара, через 1–1,5 мин уровень воды понизится и займет новое положение в соответствии со статической характеристикой. Для котлов с большим водосодержанием изменения уровня на переходных режимах незначительны и поэтому не опасны, чем обусловлено успешное применение поплавковых регуляторов типа «Мобрей» для релейных схем САР в газотрубно-водотрубных котлах 269 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки (рис. 12.5). Достаточно часто вместо поплавковых реле типа «Мобрей» в этих котлах применяются электродные измерители уровня воды (рис. 12.6), используемые одновременно для управления, сигнализации и защиты. а) б) Рис. 12.5. Общий вид регулятора «Мобрей» (а) и его поплавковых датчиков (б): 1 — резервуар регулятора; 2 — паровой клапан; 3 — датчик верхнего уровня; 4 — датчик нижнего уровня; 5 — аварийный датчик; 6 — водяной клапан; 7 — клапан продувания; 8 — поплавок; 9 — выключатель Рис. 12.6. Схема системы регулирования газотрубного котла типа КВА: 1 — котел; 2 — питательный насос; 3 — котельный вентилятор; 4 — электродвигатель; 5 — топливный насос; 6 — блок управления; 7 — электромагнитный клапан; 8 — электродный измерительный элемент уровня; 9 — реле давления пара 270 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты Паровые котлы должны иметь как минимум два независимых друг от друга датчика нижнего уровня воды. Один нижний датчик (рис. 12.7) задействован только для защиты от аварии вследствие отсутствия воды, второй — может быть использован в качестве дополнительного для защиты по нижнему уровню воды, а также для системы АПС и регулирования питания. Рис. 12.7. Схема электродного измерителя уровня воды в пароводяном барабане: 1 — брызгозащитный лист; 2 — электроды; 3 — вибрационная опора; 4 — защитная труба; 5 — защита по высокому уровню; 6 — отключение питательного насоса; 7 — пуск питательного насоса; 8 — защита по низкому уровню; 9 — аварийное отключение В водотрубных вспомогательных котлах одноимпульсные регуляторы поплавкового типа действуют ненадежно из-за резких значительных отклонений уровня на переходных режимах, что обусловлено малой массой воды собственно в пароводяном коллекторе, так 271 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки как основная масса воды сосредоточена в водяном объеме парообразующих труб и водяных коллекторов. Поэтому в котлах используются другие технические решения измерительных органов уровня воды — дифференциальные мембранные реле с конденсационными сосудами, гидростатические и двухимпульсные регуляторы. В течение длительного времени в судовых котлах используются термогидравлические регуляторы с импульсным генератором (рис. 12.8). Рис. 12.8. Схема термогидравлического регулятора уровня воды в котле: 1 — соединительная трубка; 2 — внутренняя трубка; 3 — колба; 4 — клапан с водяной стороны барабана; 5 — манометр; 6 — мембрана регулирующего клапана; 7 — клапан регулирующий; 8 — оребренная часть (охладитель); 9 — клапан с паровой стороны барабана Принцип действия термогидравлического импульсного генератора (далее — измерителя) следующий. Измеритель представляет собой трубку 2, соединенную клапанами 4 и 9 с паровым и водяным 272 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты пространством пароводяного коллектора. В нижней части трубка 1 имеет крестообразные ребра 8 для охлаждения находящейся в ней воды, верхняя ее часть покрыта изоляцией. В трубке 2, как и во внутренней трубке 1, уровень воды соответствует уровню в пароводяном коллекторе. Наклонный участок трубки 2 проходит соосно через трубку (колбу) 3, образуя кольцевое пространство между ними. В это пространство заливается дистиллят до уровня, несколько превышающего уровень во внутренней трубке 1, и оба конца колбы запаиваются, образуя герметичное пространство, которое в своей нижней части соединяется трубкой с полостью над мембраной исполнительного механизма 6, связанного со штоком регулирующего клапана 7. Вода в кольцевом пространстве измерителя за счет теплоты, отбираемой от пара, заполняющего верхнюю часть трубки 2, испаряется, и пар заполняет верхнюю часть колбы. Давление в колбе изменяется при изменении уровня воды в трубке 2, передается на мембрану 6 и через нее на клапан 7, регулирующий подачу питательной воды в котел. Для контроля давления в колбе на трубке регулирующего клапана предусмотрен манометр 5. Основное достоинство пропорциональных регуляторов термогидравлического типа состоит в том, что их измерители не имеют механических сочленений или сальниковых выводов в системе передачи результата измерения на регулирующий клапан. Несмотря на достаточно большой срок эксплуатации термогидравлических регуляторов такие устройства используются до настоящего времени. В частности, отечественные котлы типа КАВ и КВВА оборудуются такими регуляторами. 12.4. Системы автоматического регулирования горения 12.4.1. Система автоматического регулирования горения по релейной схеме Системы автоматического регулирования горения вспомогательных котлов могут выполняться как по релейной, так и по релейнопропорциональной схемам. Для котлов с большим относительным 273 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки водосодержанием — газотрубных и газотрубно-водотрубных — в подавляющем большинстве случаев применяют релейные САР горения, работающие по двухпозиционному принципу на всех нагрузках котла. В некоторых случаях (особенно при наличии на судне потребителей пара большой тепловой мощности) применяются также комбинированные схемы. Устройство и принцип действия двухпозиционной САР приведены на структурной схеме (рис. 12.9). Регулятор 1 релейного типа замыкает электроцепь при р = рmin и размыкает ее при р = рmax. В электроцепь включены пускатели 2 электродвигателей топливного насоса 3 и электровентилятора 4, а также запальное устройство 5. Включение и отключение оборудования производится по специальной программе в определенной последовательности: включение — сначала вентилятор для вентиляции топки, затем одномоментно топливный насос и запальное устройство; выключение — в обратной последовательности. Рис. 12.9. Схема релейной (двухпозиционной) системы регулирования горения топлива: 1 — регулятор релейный; 2 — пускатели электродвигателей топливного насоса и вентилятора; 3 — топливный насос; 4 — вентилятор; 5 — запальное устройство Электродвигатель питательного насоса в электроцепь включается не всегда, так как подача воды в котел производится только 274 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты по сигналу датчика уровня. Это же относится и к подогревателю топлива, клапан подачи пара на который открывается по сигналу датчика вязкости. Двухпозиционная система регулирования горения проста и не содержит каких-либо регулирующих органов на топливном и воздушном трубопроводах. Она достаточно надежна при работе котлов на легких сортах топлива, не требующих подогрева. По такому же принципу реализуется система регулирования горения в агрегатированных топочных устройствах типа «Монарх», «Ойлон» и др. Рассмотрим общее устройство системы автоматического управления агрегатированного топочного устройства типа «Ойлон» (рис. 12.10). Система релейная, двухпозиционная, снабжена программным устройством — кулачковым командоконтроллером. Периферийными устройствами служат датчики давления пара в котле — прессостаты Pi, датчик предельного нижнего уровня воды в котле (поплавковый датчик уровня «Мобрей»), датчик факела Фа, датчик положения фланца Фл топочного устройства (конечный выключатель) и датчик минимально допустимой температуры топлива — термостат tmin. Назначением прессостата РI является контроль диапазона изменения давления пара в котле, в пределах которого топочное устройство работает с подачей топлива через форсунку ФI. Прессостат РII контролирует диапазон изменения давления пара, в пределах которого дополнительно к подаче топлива через ФI включается подача через форсунку ФII. Назначением прессостата Рmах является отключение топочного устройства (защита) при повышении давления пара в котле до максимально допустимой величины, меньшей, чем величина подрыва предохранительного клапана, а также в блокировке пуска топочного устройства после снижения давления. Деблокировка осуществляется вручную нажатием кнопки клапана деблокировки КД. Регулятор «Мобрей» с датчиком предельно допустимого нижнего уровня — поплавковый, двухпозиционный, с магнитным замыкателем контактов — совместно с такими же датчиками нормального рабочего верхнего и нижнего уровней котла расположен в отдельной камере, соединенной с паровым и водяным пространством котла. 275 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 12.10. Принципиальная схема системы управления топочным устройством «Ойлон RP-52УР»: ЭК-6, ЭК-7, ЭК-9 — электромагнитные топливные клапаны; ФI, ФII — форсунки; Э — электродвигатель; ЭВК —электровентилятор котельный; Тр.З — трансформатор зажигания; Фа — датчик факела; Фл — датчик положения фланца топочного устройства; См — сервомотор воздушной заслонки 3.2; tmin — датчик минимально допустимой температуры топлива; ТН — топливный насос; ТП — топливоподогреватель; Тс — термостаты топливоподогревателя; ОВ — общий выключатель; ВФI, ВФII — переключатели топлива форсунок I и II; ЛТП, ЛФ I, ЛФ II, ЛП — лампы сигнализации работы топливоподогревателя, форсунок I и II и срабатывающих защит соответственно; PI, PII, Pmaх, Pmin — прессостаты давления пара в котле; Уmin — датчик уровня воды в котле; КД — кнопка деблокировки повторного пуска топочного устройства при обрыве факела; ТЦ — циркуляция топлива Датчик положения фланца Фл топочного устройства — двухпозиционный: контакты его замкнуты, когда фланец закрыт, и разомкнуты в противном случае (т. е. блокируется пуск топочного устройства). Датчик минимально допустимой температуры tmin топлива — двухпозиционный, он блокирует пуск топочного устройст276 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты ва или отключает его, если температура ниже установленного значения для конкретного топлива. Программное устройство, понижающий трансформатор 380/ 220 В, выключатель топливоподогревателя, плавкие предохранители, пакетные переключатели автоматического и ручного пуска находятся внутри шкафа пульта управления, на дверце которого расположены сигнальные лампы, кнопка деблокировки и рукоятки выключателей. 12.4.2. Система автоматического регулирования горения по релейно-пропорциональной схеме В водотрубных вспомогательных котлах применяют релейнопропорциональное регулирование горения. Объясняется это тем, что в котлах с малым водосодержанием и, следовательно, низкой тепловой аккумулирующей способностью частота включения топочного устройства при повышении нагрузки котла сверх 25 % резко возрастает. Надежность котлов, вспомогательного оборудования и автоматики при такой частоте зажигания факела заметно снижается. Принцип действия релейно-пропорциональной САР рассмотрим на примере автоматической системы управления однокотельной установки с котлами отечественной постройки типа КАВ (рис. 12.11). Обеспечение автоматической работы СКУ производится с помощью блока автоматического управления (БАУ), блока трансформатора зажигания и регуляторов. Главным исполнителем является регулятор давления пара (РДП), реле включения которого вместе с программной кассетой размещено в БАУ. Давление пара в котле измеряется специальным манометром, выходной сигнал которого, прямо пропорциональный давлению пара в котле, поступает на вход реле, где суммируется с заданным программой сигналом. Суммарный сигнал поступает на механизм электрический однооборотный, управляющий топливным регулирующим клапаном (топливным золотником) и регулирующей воздушной заслонкой с помощью кулачка изменяемого профиля. Необходимое соотношение топливо – воздух достигается настройкой профиля ленты кулачка. 277 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 12.11. Схема системы автоматического регулирования горения вспомогательного водотрубного котла типа КАВ: ТН — топливные насосы; ПТ — топливоподогреватель; ДВ — датчик вязкости; ДМ — дифранометр; РВТ — регулятор вязкости топлива; РДП — регулятор давления пара; РРДП — реле регулятора давления пара; ЭАК — электровентилятор котельный; РВЗ — регулирующая воздушная заслонка; ТРК — топливный рециркуляционный клапан; УБЗ — устройство быстрозапорное; РДРП — регулятор давления распыливающего пара; РПДП — регулятор перепада давления топлива; КлС — клапан специальный; УНЗ — устройство невозвратно-запорное Условные обозначения: — топливо; — пар; — воздух; ------- — импульсы пара в котле На топливном золотнике в процессе работы поддерживается перепад давлений ΔрТЗ = const, необходимый для получения линейной зависимости расхода топлива от угла поворота топливного золотника, что обеспечивает линейную зависимость расхода топлива от паропроизводительности котла (рис. 12.12). Изменение ΔрТЗ приводит к перемещению штока регулятора перепада давления топлива (РПДТ) до восстановления заданной величины ΔрТЗ путем изменения количества перепускаемого топлива с нагнетания на всасывание топливного насоса. Изменение давления топлива 278 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты на форсунку вызывает изменение перепада давления на капилляре датчика вязкости, формирующего импульс на регуляторе вязкости топлива (РВТ), изменяющий расход пара на топливоподогреватель. Рис. 12.12. Зависимость расхода топлива от паропроизводительности котла Релейное регулирование давления пара в котле на нагрузках 0–20 % осуществляется следующим образом. При снижении нагрузки котла до 20 % механизм электрический однооборотный выходит на упор, и в котел поступает топливо и воздух в количествах, соответствующих 20%-й нагрузке, что приводит к повышению давления пара в котле до 7,5 бар. При этом срабатывает реле позиционного регулирования давления пара, происходит автоматическое отключение вентилятора, топливного и питательного насосов. Горение в котле прекращается. При снижении давления пара в котле до 5,5 бар срабатывает реле позиционного регулирования давления пара и происходит автоматическое включение котла, если мазут не остыл. При остывании мазута до допустимой минимальной температуры, если автоматическое включение не произойдет, на БАУ появятся соответствующие предупредительные сигналы. Для запуска котла необходимо последовательно нажать кнопки «Стоп» и «Пуск». В этом случае пуск котла происходит при работе на легком топливе, не требующем подогрева, с одновременным подогревом мазута при его рециркуляции через открытый топливный рециркуляционный клапан (ТРК). В рассматриваемой системе регулирования горения агрегатированного топочного устройства предусмотрена установка регулятора давления распыливающего пара (РДРП), служащего для поддержания заданного давления распыливающего пара, подводимого к форсунке с целью обеспечения качественного распыления 279 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки топлива на средних и малых нагрузках котла. Регулятор образует автономный регулирующий контур, функционально не связанный с топливной системой СКУ. В состав системы автоматического управления СКУ входит клапан специальный, предназначенный для поддержания заданного давления топлива в магистрали легкого дизельного топлива (рис. 12.13). Рис. 12.13. Устройство клапана для поддержания заданного давления легкого топлива: 1 — гайка нажимная; 2 — сильфон; 3 — пружина; 4 — корпус; 5 — золотник; 6 — пружина На судах зарубежной постройки применяются релейно-пропорциональные САР горения топлива с другим составом элементов и другими техническими решениями отдельных узлов при сохранении тех же принципов регулирования подвода топлива и воздуха к котлу. 12.5. Системы сигнализации и защиты судовых котлов Для вспомогательных котельных установок, работающих без постоянной вахты, весьма важно рационально организовать сигнализацию и защиту в предаварийных и аварийных ситуациях. Защита котла выполняется выключающим действием, когда в случаях 280 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты предельного отклонения любого параметра защиты подача топлива и воздуха в топку мгновенно прекращается. В нормативной документации указаны параметры, по предельным отклонениям которых требуется защита. Правилами РМРС предусмотрены минимум четыре неотключаемые защиты, автоматически прекращающие подачу топлива к форсунке: - в случае прекращения подачи воздуха в топку или недостаточного его напора (может и не быть, если вентилятор и топливный насос приводятся от одного двигателя); - при обрыве факела у форсунки; - при достижении нижнего предельного уровня в котле; - в случае прекращения движения нагреваемой среды для котлов с принудительной циркуляцией. При этом прекращение подачи топлива производится с помощью двух самозакрывающихся, последовательно включенных клапанов, если приемный клапан на расходной топливной цистерне расположен выше топочного устройства. Кроме неотключаемых защит возможно применение защит и по другим параметрам: по вязкости топлива, по давлению распыляющего пара, по давлению топлива перед форсункой, по давлению пара в котле и др. Следует отметить, что защита по обрыву факела должна срабатывать не только в период работы котла, но и при его розжиге: при отсутствии пламени в течение не более 5 с с момента начала подачи топлива. В отличие от указанных защит, функционирующих во время работы котла под нагрузкой, в системах автоматического управления СКУ предусмотрены блокировочные устройства, допускающие подачу топлива в топку котла только при следующих условиях: - форсунка находится в рабочем положении; - питание подано ко всему электрическому оборудованию СКУ; - воздух подан в топку котла; - запальная форсунка работает или включено электрическое зажигание; - уровень воды в котле нормальный. 281 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Кроме этих блокировок, согласно требованиям классификационных обществ, необходимо наличие устройств, не позволяющих подавать топливо в топку, если не выдержано установленное нормативной и технической документацией время ее вентиляции. В некоторых случаях блокируется также пуск котла на тяжелом топливе, если оно не обладает необходимой для хорошего распыливания вязкостью (температурой). Особо строгие требования предъявляются к устройству датчиков уровня воды в котле: должно быть по меньшей мере два независимых друг от друга датчика уровня воды с различно расположенными точками замера. В случае с поплавковыми регуляторами также предусмотрено два контакта по нижнему уровню, один из которых используется только для защиты от аварий вследствие низкого уровня воды, другой служит как дополнительный для защиты, а также для сигнализации и системы регулирования. На вспомогательных водотрубных котлах устанавливаются поплавковые сигнализаторы и датчики уровня с вертикальным расположением поплавков, на штоках которых закреплены постоянные магниты (рис. 12.14). Магниты через стенку немагнитной трубки воздействуют на постоянные магниты якорей с контактами или микровыключателями. При изменении уровня воды поплавок с магнитом, воздействуя на магниты якорей, обеспечивает замыкание соответствующих контактов. В таких средствах защиты и сигнализации магнитные якоря с контактами устанавливаются вдоль трубки в точках верхнего предельного уровня (ВУ), нижнего предельного уровня (ПНУ) и нижнего аварийного уровня (АНУ) воды. Так, на рис. 12.14 контакт магнитного якоря ПНУ замкнут, лампа Л2 сигнализирует о предупредительном нижнем уровне воды. В системе позиционного (релейного) регулирования этот контакт включает питательный насос. Датчики системы измерения через делитель напряжения, состоящий из цепочки резисторов R1–R5, контактами В1–В6 поочередно замыкают цепь питания дистанционного измерителя уровня (ДИУ). 282 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты Рис. 12.14. Схема установки поплавковых датчиков уровня в пароводяном коллекторе водотрубного котла типа КАВ Индицирующим прибором в ЦПУ является вольтметр постоянного тока со шкалой, градуированной в единицах измерения уровня. От стабилизированного источника питания постоянного тока с регулировочного резистора Rр напряжение 10 В подается на цепочку резисторов R1–R5. При максимальном значении уровня замкнется контакт В1, и на прибор будет подано полное напряжение. При аварийно низком уровне поплавок опустится и поставит магнит на упор, контакт В6 замкнется, прибор зашунтируется и стрелка установится на нулевой отметке. В некоторых котельных установках, кроме предохранительных клапанов, предусматривается защита по предельно допустимому давлению пара, значение которого устанавливается более низким, чем давление срабатывания предохранительных клапанов. Следует отметить, что условно к системе защиты можно отнести также требование наличия возможности отключения топочного устройства с двух мест, одно из которых должно быть расположено 283 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки вне котельного отделения, а также дистанционное отключение автоматизированных котельных установок из ЦПУ или поста управления, в котором предусмотрена постоянная вахта. Примером расположения приборов на переднем фронте котла типа КАВ является рис. 12.15. Рис. 12.15. Расположение контрольно-измерительных приборов на переднем фронте котла типа КАВ: 1 — дифманометр; 2, 3 — давление топлива за топливоподогревателем и топливным золотником; 4 — термометр; 5 — давление в импульсном генераторе термогидравлического регулятора уровня; 6 — давление распыливающего пара; 7 — давление в питательной магистрали; 8 — давление топлива перед форсункой; 9, 10 — давление пара в котле; 11 — дифманометр-тягонапорометр; 12 — водоуказательные приборы Сигнализация, наряду с индикацией параметров с помощью контрольно-измерительных приборов, предназначена для обеспечения вахтенного механика необходимой информацией о состоянии функционирующего оборудования в любой момент его работы. Различают три вида сигнализации: – информационную, сигнализирующую о нормальной работе оборудования системы; – предупредительную, подающую световые и звуковые сигналы о приближении контролируемого параметра к предельному значению, т. е. к возникновению аварийной ситуации; – аварийную, сигнализирующую о срабатывании защит и выключении СКУ. 284 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты В вопросе безопасности котлов особое значение приобретает предупредительная сигнализация, которая должна действовать в следующих случаях: – при понижении уровня воды до нижнего предельного; – при повышении уровня воды до верхнего предельного; – при неисправностях в системах автоматического регулирования и устройствах защиты; – при неисправностях в системах горения котлов; – при недопустимом повышении солености питательной воды. Основные параметры вспомогательных СКУ и автоматических защит с указанием мест замеров параметров и видов индикации их в ЦПУ, согласно ч. ХV Правил РМРС, приведены в следующей таблице: Предельные значения параметров Автома Индикация тическая параметров в ЦПУ защита № п/п. Контролируемый параметр 1 Давление пара В барабане Максимальные, Остановка Постоянная котла минимальные котла 2 Уровень воды В барабане Максимальные, Остановка Постоянная котла минимальные котла 3 Давление топлива Перед форсункой 4 Давление воздуха 6 Факел 8 Минимальные Вязкость Перед Максимальные, (температуфорсункой мининимальные ра) топлива 5 7 Место замера – По вызову Перед Остановка топочным Мининимальные котла устройством – Обрыв факела Остановка котла – Минимальные Остановка котла – Минимальные – – – Давление воздуха Перед или пара форсункой для распыла Уровень воды Остановка По вызову котла В теплом ящике 285 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Системы автоматического регулирования обеспечивают надежность и безопасность судовой котельной установки в целом. 12.6. Системы автоматического регулирования утилизационных контуров Регулируемыми параметрами рабочего процесса утилизационных контуров являются давление пара и уровень воды в сепараторе пара. В современных утилизационных контурах в подавляющем большинстве случаев применяются утилизационные котлы с принудительной циркуляцией воды, требующей конструктивного разделения парообразующей поверхности нагрева (собственно УК) и пароводяного объема — сепаратора пара. Данное обстоятельство обусловлено отличительной особенностью контура: поверхности нагрева УК включаются в систему выпускных газов двигателя, а сепаратор пара входит в состав питательной системы вспомогательного котла и включается в паровую систему потребителей пара. В свою очередь, этим предопределено разделение объектов регулирования на аккумулирующие емкости (собственно УК) и пароводяного объема сепаратора пара, что потребовало выбора других способов регулирования, отличных от рассмотренных ранее. Принципиально способы регулирования уровня воды в сепараторе пара, как в емкости со свободным уровнем, практически не отличаются от рассмотренных ранее для вспомогательных котлов (см. п. 12.3). Способы регулирования давления пара в утилизационных контурах существенно отличаются от таковых для вспомогательных котлов. Объясняется это тем, что на установившемся режиме работы двигателя количество подводимой к УК теплоты постоянно. В данном случае регулирующее воздействие должно быть направлено непосредственно на количество полезно используемой в УК теплоты Q1, в отличие от вспомогательных котлов, где регулируется расход топлива и воздуха. По существу, в утилизационных котлах должна регулироваться их паропроизводительность. Следовательно, в соответствии с уравнением теплового баланса, изменение величины Q1 целесообразно осуществлять способом байпасирования газов с помощью газовых заслонок (см. рис. 11.9). 286 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты Однако необходимость установки громоздкого байпасного газохода с ненадежными газовыми заслонками существенно ограничивает применение этого способа на практике. В утилизационных котлах с обычной утилизацией применяют регулирование паропроизводительности отключением части парообразующей поверхности нагрева (секций или отдельных змеевиков) по циркуляционной воде. Регулирование в этом случае ступенчатое, достаточно грубое и применяется в комбинации с другими способами регулирования. Регулирование паропроизводительности УК в диапазонах нагрузок 10–30 % может осуществляться на основе зависимости физических характеристик рабочей среды от давления и температурных условий УК в соответствии с уравнениями конвективного теплообмена в парообразующих поверхностях нагрева. Рассмотрим основные способы регулирования уровня воды в сепараторе пара. 1. Способ регулирования изменением рабочего давления пара. В данном случае изменения температурного напора, обусловленные уменьшением или увеличением температуры пара на линии насыщения, вызывают изменения количества теплоты Q1 и, следовательно, паропроизводительности котла. При этом допустимый диапазон изменения рабочего давления по условиям работы потребителей пара достаточно узкий. 2. Способ регулирования изменением температуры циркуляционной воды (рис. 12.16, а) основан на зависимости количества используемой теплоты Q1 от температурного напора в поверхностях нагрева УК. Здесь циркуляционная вода охлаждается питательной водой в теплообменнике 1. Расход циркуляционной воды через теплообменник регулируется клапаном 2. Диапазон регулирования паропроизводительности этим способом также достаточно узкий вследствие ограничения понижения температуры циркуляционной воды температурой точки росы дымовых газов. Возможно также регулирование паропроизводительности УК изменением расхода циркуляционной воды с помощью трехходового клапана 1 (рис. 12.16, б). В этом случае диапазон регулирования определяется величиной кратности циркуляции. 287 И. И. Костылев а) Судовые котельные и паропроизводящие установки б) Рис. 12.16. Схема регулирования паропроизводительности утилизационного котла: а — изменением температуры циркуляционной воды; б — изменением расхода циркуляционной воды Условные обозначения: 1 — теплообменник; 2 — клапан регулировки Существенный недостаток данного способа состоит в том, что колебания кратности циркуляции обусловливают колебания паросодержания на выходе из змеевиков УК и, как следствие, появление межвитковой пульсации расходов через параллельные змеевики, вызывающей непрерывные колебания давления пара (рис. 12.17), что недопустимо. Рис. 12.17. Колебания паросодержания: 1 — расходов воды на входе в змеевик; 2 — расходов пароводяной смеси на выходе их змеевика; 3 — гидравлическое сопротивление змеевика при работе утилизационного котла в режиме межвитковой пульсации В связи с тем, что рассмотренные способы регулирования паропроизводительности, включая байпасирование по газовому потоку, 288 Системы автоматического регулирования, сигнализации и защиты не решают проблемы обеспечения требуемой величины давления пара, на практике используют способ регулирования сбросом излишков пара на конденсатор, который обеспечивает высокое качество регулирования давления пара, но требует больших затрат на изготовление дополнительного оборудования: конденсаторов, конденсатных насосов, автоматических регуляторов, арматуры, трубопроводов. Особенности автоматизации котельных установок с органическими теплоносителями заключаются в том, что теплоноситель представляет собой однофазную среду и главной задачей является необходимость обеспечения циркуляции с температурными условиями в заданных пределах. Системой сигнализации и контроля отслеживается температура теплоносителя за котлами и перед потребителями, а также уровень в расширительной цистерне. Температура теплоносителя поддерживается системой автоматического регулирования. Защитными параметрами для таких котлов являются: – температура теплоносителя на выходе из котла; – поток теплоносителя на выходе из котла; – уровень теплоносителя в расширительной цистерне; – повышение температуры газов в дымоходе вспомогательного или утилизационного котлов; – утечка теплоносителя в топке вспомогательного котла или в дренажной камере утилизационного. Контрольные вопросы и задания 1. В каких нормативных документах изложены требования к уровню автоматизации котлов? 2. Что является объектом регулирование котла? 3. Дайте характеристику понятия о регулируемых параметрах парового котла. 4. Для каких котлов могут применяться релейные (позиционные) системы регулирования? 289 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 5. В чем состоит отличие позиционной системы регулирования питания котла от пропорциональной? 6. Опишите принцип работы поплавкового измерителя уровня воды в котле? 7. Какие параметры уровня воды измеряются устройством с электродами? 8. В чем состоит принцип действия термогидравлического регулятора уровня воды в котле? 9. Каковы задачи системы автоматического регулирования горения топлива? 10. Каковы особенности компоновки элементов системы автоматики агрегата типа «Монарх»? 11. Укажите параметры, по которым предусмотрена автоматическая защита котлов. 12. В чем состоит назначение системы автоматического регулирования котла? 13. В чем заключается особенность понятия «автоматическое регулирование котлов с органическими теплоносителями»? 290 13. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 13.1. Причины изменения технического состояния элементов котельной установки Под техническим состоянием (ТС) объекта подразумевается состояние его свойств в данный момент времени. В процессе эксплуатации свойства объекта изменяются под воздействием различных факторов. Внешне это проявляется как отклонение значений параметров, характеризующих эти свойства, от установленных нормативно-технической документацией. Изменение свойств объекта отображается в совокупности его выходных параметров, в том числе касающихся материальных и энергетических выходных потоков, геометрических размеров и физических характеристик (прочности, вязкости, твердости и т. п.) конструкционных материалов. По изменению параметров материальных и энергетических потоков (на фиксированном режиме работы) можно судить только о том, изменилось ТС объекта или нет. Ответить на вопрос, что является причиной изменения ТС, позволяет только информация о динамике структурных параметров — геометрических размеров и физических характеристик материалов. В связи с этим принято считать, что по отклонению технико-экономических показателей оценивается изменение качества функционирования технического объекта, a по отклонениям структурных параметров — изменение его технического состояния. Поэтому эффективная техническая эксплуатация любого технического объекта невозможна, если неизвестны основные причины и закономерности изменения структурных параметров под влиянием рабочих процессов и внешних воздействий. 291 Любой рабочий процесс в технических объектах, предназначенных для преобразования энергии, сопровождается сопутствующими процессами, в той или иной степени вредными с точки зрения потребителя (отдельного человека или общества в целом). Объясняется это тем, что используемые энергоносители (топливо, вода, пар, воздух, дымовые газы и т.п.), содержащие различные примеси, не остаются нейтральными по отношению к материалам (металлам, огнеупорным и изоляционным материалам), из которых изготовлены технические объекты. Последнее особенно ярко проявляется в элементах судовых котлов, при рассмотрении рабочего процесса. Так, сжигание топлива сопровождается протеканием сопутствующих процессов изнашивания распылителей форсунок, коксования элементов топочного устройства, разрушения кирпичной кладки топки. При анализе процессов теплопередачи в поверхностях нагрева учитывается, что загрязнение труб отложениями золы и сажи служит причиной не только ухудшения теплообмена, т. е. снижения тепловой эффективности, но и повреждений труб, обусловленных наружной коррозией, термической усталостью и потерей прочности металла вследствие перегрева при высоких температурах. Процессы подогрева воды, парообразования и перегрева пара сопровождаются накипеобразованием, развитием химической и электрохимической коррозии и ухудшением температурного режима металла. При работе котла возможно появление циклических колебаний давления и температуры теплоносителя, обусловленное нарушениями устойчивости рабочих процессов из-за разрегулирования и нестабильности функционирования обслуживающих механизмов и устройств. Таким образом, исходными причинами всех изменений структурных параметров, т. е. изменений геометрических характеристик элементов котла и вспомогательного оборудования являются физико-химические процессы, сопутствующие рабочим процессам и протекающие на поверхностях деталей и внутри объема материалов, из которых эти детали изготовлены (рис. 13.1). К таким процессам относятся различные виды коррозии, эрозия, истирание, усталостные разрушения и изменение прочностных характеристик 292 Техническое состояние элементов котельной установки металла под действием высоких температур. В реальных условиях эти процессы существуют всегда, но интенсивность их протекания определяется следующими факторами: – загрязнением внутренних и наружных поверхностей элементов; – конструктивными и технологическими недостатками; – нарушениями инструкций по эксплуатации; – форс-мажорными обстоятельствами. Рис. 13.1. Принципиальная схема взаимосвязи процессов переноса вещества и энергии у поверхности и в объеме материала: 1 — процессы деформаций и разрушений; 2 — процессы образования пор и трещин; 3 — процессы самодиффузии атомов и вакансий; 4 — поверхностная диффузия; 5 — химические процессы; 6 — процесс теплопереноса; 7 — электролитические процессы; 8 — сорбционные процессы; 9 — процессы термофлуктуационных разрывов и восстановлений межатомных связей; 10 — процессы движения дислокаций; 11 — процессы старения; 12 — процессы внутризеренного и межзеренного скольжения 293 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Закономерности протекания процессов разрушения хорошо изучены теоретически. Влияние всех групп указанных факторов на повреждаемость элементов котла может быть понятно только на основе анализа характерных эксплуатационных случаев аварий и отказов оборудования. Это означает, что каждый раз при выяснении причин тех или иных повреждений необходимо четко выделить доминирующий фактор и реконструировать условия протекания процессов разрушения. Именно исходя из этого рассматриваются далее причины изменения технического состояния КУ, обусловленного повреждением их элементов. 13.2. Коррозия в судовых котлах Различают два основных вида коррозии элементов судовых котельных установок: химическую и электрохимическую. Химическая коррозия вызывается паром или водой (пароводяная) и горячими дымовыми газами (газовая коррозия). Пароводяная коррозия возникает при контакте водяного пара со сталями при температуре выше 500 °С. Система «железо – водяной пар» термодинамически нестабильна, и начавшаяся при контакте реагентов химическая реакция закончится только тогда, когда все железо перейдет в окисел, что возможно только в замкнутой системе. В котлах вместе с паром отводится водород — один из продуктов реакции, и скорость реакции замедляется или совсем прекращается вследствие образования магнетитовой (Fe3O4) пленки, выполняющей защитную функцию. Иными словами, реакция 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2 идет до тех пор, пока не наступит равновесие при строго установленном соотношении парциальных давлений водорода и водяных паров. При этом в реакции железа с паром возможно только образование Fe3O4 или FeO. Следует отметить, что именно эта реакция лежит в основе явления «горения» стальных труб поверхностей нагрева котлов в атмосфере водяного пара при возникновении пожаров в газоходах вследствие возгорания сажи или разрушения парообразующих труб при упуске воды. Наличие в продуктах коррозии на трубах окиси 294 Техническое состояние элементов котельной установки Fe2O3 свидетельствует об участии кислорода (O2) в процессе электрохимической коррозии. Пароводяная коррозия равномерно поражает весь участок контакта Fe и H2O. Газовая коррозия представляет собой процесс окисления стали топочными газами, в которых присутствует кислород (O2). Образующаяся при этом оксидная пленка препятствует дальнейшему развитию коррозии, интенсивность которой зависит от скорости диффузии кислорода через слой окислов, качества оксидной пленки (рис. 13.2). а) б) Рис. 13.2. Схема образования оксидной пленки в процессе газовой коррозии (а), виды ее разрушения (б) Условные обозначения: 1 — пузырь с разрывом; 2 — микропузыри в слое окалины; 3 — отслаивание; 4 — растрескивание при сдвиге; 5 — растрескивание на углах Пароводяная и газовая коррозия полностью контролируются температурой — чем выше температура, тем интенсивнее коррозия. Отсюда и методы защиты от этих видов коррозии: оптимизация температурных условий работы сталей, применение легированных 295 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки сталей, создание условий неразрушения магнетитовой пленки. Кроме того, равномерная коррозия под воздействием как воды, так и газов учитывается при расчетах прочности элементов котлов в виде «добавки на коррозию» (см. «Правила РМРС», ч. Х, п. 2.1.7). В практике эксплуатации судовых котлов процесс газовой коррозии интенсифицируется присутствием в дымовых газах окислов серы SO2 и SO3, ванадия V2O5 и других, а также наличием наружных отложений золы. В этом случае к равномерной газовой коррозии добавляется локальная химическая коррозия под воздействием агрессивных соединений ванадия, натрия, калия, серы, содержащихся в наружных отложениях золы. Наиболее интенсивное локальное окисление металла при температуре стенок выше 600 °С происходит под воздействием пятиокиси ванадия V2O5, которая разрушает оксидную пленку и выполняет роль катализатора — переносчика кислорода. При этом V2O5 отдает оголенному металлу трубы один атом кислорода, восстанавливаясь до V2O4. В этом состоянии окисел неустойчив и быстро окисляется до V2O5 кислородом, содержащимся в дымовых газах. Данный вид коррозии, который получил название высокотемпературной коррозии, наблюдается главным образом в пароперегревателях и неохлаждаемых деталях крепления (кронштейны, хомуты, гребенки) поверхностей нагрева, расположенных в зоне температур дымовых газов выше 650–700 °С. Скорость высокотемпературной коррозии оценивается 0,1–0,3 мм/г. Электрохимическая коррозия в котлах представляет собой основной вид разрушений элементов корпуса котла и определяет его надежность в эксплуатации. Физическая сущность процесса электрохимической коррозии состоит в следующем. Котловая вода является растворителем электролитов. При погружении в нее металла на его поверхности образуется двойной электрический слой. На поверхностные ионы металла действуют две силы: со стороны молекул воды — энергия гидратации W и со стороны свободных электронов — энергия связи W1 (рис. 13.3). Если W > W1 то ион-атомы металла переходят в раствор и удерживаются у поверхности силами взаимодействия между избыточными электронами металла и гидратированными ион ато296 Техническое состояние элементов котельной установки мами. Если ион атомы не удаляются с поверхности, то устанавливается равновесие и двойной электрический слой (рис. 13.4, а), выполняющий роль защитной пленки. Металл при этом заряжается отрицательно, т. е. является анодом. Такой механизм присущ железу (Fe), цинку (Zn), алюминию (Al) и др. Рис. 13.3. Схема процесса гидратации ионов материала при воздействии на них энергии гидратаций W и энергии связи W1 а) б) Рис. 13.4. Двойной электрический слой у поверхности твердого тела, образующийся при условиях: а — W > W1; б — W1 > W Если W < W1, то ион-атомы остаются в металле, а на поверхности адсорбируются катионы раствора, образуя внутреннюю обкладку слоя, на которой появляется внешняя отрицательная обкладка за счет избыточных анионов раствора (рис. 13.4, б). Металл здесь заряжен положительно, т. е. является катодом. К нему относятся: неоднородности строения, посторонние включения, отложения, царапины, забоины и т. д. Если слой не разрушается, то существующее 297 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки равновесие исключает коррозию, анод и катод изолированы друг от друга, и электродвижущая сила не возникает. У реальных металлов и сплавов анодные и катодные участки имеют общие границы, а цепь замыкает раствор электролита (рис. 13.5). У сталей анодными участками служат зерна феррита, катодными — примеси в сплаве, загрязнения, ржавчина и т. п. При возникновении микрогальванопары ее электродвижущая сила (ЭДС) определяется разностью потенциалов анода и катода, при возникновении ЭДС — анодная или катодная поляризации (разделение положительных и отрицательных частиц по полюсам) — рис. 13.6. При катодной поляризации электроны накапливаются на катоде, а ион-атомы металла уходят в раствор. Если электроны не удаляются с катода, то разность потенциалов снижается. Рис. 13.5. Анодные и катодные участки а) б) Рис. 13.6. Виды поляризации: а — катодная; б — анодная Следовательно, если одновременно удалять с катода электроны, а с анода — ион-атомы, то ЭДС будет поддерживаться постоян298 Техническое состояние элементов котельной установки ной и постоянным будет разрушение анода. Так, например, при наличии в воде гидроксила OH реакция имеет вид Fe2+ + 2OH– → Fe(OH)2, а при наличии ионов водорода — H+ + e → H интенсивность коррозии постоянна. Таким образом, поскольку в котловой воде всегда присутствуют анионы и катионы различных веществ, оба вида поляризации будут нарушаться, и скорость коррозии будет высокой. Вещества, вызывающие нарушение процессов поляризации, называются деполяризаторами, к которым в котловой воде относятся молекулы O2 и CO2, ионы H+, Cl– и SO42–, OH–, а также окислы железа и меди. Вещества, нейтрализующие действие деполяризаторов, называются ингибиторами коррозии (например, NaOH, Na3PO4, карбонаты и бикарбонаты кальция и магния). Растворенные в воде CO2, Cl– и SO42– предотвращают образование на аноде плотной защитной оксидной пленки, а ионы водорода снижают отрицательный заряд катода. Влияние кислорода О2 на скорость коррозии проявляется в двух противоположных направлениях. На катоде при этом накапливаются гидроксильные групп ОН–, а на аноде ион-атомы металла переходят в раствор. При этом процесс сопровождается образованием прочной оксидной пленки, в основном Fe2O3. Процесс коррозии с участием О2 обусловлен реакциями: – на аноде: Fe → Fe2+ + 2e; – на катоде: O2 + H2O → OH– ; – в растворе: Fe2 + 2OH– → Fe(OH)2. Образование оксидной защитной пленки протекает тем интенсивнее, чем выше водородный показатель pH, и при pH = 9,5–10 коррозионный процесс в присутствии кислорода резко замедляется по всей поверхности контакта воды и металла, т. е. уменьшается равномерная коррозия. Однако при этом возможно усиление местной (локальной) коррозии в местах повышенной концентрации щелочи (в узких щелях и в застойных зонах). Таким образом, из ранее изложенного следует, что скорость гетерогенных реакций регулируется интенсивностью следующих процессов (рис. 13.7): 299 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки – подвода к поверхности деталей реагентов — в первую очередь деполяризаторов; – разрушения защитной оксидной пленки; – удаления (вымывания) продуктов реакций от мест их протекания. Рис. 13.7. Схема одновременно протекающих процессов на поверхности металла, оказывающих влияние на интенсивность электрохимической коррозии элементов котлов: 1 — диффузия кислорода; 2 — вымывание продуктов коррозии; 3 — разрушение оксидной пленки Интенсивность этих процессов практически полностью определяется гидродинамическими, механическими и тепловыми факторами. Поэтому любые меры по снижению концентрации деполяризаторов при высокой интенсивности двух других процессов, как показывает опыт эксплуатации судовых котлов, обычно малоэффективны. Необходимы комплексные методы, учитывающие все факторы, замедляющие коррозию. Кислородная коррозия наблюдается в экономайзерах, арматуре, питательных и опускных трубах, пароводяных коллекторах и внутриколлекторных устройствах (щитах, трубах, пароохладителях и т. п.). Особенно сильно подвержены кислородной коррозии змеевики второго контура двухконтурных котлов, утилизационных котлов и паровых воздухоподогревателей. Кислородная коррозия протекает во время действия котлов и зависит от концентрации кислорода, растворенного в котловой воде. Скорость кислородной коррозии в главных котлах низкая, что обусловлено эффективной работой деаэраторов и фосфатно-нитратным водным режимом. Во вспомогательных водотрубных кот300 Техническое состояние элементов котельной установки лах она нередко достигает 0,5–1 мм/год, хотя в среднем находится в пределах 0,05–0,2 мм/год. Характер повреждения котельных сталей — язвы небольших размеров. Более опасной разновидностью кислородной коррозии является стояночная коррозия, протекающая в период бездействия котла. В силу специфики работы все судовые котлы (особенно вспомогательные) подвержены интенсивной стояночной коррозии. Как правило, стояночная коррозия не приводит к отказам котла, однако металл, подвергшийся коррозии во время остановок, при прочих равных условиях более интенсивно разрушается в процессе работы котла. Основной причиной возникновения стояночной коррозии служит попадание кислорода в воду, если котел заполнен, или в пленку влаги на поверхности металла, если котел осушен. Большую роль при этом играют хлориды и NaOH, содержащиеся в воде, и водорастворимые отложения солей. При наличии в воде хлоридов интенсифицируется равномерная коррозия металла, а если в ней содержится незначительное количество щелочей (меньше 100 мг/л), то коррозия локализуется. Во избежание стояночной коррозии при температуре 20–25 °С в воде должно содержаться до 200 мг/л NaOH. Внешние признаки коррозии с участием кислорода — локальные язвы небольшого размера (рис. 13.8), заполненные продуктами коррозии бурого цвета, образующие бугорки над язвами. а) б) Рис. 13.8. Характерные признаки коррозии с участием кислорода: а — на входе в змеевик; б — на выходных участках змеевиков и в пароводяных коллекторах утилизационных котлов цилиндрической компоновки 301 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Удаление кислорода из питательной воды составляет одно из важных мероприятий по снижению кислородной коррозии. Начиная с 1986 г. содержание кислорода в питательной воде для судовых вспомогательных и утилизационных котлов ограничивается 0,1 мг/л. Методы снижения кислорода в воде рассмотрены в гл. 8. Однако и при таком кислородосодержании питательной воды в эксплуатации наблюдаются коррозионные повреждения элементов котла, что свидетельствует о преобладающем влиянии процессов разрушения оксидной пленки и вымывании продуктов реакции из очагов коррозии. Наиболее наглядным примером, иллюстрирующим влияние этих процессов на коррозионные повреждения, является разрушение змеевиков утилизационных котлов с принудительной циркуляцией. Коррозионные повреждения при кислородной коррозии обычно строго локализованы: на внутренней поверхности входных участков (см. рис. 13.8, а), в районе исгибов, на выходных участках и в колене змеевика (см. рис. 13.8, б), а также в пароводяных коллекторах утилизационных котлов. Именно на этих участках гидродинамические особенности потока создают условия для разрушения оксидной пленки и интенсивного вымывания продуктов коррозии. Действительно, любые деформации потока воды и пароводяной смеси сопровождаются возникновением кавитации в пристенных слоях расширяющегося потока, где образующиеся и тут же схлопывающиеся пузырьки пара обусловливают разрушение оксидной пленки под воздействием энергии гидравлических микроударов. Этому способствуют также знакопеременные напряжения в пленке, вызванные вибрацией змеевиков и колебаниями температуры и давлений. Повышенная локальная турбулизация потока на этих участках вызывает активное вымывание продуктов коррозии. На прямых выходных участках змеевиков оксидная пленка разрушается из-за ударов о поверхность капелек воды при турбулентных пульсациях потока пароводяной смеси, дисперсно-кольцевой режим движения которой переходит здесь в дисперсный при скорости потока до 20–25 м/с. В этих условиях даже невысокое кислородосодержание (~ 0,1 мг/л) обусловливает интенсивное разрушение 302 Техническое состояние элементов котельной установки металла, что приводит к появлению свищей на входных участках змеевиков утилизационных котлов типа «Ла Монт» через 2–4 года эксплуатации, а на остальных участках — через 6–12 лет. В качестве подтверждения ранее изложенного рассмотрим причины повреждения змеевиков экономайзеров (рис. 13.9) двух утилизационных котлов типа КУП1500Р, установленных на лихтеровозе, где после двух лет эксплуатации из-за повреждений были заменены экономайзеры обоих котлов. Рис. 13.9. Коррозионные повреждения змеевиков-экономайзеров утилизационных котлов КУП1500Р Через три года в этих экономайзерах появляются повреждения змеевиков, расположенные на участках до 1–1,5 м от входного коллектора. Характер этих повреждений свидетельствует о типичной кислородной коррозии с последующим усталостным разрушением (поперечные трещины). Однако природа усталости на отдельных участках различна. Появление трещины (ранее — растрескивание оксидной пленки) в районе сварного шва является следствием знакопеременных напряжений, обусловленных вибрацией пучка труб и конструктивной особенностью узла соединения змеевиков с коллектором (к изогнутому штуцеру диаметром 22 × 3 приварен конец змеевика диаметром 22 × 2). Разрушение оксидной пленки и образование усталостных трещин на внутренней поверхности прямых участков змеевиков, удаленных от входа 303 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки на 700–1000 мм, обусловлены знакопеременными термическими напряжениями, возникающими в период ввода котла в действие, когда на горячую поверхность подается холодная вода. При этом действие термических напряжений усиливается тем, что оребрение змеевиков затрудняет свободное расширение металла трубы, создавая дополнительные напряжения в металле в виде «ракушек» (рис. 13.10, а). Подшламовая коррозия протекает в присутствии твердых деполяризаторов — окислов железа и меди, которые осаждаются на наиболее теплонапряженных участках труб в местах активных центров коррозии, возникающих при разрушении оксидных пленок. Сверху образуется рыхлый слой накипи и продуктов коррозии (рис. 13.10, б). Образующиеся «ракушки» из продуктов коррозии прочно сцеплены с основным металлом и могут быть удалены только механическим путем. Под «ракушками» ухудшается теплообмен, что приводит к перегреву металла и появлению выпучин. Для вспомогательных котлов этот вид коррозии не характерен, но при высоких тепловых нагрузках и соответствующих режимах водообработки не исключено появление подшламовой коррозии и в этих котлах. а) б) Рис. 13.10. Повреждения парообразующих труб при подшламовой коррозии: а — схема; б — общий вид Условные обозначения: 1 — экранная труба; 2 — слой окислов; 3 — накипь и продукты коррозии; 4 — смесь окислов Fe и Cu Подшламовая коррозия обычно наблюдается в водотрубных котлах с высокими параметрами пара на внутренних поверхностях 304 Техническое состояние элементов котельной установки экранных и парообразующих труб притопочных пучков, обращенных к факелу. Щелочная хрупкость металла (межкристаллитная коррозия) — рис. 13.11 — появляется в котлах при повышенных концентрациях NaOH в котловой воде в местах высоких местных напряжений (например, в вальцовочных соединениях), в трещинах, раковинах и т. п., где при упаривании воды резко возрастает локальная концентрация щелочи, солей и других агрессивных соединений. По своей природе щелочная хрупкость является частным случаем электрохимической коррозии, протекающей по границам зерен напряженного металла в щелочном концентрате котловой воды. Рис. 13.11. Схема развития межкристаллитной коррозии Щелочная хрупкость интенсифицируется также водородом, образующимся на катодах, который легко диффундирует в металл, создавая дополнительные напряжения по границам зерен и вызывая возникновение микротрещин. Щелевая коррозия (рис. 13.12) возникает в узких щелях, заполненных электролитом. Такие щели всегда имеются в арматуре котла и в вальцовочных соединениях, в которых вальцовка произведена не на полную толщину стенки трубной доски. В узких щелях обычно затруднены обмен воды и доступ кислорода. Поэтому концентрация агрессивных примесей повышена, а кислород распределен по глубине неравномерно, что способствует возникновению замкнутого гальванического элемента и интенсивному протеканию коррозии. Скорость коррозии в значительной степени зависит 305 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки от размеров щели. В настоящее время сложно подобрать конструкционные материалы, исключающие щелевую коррозию. Рис. 13.12. Характер щелевой коррозии в вальцовочных соединениях: 1 — щелевая коррозия; 2 — пароводяной коллектор; 3 — труба Примером разрушения от электрохимической коррозии может служить сернистая коррозия труб поверхностей нагрева котла. При температуре дымовых газов ниже точки росы на трубах хвостовых поверхностей нагрева котлов происходит конденсация паров воды, содержащихся в дымовых газах. В образовавшихся капельках воды растворяются содержащиеся в газах окислы серы и образуются слабые растворы кислот, выполняющие роль электролита. Сернистая коррозия может протекать только при температурах ниже точки росы, поэтому при полной нагрузке котла она неопасна. При работе на малых нагрузках и в бездействующем котле имеются благоприятные условия для интенсивного коррозионного разрушения труб. На практике сернистой коррозии (коррозионные язвины) подвержены также корневые участки парообразующих и экранных труб (рис. 13.13). Появление воды в районе корней труб связано не только с конденсацией паров из газов в период бездействия, но и с обмывом наружных поверхностей труб при чистках. Так 306 Техническое состояние элементов котельной установки как на коллекторе всегда имеются отложения золы (из-за трудности доступа к ним и невозможности полной очистки), при обмыве труб вода попадает на них, растворяет соединения серы, проникает под слой отложений и создает условия для протекания сернистой коррозии. Методами борьбы с коррозией служат своевременная очистка котлов, применение различных присадок к топливу и сжигание его с малыми избытками воздуха. Рис. 13.13. Повреждения труб при наружной сернистой коррозии под слоем отложений золы и сажи: 1 — коррозия; 2 — наружные отложения; 3 — труба парообразующая; 4 — водяной коллектор Смешанные виды коррозии. На практике в разрушении металла обычно принимают участие несколько процессов химической и электрохимической коррозии, которые могут протекать как последовательно, так и параллельно. Наиболее благоприятные условия для этого создаются на поверхностях элементов под слоем накипи и шлама (например, на горизонтальных поверхностях трубных досок огневой и топочных камер, жаровых труб газотрубного котла, в водяном коллекторе водотрубного котла и т. п.). В данном случае происходит химическое разрушение оксидных пленок под действием щелочи или пароводяной коррозии при упаривании воды под слоем, а в период бездействия котла наблюдается электрохимическая коррозия с участием деполяризаторов O2, Cl–, SО42–. 307 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Особенно опасна смешанная коррозия в том случае, когда затруднено удаление слоя шлама при продувании котла. Так, часто коррозионные язвы появляются на дымогарных трубах вертикального газотрубного котла в районе нижних трубных досок (рис. 13.14, а), а также на днищевых кольцах и металле топочных камер (рис. 13.14, б) газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов. а) б) Рис. 13.14. Смешанная коррозия под слоем накипи и шлама: а — на дымогарных трубах вертикального газотрубного котла: 1 — коррозия; 2 — труба сквозная; 3 — отложения накипи и шлама; 4 — дымогарная труба; 5 — трубная доска; б — на днищевых кольцах и металле топочных камер: 1 — днищевое кольцо; 2 — корпус; 3 — отложения накипи и шлама; 4 — топочная камера; 5 — продукты коррозии; 6 — выгорание металла; 7 — кладка В некоторых случаях одновременно протекают процессы коррозии и кавитационной эрозии. Этому виду разрушений подвержены в первую очередь колокольчики вальцовочных соединений опускных и подъемных труб водотрубного котла. При этом доминирующим процессом обычно является эрозия. Механизм возникновения кавитации на входе в опускные трубы рассмотрен в процессе естественной циркуляции. В подъемных (парообразующих) трубах кавитация возникает на выходе пароводяной смеси в барабан. Сущность данного процесса заключается в том, что некоторое количество пузырьков пара при выходе струи пароводяной смеси 308 Техническое состояние элементов котельной установки в недогретую до кипения воду схлопывается, обусловливая гидравлические микроудары. При этом первыми начинают схлопываться пузырьки пара, расположенные на периферии струи, откуда начинается ее охлаждение при входе в недогретую до кипения воду. Именно поэтому интенсивному разрушению подвергаются кромки колокольчиков с внутренней стороны (рис. 13.15, а). а) б) Рис. 13.15. Эрозионный износ элементов котлов: а — колокольчиков парообразующих труб; б — пароводяного коллектора с внутренней стороны в районе патрубков предохранительных клапанов и с наружной стороны под изоляцией Под действием коррозии повреждение распространяется внутрь трубы. Эти разрушения при одновременном возможном протекании щелевой коррозии могут вызвать опасные разрушения труб и упуск воды. Интенсивность эрозионно-коррозионного процесса зависит от качества котловой воды и режимных факторов. При появлении признаков этого повреждения обслуживающий персонал должен обратить внимание именно на указанные факторы. Коррозия может явиться причиной опасных повреждений пароводяного барабана и бочки котла с наружной стороны под слоем изоляции в местах установки котельной арматуры (рис. 13.15, б), представляя собой электрохимическую коррозию в пленке воды, попадающей под изоляцию при неисправностях арматуры. В качестве 309 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки деполяризаторов здесь обычно выступают ионы хлора и водорода. Например, в котлах типа VX при вскрытии изоляции после 12 лет эксплуатации в нижней части бочки обнаружено в нескольких местах утончение стенок на 20–40 % от первоначальной толщины общей площадью язв более 500 см2. 13.3. Разрушения кирпичной кладки Возможны следующие виды разрушения кирпичной кладки: шлакоразъедание (60 % случаев разрушения), растрескивание под действием температурных напряжений (33 %), расплавление, деформации, откалывание и местное выгорание (7 %). Под шлакоразъеданием понимают процесс разрушения кладки от одновременно действующих и взаимосвязанных процессов коррозии и эрозии. Скорость развития этого процесса зависит от химического состава золы топлива и огнеупоров, вязкости шлака, структуры огнеупоров и температуры, при которой происходит процесс. Так как в золе топочных мазутов содержится много Na, V, Ca, Mg, температура плавления шлаков, образовавшихся на поверхности кирпичной кладки, значительно ниже температуры плавления огнеупоров, поэтому шлаки частично проникают в поры кирпича, а большая их часть сползает вниз, увлекая за собой поверхностные слои кирпичной кладки. Исключительно велика роль температуры в ускорении шлакоразъедания кирпичной кладки. Например, увеличение температуры кладки на 1 °С выше принятой при расчете ускоряет процесс шлакоразъедания более чем на 1 %. Иными словами, повышение температуры в топке на 50–60 °С сверх расчетной в течение 1–2 ч приводит к такому же износу, как и работа при расчетных температурах в течение 2–3 мес. Откалывание шлака вместе с поверхностным слоем огнеупора происходит вследствие значительных напряжений, обусловленных различием коэффициентов линейного расширения огнеупора и покрывающего его шлака. Резкие теплосмены интенсифицируют этот процесс. Нередко кладка судовых котлов разрушается вследствие выгорания швов, когда раствор, на котором кладутся 310 Техническое состояние элементов котельной установки кирпичи, оказывается менее стойким, чем материал огнеупоров. Шлакоразъедание начинается со швов. В образующиеся пазы попадают агрессивные компоненты золы топлива, ускоряя этот процесс. В практике эксплуатации наблюдается иногда так называемая поверхностная рыхлость кирпичной кладки. Сущность ее состоит в том, что вследствие взаимодействия щелочных соединений с основными компонентами огнеупора образуются алюмосиликатные щелочи, эвтектики которых плавятся при низких температурах. При этом возникают поверхностные трещины, которые способствуют быстрому шлакоразъеданию кладки. Опасным видом разрушения кладки представляется ее растрескивание под действием периодических теплосмен. В верхнем слое кирпичной кладки при резких охлаждениях возникают растягивающие термические напряжения, нередко превышающие предел текучести, которые и служат причиной возникновения трещин, так как на сжатие огнеупоры работают в несколько раз лучше. Появление трещин интенсифицирует процесс шлакоразъедания. Поскольку рассмотренные виды разрушения кирпичной кладки протекают практически одновременно, трудно определить доминирующий процесс. 13.4. Разрушения металла, обусловленные усталостью и перегревом Как отмечалось ранее, при высоких температурах в металле интенсифицируются процессы ползучести и изменения структуры (обезуглероживание, графитизация и т. п.), которые могут явиться причиной разрушения элементов котла, так называемого перегрева (пережога) металла. Причинами недопустимых повышений температуры металла являются: – наличие отложений накипи или масла; неравномерность наружного загрязнения отложениями золы и сажи; – нарушения циркуляции в котле и упуски воды, обусловленные конструктивными недостатками и нарушениями инструкций по эксплуатации. 311 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Характер повреждения труб при перегреве металла: общее увеличение диаметра труб, местное увеличение диаметров труб и изменение формы плоских поверхностей (выпучины), провисание (или прогиб) труб, сужение или проседание жаровых труб огнетрубного котла, разрывы и продольные трещины при незначительном утонении стенки в местах повреждений. Примерами повреждений от перегрева металла являются многочисленные выходы из строя петель пароперегревателей главных котлов, разрушение опорной балки пароперегревателя, увеличение диаметра в области трубной доски коллектора пароперегревателя (выпучина по всей длине коллектора) из-за попадания масла в котел, проседания и разрывы жаровых труб газотрубных котлов и др. Следует отметить, что повреждения из-за «чистого» перегрева металла встречаются не столь часто. Большее число повреждений элементов котлов при повышенных температурах обусловлено термоусталостными и усталостными разрушениями в виде трещин. Наиболее ярко эти причины повреждений проявляются в вертикальных газотрубных и газотрубно-водотрубных котлах, обладающих чрезмерной жесткостью конструкции. Жесткость конструкции заключается в том, что температурные расширения внутренних элементов (топочных камер, дымогарных и парообразующих труб, связей) сильно затруднены вследствие прочных неподатливых соединений этих элементов с корпусами (бочками) котлов. Действительно, в моменты изменения режима (растопка, остановка, сброс и наброс нагрузки) температурные удлинения внутренних элементов намного больше, чем удлинение более холодного корпуса. Это вызывает знакопеременные деформации трубных досок, днищ, огневых и форсуночных патрубков, что приводит в конечном счете к усталостным повреждениям металла в местах наибольшей концентрации напряжений — в угловых сварных соединениях, в районе поперечных сварных швов и креплений (рис. 13.16). В местах скопления шлама (у днищевого кольца или нижнего днища) усталостные явления сопровождаются коррозионными процессами, что увеличивает скорость разрушения металла (иногда такие повреждения называют коррозионной усталостью). 312 Техническое состояние элементов котельной установки Особенно подвержены коррозионной усталости узлы крепления полностью охлаждаемой топочной камеры к днищу газотрубного котла типа UNEX CH финской постройки. Кницы, поддерживающие топочную камеру, по технологии сборки обваривают угловым швом только снаружи. Поскольку толщина днища достигает 20 мм и более, почти всегда происходит непровар швов и, следовательно, появляются щели между кницами и днищем, в которых протекает интенсивная коррозия. Поэтому усталостные трещины начинают развиваться с внутренней стороны днища, и контроль за их развитием практически невозможен. В результате усталостные разрушения появляются уже через 5–10 тыс. ч работы котла. Достаточно жестким узлом котла является сварное соединение форсуночного патрубка с топочной камерой, где создаются потенциальные условия для повреждений. а) б) в) Рис. 13.16. Усталостные повреждения элементов котлов: а — корпуса газотрубного котла в районе ушек креплений; б — опускной трубы котла типа AQ-3 при малоцикловой усталости; в — таврового кольца для крепления обшивки котла типа VX Термоусталостное растрескивание очень часто наблюдается в местах соединения форсуночных патрубков и смотровых труб с топочными камерами газотрубных и газотрубно-водотрубных котлов. Характерным недостатком этих узлов служит наличие выступающего в топку свободного конца патрубка, металл которого подвергается циклическому нагреву до 600–700 °С и охлаждению до 150–200 °С (при работе котла в режиме «включено-выключено»). В результате термоциклирования и структурных превращений 313 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки в металле при высоких температурах на торцах патрубка появляются усталостные продольные трещины. Приведенные примеры относятся к цилиндрическим котлам с фронтальным расположением горелок. В случае потолочного расположения горелок наблюдаются повреждения патрубков у агрегатированных устройств. На фото (рис. 13.17) видны следы обгорания патрубка форсунки. Рис. 13.17. Повреждение воздушного патрубка агрегатированного горелочного блока при потолочном расположении При плохой организации процесса горения топлива у вертикальных форсунок продукты недожога формируются отложениями. Один из примеров приведен на рис. 13.18. Полнота горения топлива, как известно, зависит от многих факторов, среди которых оптимальный коэффициент избытка воздуха, температура топлива перед форсункой, его вязкость, качество распыла, состояние распыливающих сопел. При любых условиях существуют продукты недожога в виде окислов углерода, серы, азота и других газовых соединений. Часть продуктов недожога может быть в виде гудронистых соединений, образующих отложения в районе распылителей. 314 Техническое состояние элементов котельной установки Рис. 13.18. Загрязнение горелки топочного устройства вертикального расположения Загрязнение поверхностей нагрева и элементов в газовом тракте сопровождается, как известно, развитием коррозионных разрушений металла, снижением теплопередачи и, как следствие, потерей экономичности и надежности. Контрольные вопросы и задания 1. Что понимается под термином «техническое состояния»? 2. Какие виды коррозии поверхности нагрева котлов известны? 3. В чем состоит сущность электрохимической коррозии? 4. Укажите основные этапы процесса кислородной коррозии. 5. Укажите причины появления подшламовой коррозии. 6. В чем заключается опасность щелочной коррозии и условия ее развития? 7. Какое соединение железа образует защитную пленку? 8. Перечислите возможные причины разрушения кирпичной кладки. 9. Как отражается перегрев металла на его прочности? 10. Перечислите способы предотвращения коррозии в котлах в период хранения. 315 14. НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 14.1. Основные понятия и показатели надежности котельной установки Основным свойством качества котла является его надежность, так как именно это свойство обеспечивает сохранность остальных, которые не имеют практического значения, если котел ненадежен. Более того, поскольку продукция котла — теплота выработанного пара — не поддается складированию (заготовке впрок) и должна потребляться одновременно с ее производством, вопросы обеспечения высокой надежности СКУ приобретают первостепенное значение. Основополагающими в теории надежности являются понятия работоспособности и отказа технического объекта, от четкого определения сущности которых зависит достоверность выводов о фактическом уровне надежности, оцениваемом по результатам статистической обработки эксплуатационных материалов. Под работоспособностью котельной установки понимается такое ее состояние, когда она может выполнять заданные функции (обеспечение судовых потребителей необходимым количеством пара) с параметрами (КПД, давление и температура пара), не выходящими за пределы, установленные нормативными техническими документами. Отказом котельной установки является событие, повлекшее за собой вывод из действия в период использования его по назначению или не позволившее ввести котел в действие в случае необходимости и вызвавшее вынужденное устранение обнаруженного повреждения, сопровождавшееся простоем СКУ в момент потребности в паре. Таким образом, все повреждения элементов котла и установки, обнаруженные во время профилактических осмотров 316 Надежность и безопасность котельных установок и ремонтов, должны рассматриваться как неисправности котельной установки, не приводящие к отказам. Надежность как сложное свойство объекта формируется более простыми свойствами: безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью и сохраняемостью. Безотказность — свойство сохранять работоспособность без вынужденных перерывов в течение заданного времени эксплуатации. Основными показателями безотказности котла и СКУ являются: вероятность безотказной работы в течение рейса, среднее время безотказной работы (наработка на отказ) и параметр потока отказов (среднее число отказов восстанавливаемого объекта в единицу времени). Под ремонтопригодностью понимается приспособленность котла и СКУ к предупреждению, обнаружению и устранению отказов путем проведения регламентных профилактических работ и ремонтов. Основными показателями ремонтопригодности являются среднее время восстановления и трудоемкость технического обслуживания и ремонта. Долговечность — это свойство котла сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Показателями долговечности являются: ресурс — наработка котла, т. е. чистое время работы до предельного состояния, и срок службы — календарная продолжительность его эксплуатации до этого состояния (или до списания). Для котла более показательным является срок службы, так как процессы изнашивания его элементов происходят не только в период эксплуатации, но и в период хранения (стояночная коррозия, загрязнение и т. п.). Отсюда следует, что сохраняемость как свойство объекта сохранять нормированные показатели в течение и по окончании срока хранения применительно к вспомогательным и утилизационным котлам приобретает особую значимость, поскольку средняя суммарная продолжительность их хранения, т. е. времени, в течение которого отдельные составляющие КУ находятся в бездействии по разным причинам, составляет 1/2–2/3 календарного времени эксплуатации. 317 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки В связи с тем, что отказ КУ и восстановление ее работоспособности представляют собой случайные события, все показатели надежности имеют вероятностную природу. С практической точки зрения более простыми и психологически понятными оказываются следующие показатели надежности: среднее время между отказами и неисправностями восстанавливаемых объектов, средняя трудоемкость, время их восстановления и срок службы (последний косвенно характеризует и сохраняемость). Именно эти показатели могут быть достаточно легко и просто использованы для непрерывного контроля технического состояния элементов КУ. В нормативно-техническую документацию их включают наряду с другими технико-экономическими показателями объекта. При оценке указанных показателей надежности КУ и ее элементов в качестве единицы измерения целесообразно использовать сутки календарного времени. Статистические данные по отказам, неисправностям, режимам работы и восстановления КУ и ее элементов могут быть получены на основе обобщения опыта эксплуатации целых серий судов, а также результатов специальных испытаний на надежность. Методы обработки статистических данных стандартизированы. Оценка численных значений показателей надежности любого технического объекта на основе статистических материалов представляет собой весьма трудоемкую задачу, поэтому приведем лишь некоторые результаты, применительно к вспомогательным котлам основных типов. Прежде всего необходимо отметить, что надежность КУ мало зависит от режимов ее использования и типов применяемых котлов. Опыт эксплуатации показывает, что отказы собственно котла (с котельной арматурой) обусловливают менее 10 % отказов котельной установки. Основная доля (70–80 %) отказов приходится на элементы систем автоматики, сигнализации и защиты. Отказы кирпичной кладки становятся причиной отказов только в 2–3 % случаев. В остальных случаях (7–18 %) котельные установки отказывают из-за выхода из строя вспомогательных механизмов (прежде всего питательных насосов) и теплообменных аппаратов. 318 Надежность и безопасность котельных установок При этом к отказам отдельных элементов относятся все события, связанные с устранением повреждений, обнаруженных при плановых профилактических осмотрах и ремонтах еще до того, как они вызовут отказ КУ. Такие повреждения, по существу, являются потенциальными отказами установки, но при оценке наработки на ее отказ их не учитывают. В то же время именно эти события полностью определяют ремонтопригодность и долговечность установки. Кроме того, среднее время восстановления КУ после отказа составляет 3–6 ч, средняя трудоемкость этих работ — 10–12 чел./ч, ущерб от одного отказа КУ — в среднем 0,1–0,3 % от первоначальной стоимости котла. Суммарные затраты времени на техническое обслуживание (без заводских ремонтов) вспомогательных КУ составляют 60–300 ч/год. Приведем краткие рекомендации по повышению надежности оборудования КУ (и прежде всего главных ее элементов — котлов). Необходимый уровень надежности технического объекта закладывается на этапах проектирования и изготовления, а реализуется в процессе эксплуатации, основной целью которой является возможно более полное использование свойств объекта. На каждом из трех этапов существования объекта применяют специфические, имеющие единую базу методы повышения надежности. Определяющее влияние на уровень надежности судовых технических средств оказывают такие методы, как повышение квалификации исполнителей, совершенствование технической и нормативной документации, повышение качества технического надзора со стороны РМРС, а также учет уровня развития техники и технологий. Кроме того, надежность судовых котлов и КУ во многом зависит от уровня автоматизации, качества методов расчета, совершенства систем контроля технического состояния оборудования, качества ремонтных работ и методов испытаний. И, наконец, необходимо помнить, что в основе всех этих методов находится «человеческий фактор» в самом широком понимании (уровень оплаты труда и социальная защищенность, охрана труда и эстетика рабочих мест, пенсионное обеспечение и др.). 319 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки 14.2. Аварии судовых котлов При расследовании серьезных повреждений рассматриваются причины аварийных случаев, произошедших «по вине экипажа» и «без вины экипажа» или по другим причинам. К первым относятся нарушения трудовой дисциплины, нарушение инструкций, правил технической эксплуатации и пожарной безопасности, предусмотренных системой управления безопасностью, которая разрабатываемой в развитие МКУБ, ко вторым — конструктивные недостатки, скрытые дефекты, изношенность оборудования, преднамеренные действия с целью предотвращения более тяжелых последствий, а также нештатные ситуации. Исходный методический принцип при анализе причин аварий заключается в рассмотрении оборудования как сложной человекомашинной системы, в процессе использования которой взаимодействуют две составляющие: человеческая (оператор-механик) и техническая (судовые котельные установки). Принципиально важно, что в этих системах в качестве основного звена выступает человек. Анализ аварийных ситуаций в целом и котельных установок в частности показывает, что на долю человеческого фактора приходится около 80 %. Наиболее характерными причинами аварийных случаев СКУ и их систем являются: – упуск воды; – взрывы в топках и газоходах; – пожары в газоходах; – разрушения (взрывы) корпусов; – проседания жаровых труб; – усталостные разрушения; – коррозионные повреждения; – нарушения циркуляции воды, – недостаточный контроль за работой котла на ручном управлении; – отсутствие контроля за работой котла; 320 Надежность и безопасность котельных установок – недостаточный контроль за работой питательного насоса; – неправильный ввод котла в действие; – недостаточный контроль за исправностью систем сигнализации и защиты, – недостаточный контроль за исправностью водоуказательных приборов; – одновременное нарушение нескольких требований инструкций по эксплуатации Таким образом, главной причиной аварий с упуском воды является недостаточный контроль за работающим котлом. В данном случае любой отказ системы автоматики и защиты по уровню воды при работающих форсунках вызывает аварию котла. Последствием аварии с упуском воды является выгорание трубной части водотрубного котла. Следует отметить, что конструктивно более простые поплавковые регуляторы питания имеют более высокую надежность и, следовательно, в данном случае меньше вероятность упуска воды. Кроме того, в случае отказов элементов системы питания котлов при работающих форсунках вода выкипает в 3–4 раза медленнее (более высокое относительное водосодержание) и обслуживающий персонал располагает достаточным временем для принятия срочных мер, чтобы не допустить взрыва корпуса котла. Упуск воды в этих котлах при отсутствии контроля в большинстве случаев заканчивается проседанием жаровой трубы или взрывом котла, когда уровень воды достигнет верхней образующей жаровой трубы. Взрывы газов в топках котлов наблюдались в практике эксплуатации СЭУ. После введения в Правила РМРС требований о блокировках зажигания факела до полной вентиляции топки и газохода и установке последовательно двух автоматических запорных топливных клапанов количество аварий от взрывов газов в топке резко уменьшилось, но проблема эффективной вентиляции попрежнему остается. Взрываются (по сути, мгновенно воспламеняются) пары топлива, попадающего в топку при неудачном розжиге или после погасания факела, испаряется на горячих поверхностях 321 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки топки, образуя с воздухом взрывоопасные концентрации — 2–8 % паров топлива. При плохой самотяге и недостаточной вентиляции зажигание факела сопровождается хлопками и взрывами. При этом высвобождаемая неконтролируемая энергия взрыва вызывает разрушение обшивки котла и газохода, а иногда приводит к пожарам в котле и в районе котла. Это показано на рис. 14.1, на котором приведены разрушения дымохода котла КВС 30/II (рис. 14.1, а) и обшивки котла (рис. 14.1, б), вызванные взрывами топливно-воздушной смеси из-за недостаточной вентиляции топок. Таким образом, из ранее изложенного следует, что непосредственной причиной взрывов является неэффективная вентиляция топки, которой предшествует ряд нарушений инструкций: недостаточный контроль технического состояния БЗК, отказы и отключение САР горения и систем электропитания. а) б) Рис. 14.1. Характер разрушений при взрывах смесей паров топлива и воздуха в водотрубных котлах: а — в газоходах; б — в топках 322 Надежность и безопасность котельных установок Пожары в котлах являются следствием самовозгорания отложений сажи на трубах поверхностей нагрева котлов, а также ее возгорания при упусках воды и взрывах в топках. Главной причиной таких аварий являются нарушения инструкций, выражающиеся в несвоевременных и некачественных очистках котлов от наружных отложений. При этом исходной причиной образования отложений всегда является плохая организация процесса сжигания топлива вследствие недостаточного контроля технического состояния элементов топочных устройств (прежде всего диффузоров, воздухонаправляющих устройств и распылителей форсунок). Разрушения (взрывы) корпусов котлов присущи только котлам с большим относительным водосодержанием, т. е. газотрубным и газотрубно-водотрубным котлам, и являются следствием разрывов металла топочных камер и корпусов по усталостным трещинам, возникающим в районе жестких узлов котла — угловых сварных соединений. Также причиной аварий от взрывов корпусов могут явиться недопустимые повышения давления в котле вследствие неисправности предохранительных клапанов при одновременном наличии технологических дефектов в сварных швах (микротрещины, непровары и др.) и нарушений правил технической эксплуатации. Рис. 14.2. Элементы конструкции газотрубного котла UNEX BN 2200: 1 — пароводяной коллектор; 2 — запорные (секущие) клапаны; 3 — корпус (бочка) котла; 4 — жаровая труба; 5 — топочное устройство; 6 — дымовая камера; 7 — дымогарные трубы; 8 — огневая камера 323 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Подтверждением ранее изложенного является авария вспомогательного газотрубного котла UNEX BH 2200 (рис. 14.2), где все эти причины проявились одновременно. В данном случае были нарушены правила технической эксплуатации: розжиг котла производился при закрытых запорных клапанах 2 между котлом и паросборником 1, при неисправных предохранитеольных клапанах на бочке 3 котла. Кроме того, котел имел серьезный конструктивный недостаток: отсутствовала блокировка топочного устройства 5 по положению секущих клапанов, имели повреждения дымогарные трубы 7, жаровая труба 4 и огневая камера 8. Цифрой 6 обозначена дымовая камера. В результате ряда дополнительных нарушений правил технической эксплуатации, допущенных обслуживающим персоналом при подъеме пара, произошел взрыв котла, полное его разрушение и повреждение другого оборудования. Вид элементов котла после взрыва показан на рис. 14.3. Рис. 14.3. Характер разрушений жаровой трубы в результате взрыва газотрубного котла UNEX BN 2200 Проседание жаровых труб — специфический вид аварий горизонтальных газотрубных котлов. Следует особо отметить, что, в конечном счете, их причинами служат нарушения эксплуатации в части осуществления контроля технического состояния, правильного ведения водных режимов и несанкционированных перегрузок работы котлов. 324 Надежность и безопасность котельных установок Усталостные разрушения элементов котлов не всегда вызывают взрывы, однако усталостные трещины могут быть настолько опасными, что РМРС может запрещать дальнейшую эксплуатацию котла. Хотя непосредственной вины экипажа в данном случае нет, но нарушения условий эксплуатации, допущенные обслуживающим персоналом задолго до аварийного состояния (главным образом, отсутствие надлежащего контроля технического состояния), свидетельствуют о доминирующей роли человеческого фактора, являющегося причиной такого рода аварий. Коррозионные разъедания вызывают аварийные ситуации с котлами только тогда, когда практически полностью отсутствует контроль процессов коррозии и качества водных режимов котлов со стороны обслуживающего персонала. Недопустимые коррозионные повреждения — площадь и глубина коррозионных язв — устанавливаются нормативными документами. Решения об ограничении сроков эксплуатации котлов принимает РМРС. Контрольные вопросы и задания 1. Дайте определение понятия надежности котла. 2. Перечислите возможные последствия упуска воды в котле. 3. Укажите причины нарушения циркуляции воды в котлах с естественной циркуляцией. 4. Какие существуют меры безопасности при эксплуатации котлов с органическим теплоносителем? 5. С какой целью осуществляется продувка топки перед пуском? 4. Как производится очистка поверхностей котла со стороны газов? 5. В чем опасность отложений сажи на трубках котла? 6. Какие факторы оказывают влияние на появление твердых отложений на трубах в газоходе котла? 7. Какие дополнительные меры безопасности предусматриваются при работе котлов на газовом топливе? 8. Какие значения температуры вспышки имеют жидкие виды топлива и газы, сжигаемые в судовых котлах? 325 15. ПАРОПРОИЗВОДЯЩИЕ УСТАНОВКИ 15.1. Главные парогенераторы в составе ЯЭУ Под паропроизводящими установками с позиций общей терминологии понимаются устройства, предназначенные для получения водяного пара различных параметров в зависимости от их назначения. Для судовой энергетики к ним можно отнести паровые котлы (главные и вспомогательные) с использованием органического топлива, а также утилизационные котлы, где температуры газов как греющей среды позволяют получать насыщенный или перегретый пар. Однако в практике эксплуатации судовых установок термины «паропроизводящие», «парогенератор» в большинстве случаев используются применительно к устройствам в составе ядерных энергетических установок. Первый атомоход в СССР был введен в эксплуатацию в 1959 г. Так, опыт работы а/л «Ленин»1 мощностью 44000 л. с., предназначенного для проводки судов по Северному морскому пути, использовался для строительства последующих поколений атомоходов. На атомоходах в зависимости от типа реакторной установки (все реакторные установки имеют четыре ПГ) может быть установлено четыре или восемь главных парогенераторов (это если две РУ), т. е. по четыре у каждого реактора. Первые поколения атомных судов имеют установки с одним реактором (первые атомные суда: а/л «Ленин» — 3 РУ, после реконструкции двух РУ. Последующие а/л «Арктика», «Сибирь», «Россия» относятся ко второму поколению и имеют по два реактора и, соответственно, в сумме по восемь парогенераторов). Главные парогенераторы расположены непосредственно возле реактора и входят в состав 1 А/л «Ленин» — единственный в Мурманске объект культурного наследия федерального значения. 326 Паропроизводящие установки оборудования центрального отсека (каждый главный парогенератор вместе со смежным циркуляционным насосом первого контура образуют замкнутую петлю по теплоносителю, проходящую через активную зону реактора). При этом реализуется блочная компоновка оборудования основного циркуляционного контура. За пределами центрального отсека размещаются на каждом судне с ЯЭУ по два парогенератора низкого давления (ПГНД), предназначенные для получения насыщенного пара, идущего на паровое отопление, опреснительные установки (потребляют пар из вспомогательного паропровода), дезактивацию, хозяйственно-бытовые нужды, обогрев и пропаривание цистерн, подогреватели сепараторов масла и топлива и др. Теплоносителем в первом контуре является вода, параметры которой определяются согласно требованию, установленному для предотвращения парообразования (обычно говорят, что теплоносителем является вода высокой очистки, недогретая до температуры насыщения). Этим объясняются значения температуры и давления вырабатываемого пара. Так, в парогенерирующем блоке (ПГБ) установки а/л «Арктика», пр. 22220, который был введен в эксплуатацию 21 октября 2020 г., температура пара на номинальном режиме составляет 295 °С при давлении 3,82 МПа. Паропроизводительность одного парогенератора — 62 т/ч. На судах данного типа ядерная установка «Ритм-200» имеет два реактора и, следовательно, восемь главных парогенераторов (секций). Конструктивно поверхности нагрева главных парогенераторов выполнены в виде прямотрубных модулей объединенных в кассеты и секции спиральных змеевиков. 15.2. Парогенераторы низкого давления По назначению ПГНД 10/5-2М относятся к вспомогательному оборудованию и предназначены для производства пара давлением 0,65 МПа. Парогенераторы автоматизированы и соответствуют требованиям РМРС. Основные параметры парогенератора ПГНД 10/5-2М при 100 %-й нагрузке и его массогабаритные характеристики приведены в следующей таблице: 327 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Основные параметры работы парогенератора Наименование характеристики (параметра) 1. Производительность: – номинальная, кг/ч Численное значение 10000 – минимальная, кг/ч 1000 – при выключенном подогревателе питательной воды, кг/ч 9000 2. Давление вторичного пара, МПа 3. Габаритные характеристики: – длина, мм, не более 0,65±0,05 4170 2200 – ширина, мм, не более – высота, мм, не более 4. Масса парогенератора с водой до среднего уровня, кг 2820 9400 5. Масса парогенератора без воды, кг 6600 Греющей средой является пар от главных парогенераторов при давлении 3,6–3,8 МПа и с температурой 290–300 °С. При этом расход греющего пара составляет 10800 кг/ч на номинальном режиме и 1050 кг/ч в режиме минимальной производительности. Следует иметь в виду, что расход греющего пара зависит также от использования подогревателя питательной воды. При выключенном подогреве питательной воды расход греющего пара увеличивается и может быть равен 12300 кг/ч. Питательная вода подается в ПГНД с давлением 0,8 МПа и температурой до 95 °С. В качестве показателей качества питательной воды контролируются общее солесодержание (не более 5 мг/л NACI) и содержание хлоридов (не более 2 мг/л ионов хлора). В процессе работы проверяется содержание хлоридов в воде внутри парогенератора, концентрация которых не должна превышать 200 мг/л. Кроме того, в воде контролируется показатель жесткости, который в определенной степени указывает на возможность образования накипи. В питательной воде жесткость ограничивается значением 1,0 мг-экв./л, а содержащаяся в парогенераторе вода может иметь показатель жесткости не более 200 мг-экв./л. В условиях береговых структур дополнительно проверяется содержание в питательной воде нефтепродуктов, железа и меди. 328 Рис. 15.1. Принципиальная схема работы ПГНД Паропроизводящие установки 329 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Питательная вода подается к ПГНД через сдвоенный фильтр (ФС) — рис. 15.1 — и клапан регулирования количества воды (КРВ), затем поступает в подогреватель ППВ, где нагревается до температуры около 135 °С за счет теплоты конденсата греющего пара и поступает в корпус ПГНД. Температура конденсата греющего пара на выходе из парогенератора составляет на номинальном режиме 220 °С. В корпусе ПГНД подогретая питательная вода нагревается до температуры кипения и испаряется за счет теплоты, получаемой от греющего пара при его конденсации в нагревательных батареях парогенератора. Насыщенный пар, полученный в результате испарения питательной воды, через жалюзийный сепаратор отводится к судовым потребителям с давлением 0,5 МПа. Греющий пар в нагревательные батареи поступает от главной энергетической установки (ГЭУ) судна. На нагревательные батареи пар подается через клапаны БЗК и клапан регулирования поступающего пара (КРП). Отвод конденсата греющего пара осуществляется через четыре конденсатоотводчика (КО) в подогреватель питательной воды (ППВ). Предусмотрена возможность питания парогенератора водой помимо подогревателя. Конструкция парогенератора проста в эксплуатации, удобна при монтаже и демонтаже, а также обеспечивает доступ к узлам, требующим проведения технического обслуживания (ТО) при ремонте. Конструкция оборудования ПГНД обеспечивает герметичность рабочих полостей. Как отмечалось ранее, для повышения экономичности в парогенераторе предусмотрен подогрев питательной воды за счет охлаждения конденсата греющего пара. Конструктивные характеристики ПГНД: – поверхность нагрева — 58,5 м2; – число нагревательных батарей — 2 шт.; – диаметр и толщина стенки труб нагревательных батарей — 16 × 1,5 мм; – количество U-образных труб в батарее — 111 шт.; – количество ходов в батарее — 2. 330 Паропроизводящие установки На рис. 15.2 и 15.3 приведены основные изображения ПГНД с указанием главных элементов со сквозной нумерацией. а) б) Рис. 15.2. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы ПГНД: 1 — сепаратор пара; 2 — корпус; 3 — нагревательные батареи; 4 — опоры; 5 — клапаны продувания; 6 — воронки верхнего продувания, 7 — патрубки крепления водоуказательных приборов; 8 — крышка лаза; 9 — клапан отбора пара; 10 — подвод питательной воды; 11 — подогреватель питательной воды; 12 —дренажные клапаны; 13 — водоуказательные приборы; 14 — предохранительные клапаны 331 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки а) б) Рис. 15.3. Вид ПГНД: а — боковой; б — со стороны установки греющих батарей Парогенератор состоит из корпуса 2, двух нагревательных батарей 3 с эллиптическими днищами. Корпус парогенератора изготовлен из листовой стали 20К и представляет собой горизонтальный сосуд, состоящий из сварной обечайки и приваренных 332 Паропроизводящие установки эллиптических днищ, а также четырех опор 4, из которых две опоры крепятся к судовому фундаменту жестко (неподвижно), а две другие — подвижные опоры. К корпусу парогенератора и его опорам приварены фундаменты и кронштейны для крепления подогревателя питательной воды 11, регуляторов, датчиков реле давлений, манометрового щита, предохранительных клапанов 14, патрубков 7 для установки водоуказательных приборов 13. В днище корпуса вварены два патрубка для крепления нагревательных батарей. Нагревательная батарея парогенератора состоит из пучка U-образных труб из сплава ПТ-7М, концы которой крепятся к трубной решетке сваркой. Для поддержания пучков труб установлены в каждой батарее по четыре диафрагмы. Крышка нагревательной батареи сварная из сплава ПТ-3В. Внутри крышки приварена перегородка, обеспечивающая двухходовой поток пара. Крепление батареи и крышки к корпусу производится при помощи шпилек с буртиком, что дает возможность снимать крышку без нарушения плотности соединения трубной решетки батареи с корпусом. В верхней части парового объема корпуса парогенератора установлен жалюзийный сепаратор 1, предназначенный для осушения вторичного пара. Жалюзийный сепаратор состоит из двух вертикальных секций, дырчатого щита, боковых стенок и поддона. Для доступа в корпус и осмотра внутренних частей парогенератора на обечайке предусмотрена горловина лаза 8 с крышкой. В центре корпуса парогенератора на 50 мм ниже среднего рабочего уровня воды установлены две воронки 6 для верхнего продувания. Колебания уровня воды в парогенераторе от среднего до верхнего и также до нижнего составляет по 30 мм. Колебания до предельного верхнего и предельно допустимого нижнего уровней не должны превышать 150 мм. Неработающий парогенератор, в зависимости от срока бездействия, может быть поставлен на сухое или мокрое хранение. Схема постановки ПГНД на мокрое хранение приведена на рис. 15.4. 333 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Рис. 15.4. Принципиальная схема подключения ПГНД к системе мокрого хранения В технической документации завода-изготовителя отражено, что парогенератор сохраняет работоспособность при следующих условиях: – длительный крен при статических условиях на тот или иной борт — 15°; – крен при динамических условиях на тот или иной борт (бортовая качка) — 22,5°; – длительный дифферент на нос или на корму – 5,0°; – динамический дифферент на нос или на корму (килевая качка) –7,5°; – температура воздуха от –10 °С до +50 °С; – относительная влажность воздуха 100 % при 50 °С. 334 Паропроизводящие установки Наружные поверхности парогенератора и съемных крышек покрыты изоляцией из известково-кремниземных плит, совелита и миткали. Арматура, фланцевые соединения и паропроводы изолированы базальтовыми матами и базальтовым шнуром. Трубопроводы питательной воды до подогревателя изолированы базальтовым шнуром и стеклянной тканью. Трубопроводы питательной воды и конденсата после подогревателя питательной воды изолированы базальтовым шнуром. Парогенераторы низкого давления являются частью паропроизводящей установки всех судов с ЯЭУ. Функционально и по назначению они достаточно близки. Примером являются ПГНД л/к «Таймыр» и «Вайгач». Эти однотипные суда предназначены для работы не только в арктических морях, но и в устьях сибирских рек. При длине 150,2 м и ширине 29,2 м они имеют максимальную осадку 9 м. Мощность энергетической установки составляет 25000 кВт. Ядерный реактор с четырьмя главными парогенераторами обеспечивают получение слабоперегретого пара примерно с такими же параметрами, как и на л/к пр. 22220 «Арктика». То же можно отметить и применительно к вторичному пару. Основные параметры ПГНД л/к «Таймыр»: – давление греющего пара 0,25–0,32 МПа; – давление конденсата греющего пара после ПГНД не более 0,09 МПа; – давление на напоре питательных насосов около 0,10 МПа; – давление на всасывании питательных насосов не менее 0,01 МПа; – температура греющего пара не более 305 °С; – температура забортной воды до охладителя конденсатов около 15 °С; – температура конденсата после охладителей конденсатов 40–48 °С; – соленость конденсата после охладителей конденсатов до 1,5 мг/л. 335 И. И. Костылев Судовые котельные и паропроизводящие установки Агрегат оснащен устройствами защиты по превышению давления греющего пара выше 1,7 МПа и понижению уровня ниже предельно допустимого. При получении сигнала о превышении давления или от уровнемера происходит остановка питательного насоса и закрытие быстрозапорного клапана (БЗК), срабатывает сигнализация на местном посту управления с указанием причины и в ЦПУ загорается сигнал «Неисправность». Основные характеристики ПГНД: поверхность нагрева — 45 м2, число греющих батарей — 2 шт. Диаметр (Ду) трубок греющих батарей — 18/15 мм количество трубок в батарее — 84. В состав судовой парогенераторной установки низкого давления входят два агрегата ПГНД, установленные в отделении вспомогательной котельной установки. В состав каждого ПГНД входят подогреватель питательной воды ППВ-18 производительностью 6,5 т/ч, два фильтра ФПВ-50 пропускной способностью 4–8 м3/ч каждый, элементы системы автоматики и защиты; один агрегат конденсатно-питательной системы — теплый ящик вспомогательной котельной установки, установленный в отделении вспомогательных механизмов. В его состав входят два охладителя конденсатов общесудовых потребителей ОПрВ-9, производительностью 6 т/ч каждый; сборная цистерна конденсатов общесудовых потребителей (ТЯ ПГНД) емкостью 2,5 т; два питательных двухступенчатых насоса ЭЦН 15/100А. На корпусе ПГНД установлена следующая арматура и приборы: - предохранительный клапан сдвоенный главный; - предохранительный клапан сдвоенный импульсный - (для обеспечения работы главного предохранительного клапана непрямого действия); - главный стопорный невозвратно-запорный клапан; - питательный невозвратно-запорный клапан; - клапан верхнего продувания; - клапан нижнего продувания и осушения; - клапан для выпуска воздуха; 336 Паропроизводящие установки - клапан для подвода пара к манометру; - клапан для отбора проб питательной воды. Парогенераторы низкого давления (ПГНД) могут быть не только в составе ЯЭУ, но и на других типах судов. Например, они могут находиться во втором контуре парообразования в установках, где существует вероятность загрязнения, поступающего от потребителей конденсата нефтепродуктами. При этом попавшие нефтепродукты задерживаются в системе вторичного пара. Для дизельных танкеров такая схема была предусмотрена на судах типа «Пабло Неруда» дедвейтом около 40 тыс. т. Первичным теплоносителем являлся пар первого контура вспомогательных котлов. Для паротурбинных установок наиболее характерным отличием является использование охлажденного пара в качестве греющей среды. Контрольные вопросы и задания 1. Поясните роль и значение паропроизводящих установок, не относящихся к категории котлов в составе СЭУ. 2. В чем состоят особенности конструктивного исполнения и расположения главных парогенераторов парогенераторы в составе ЯЭУ? 3. Какова роль парогенераторов низкого давления в составе ЯЭУ? 4. Перечислите параметры вторичного пара у ПГНД. 5. Сформулируйте принцип действия ПГНД и их назначение. 6. Приведите примеры парогенераторов низкого давления в составе судовых дизельных установок. 7. Чем объясняется количество главных парогенераторов в судовой реакторной установке? 8. По каким параметрам предусматривается защита ПГНД? 9. Какие материалы применяются для тепловой изоляции корпуса и арматуры ПГНД? 10. Сколько ПГНД в составе одной ЯЭУ? 337 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Материалы настоящего учебника ориентированы на изучение дисциплины в соответствии с рабочей программой и компетенциями. Основные рабочие процессы на базе теплообмена предлагаются для изучения с учетом освоенных ранее дисциплин, в частности таких, как «Термодинамика и теплопередача», «Основы гидромеханики, «Технология материалов», «Физика и химия». Теоретические положения по вопросам теплообмена рассмотрены применительно к рабочим средам судовых котлов. Греющая среда в виде продуктов сгорания и использующиеся в котельных установках теплоносители (вода, пар, термомасло) имеют характерные для них физические и термодинамические показатели, от которых также зависит эффективность теплообмена. Для четкого понимания рабочего процесса в котле следует акцентировать внимание на таких понятиях, как теплоемкость, теплопроводность, теплоотдача и теплопередача, плотность и учитывать теплопроводность материалов, из которых выполнены главные элементы котлов. За более чем 300-летнюю историю парового флота котельные установки претерпели значительные конструктивные изменения, но сохранили основу рабочего процесса: за счет тепла сжигаемого топлива осуществляется превращение воды в пар или ее подогрев в водогрейных котлах. При этом параметры пара и его потребители совершенствовались, коэффициент полезного действия увеличивался, а массогабаритные показатели в большинстве конструктивных решений уменьшались. На основе изучения эволюции котельных установок, изложенной в литературных источниках, можно сделать вывод о том, что основными факторами, оказывающими влияние на качественные изменения в котлах, являются типы СЭУ и состав потребителей на судах. 338 Во второй половине ХХ в. в отечественных судовых паротурбинных установках в качестве главных использовались однопроточные с двумя контурами циркуляции котлы КВГ-25 (сухогрузы типа «Ленинский комсомол»), КВГ-34 и его модификации (суда типа «Пекин», «София»). Котлы Балтийского завода КВГ 80/80 с промежуточным перегревом пара, схемы которых приведены в учебнике, были установлены на танкерах типа «Крым», выведенных в настоящее время из эксплуатации. Единственным представителем главных котлов на действующих судах отечественного флота паропроизводительностью 50 т/ч является КВГ-5, установленный на лихтеровозе «Севморпуть» для обеспечения движения судна при неработающей АППУ. Зарубежными фирмами, установившими котлы на судах в составе транспортного флота, являются: Jarrow, Babcock & Wilcox, Aalborg, Wärtsilä и др. Современные главные котлы, устанавливаемые на газовозах с ПТУ, представлены в данном издании агрегатами МВ-4Е производства Мitsubishi Heavy Indastries, V2M-8 компании Combustion Engenering. Паропроизводительность этих котлов составляет 46–56 т/ч, давление пара — 6,7 МПа, температура перегретого пара — 515 °С. Опыт эксплуатации главных котлов КВГ является основой для разработки типоразмерных рядов вспомогательных котлов КАВ и КВВА. На ледоколах «Таймыр» и «Вайгач» используются котлы КАВ 6,3/7,0, а на строящейся серии ледоколов типа «Арктика» пр. 22220 устанавливаются КАВ 10,0/7,0. На судах с ЯЭУ второго поколения нашли применение котлы КВВА 12/28 с двухфронтальным отоплением. Среди большого количества вспомогательных котлов зарубежных фирм, использующихся на современных дизельных судах, чаще встречаются агрегаты цилиндрического исполнения с полностью экранированной топкой, имеющие преимущества в массогабаритных показателях. Данная тенденция сохранится и на ближайшую перспективу в судостроительной индустрии. Очевидно, что основной прирост тоннажа морского флота будет ориентирован на транспортировку углеводородов. Примером могут служить газовозы типа «Кристоф де Маржери», а также серия танкеров типа Aframax постройки завода «Звезда» в Приморском крае. 339 Библиографический список 1. Международная конвенция о подготовке и дипломировании моряков и несении вахты 1978 года (Конвенция ПДНВ). — Лондон, IMO. 2. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ 73/78). — Лондон, IМО. 3. Международный кодекс по безопасности судов, использующих газы или иные виды топлива с низкой температурой вспышки (Кодекс МГТ). — Лондон, ИМО, 2015. 4. Международный кодекс постройки и оборудования судов, перевозящих сжиженные газы наливом (Кодекс МКГ). — Лондон, ИМО, 2015. 5. Правила классификации и постройки морских судов. — Ч. I, ч. X, ч. XIII, ч. XV. — СПб.: РМРС, 2020. 6. Руководство по техническому наблюдению за судами в эксплуатации. — СПб.: РМРС, 2020. 7. Баскаков С. П. Основы безопасной эксплуатации танкера : учебник / С. П. Баскаков, А. Г. Конаков, С. Ю. Развозов. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015. — 804 с. 8. Баскаков С. П. Эксплуатация газовозов для перевозки сжиженного природного газа : учеб. пособие. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2013. — 748 с. 9. Возницкий И. В. Практика использования морских топлив на судах: указать тип издания / И. В. Возницкий. — СПб., Тип. КСИ-Принт, 2005. — 124 с. 10. Балдина О. М. Гидравлический расчет котельных агрегатов: нормативный метод / О. М. Балдина [и др.]; под ред. В. А. Локшина. — М.: Энергия, 1978. — 256 с. 11. Денисенко Н. И. Судовые котельные установки: учебник для вузов / Н. И. Денисенко, И. И. Костылев. — СПб.: Элмор, 2005. — 280 с. 12. Денисенко Н. И. Идентификация повреждений элементов судовых котельных установок: учеб.-справ. пособие / Н. И. Денисенко, И. И. Костылев. — СПб.: Элмор, 2007. — 152 с. 13. Дякина Т. А. Специальные вопросы химии: учеб. пособие / Т. А. Дякина, К. В. Зотова, И. В. Коновалова. — Мурманск: МГТУ, 2010. — 148 с. 340 14. Енин В. И. Судовые котельные установки: учебник для вузов / В. И. Енин, Н. И. Денисенко, И. И. Костылев. — М.: Транспорт, 1993. — 216 с. 15. Епифанов В. С. Эксплуатация судовых энергетических установок на природном газе. — М.: ТрансЛит, 2010. — 216 с. 16. Костылев И. И. Судовая ядерная энергетическая установка ледокола «Таймыр»: учеб. пособие / И. И. Костылев, В. А. Петухов, К. Ю. Князевский. — СПб.: Белл, 2004. — 220 с. 17. Костылев И. И. Морская транспортировка сжиженного газа : учеб.-теорет. изд. И. И. Костылев, М. К. Овсянников. — СПб., 2009. — 304 с. 18. Костылев И. И. Эффективность эксплуатации технологического комплекса танкера / И. И. Костылев, Н. И. Денисенко, В. А. Петухов. — СПб.: Элмор, 2001. — 192 с. 19. Костылев И. И. Подготовка воды в судовых котельных установках : учеб. пособие / И. И. Костылев. — 2-е изд., испр. и доп. — СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2016. — 68 с. 20. Овсянников М. К. Теплотехника: техническая термодинамика и теплопередача: учебник / М. К. Овсянников [и др.]. — СПб.: Нестор-история, 2013. — 296 с. 21. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод): руководящие указания / Под ред. Н. В. Кузнецова. — 2-е изд., перераб. — М.: Энергия, 1973. — 295 с. 22. Шатровский Д. А. Эксплуатация судовых котельных и паропроизводяших установок: учебник для вузов : СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2019. — 292 с. 341 ГЛОССАРИЙ Влажный пар — механическая смесь сухого насыщенного пара и жидкости. Водотрубный котел — котел, в котором нагреваемая среда находится внутри труб, а продукты сгорания омывают их снаружи. Вынужденная конвекция — искусственно созданная конвекция. Газомазутные котлы — котлы, в которых в качестве топлива используются газы, мазуты и легкие сорта жидких топлив. Горелка — устройство для подачи топлива и воздуха и подготовки топливовоздушной смеси к сжиганию. Давление насыщения — давление, при котором достигается состояние насыщения при данной температуре. Деаэратор — устройство для удаления из питательной воды растворенных в ней газов. Жаровая труба — труба большого диаметра газотрубного котла, в которой происходит сжигание топлива. Кавитация — явление вскипания жидкости в результате локального снижения давления. Класс Регистра (класс) — совокупность условных символов и словесных характеристик, присваиваемых судам, отражающих их конструктивные особенности, назначение и условия эксплуатации. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое состояние. Коэффициент теплоотдачи — коэффициент, определяющий количество теплоты, отдаваемого (или получаемого) единицей площади поверхности тела в единицу времени при разности температуры поверхности и окружающей среды в 1 К. Коэффициент теплопроводности — количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу поверхности (длины) при разности температур в 1К. 342 Коэффициент теплопередачи — количество теплоты, которое передается через единицу поверхности стенки в единицу времени при температурном напоре в 1К между омывающими стенку теплоносителями. Коэффициент избытка воздуха — отношение количества воздуха, подаваемого на горение, к теоретически необходимому. Кратность циркуляции — отношение количества циркулирующей в контуре воды к количеству образующегося пара в том же контуре в единицу времени. Набухание уровня воды — явление увеличения объема воды в пароводяном барабане за счет появившихся пузырьков пара в результате падения давления. Насыщенный пар — пар, находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью. Паровой котел — устройство для получения пара. Парогенератор — устройство для получения пара или горячего теплоносителя. Парообразование — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Пароперегреватель — поверхность нагрева котла, предназначенная для нагрева насыщенного пара до заданной температуры. Пароохладитель — устройство для охлаждения перегретого пара. Паросодержание объемное – объемное содержание пара в пароводяной смеси в выходном сечении подъемных труб. Перегретый пар — пар с температурой выше температуры насыщения при данном давлении. Позиционное регулирование — поддержание уровня воды в пароводяном барабане котла путем периодического включения питательного насоса Правила Российского морского регистра судоходства — свод нормативно-технических требований к объектам технического наблюдения. Пропорциональное регулирование — поддержание уровня воды в пароводяном барабане котла путем изменения степени открытия питательного клапана. Предохранительный клапан — клапан для выпуска части пара при превышении давления выше установленной величины. 343 Свободная конвекция — конвекция, возникающая под действием естественных (природных) сил. Стабилизатор пламени — устройство для фиксации места начала процесса зажигания топливовоздушной смеси. Состояние насыщения — состояние, при котором пар находится в равновесии со своей жидкостью. Степень сухости — массовая доля сухого пара во влажном паре. Сухой пар — пар, не содержащий капель жидкости. Температура насыщения — температура, при которой достигается состояние насыщения при данном давлении. Температура точки росы — температура насыщения, соответствующая парциальному давлению водяных паров в смеси газов. Тепловой поток — количество теплоты, передаваемое в единицу времени. Термомасляные котлы — агрегаты для нагревания органических теплоносителей. Техническое обслуживание — процесс поддержания установки в исправном техническом состоянии и восстановление технического ресурса в течение всего срока службы. Топка — пространство, в котором происходит сгорание топлива и ограниченное со всех сторон поверхностями нагрева. Топочное устройство — комплекс, включающий в себя топку и горелки котла. Удельная скрытая теплота парообразования — количество теплоты, необходимое для испарения 1кг жидкости при температуре кипения. Факел — часть объема топки, в которой сгорает 98 % топлива. Форсунка — устройство для распыления жидкого топлива. Химический недожог — потеря тепла с газообразными продуктами недожога, содержащимися в уходящих газах. Экономайзер — часть поверхности нагрева котла, предназначенная для подогрева питательной воды. Электрохимическая коррозия — процесс переноса заряженных частиц в электролите, в результате которого металл теряет часть своей массы. Эрозия — износ поверхности потоком, содержащим абразивные частицы. 344 Приложение 1 Единицы измерения величин, наиболее часто используемых в морской практике, в соответствии с Международной системой единиц (СИ) Таблица 1 Наиболее употребительные приставки СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц Наименование гига Приставка Обозначение международное русское G Г Множитель 109 мега M М 106 кило k к 103 дека da да 101 деци d д 10–1 санти c с 10–2 милли m м 10–3 микро m мк 10–6 нано n H 10–9 Таблица 2 Соотношения между единицами давления Единица измерения Микробар Миллибар Бар Пьеза Паскаль = 1 Н/м2 Килограмм-сила на кв. метр Килограмм-сила на кв. сантиметр Атмосфера физическая Атмосфера техническая Миллиметр ртутного столба Миллиметр водяного столба Метр водяного столба Сокращенное Ньютон на кв.метр, обозначение Н/м2 мкбар 0,1 мбар 100 бар 105 пз 103 Па 1 9,8066 кгс/м2 кгс/см2 9,8066 ∙ 104 атм 1,0133 ∙ 105 ат 9,8066 ∙ 104 мм рт. ст. 1,3332 ∙ 102 мм вод. ст. 9,8066 м вод. ст. 9,8066 ∙ 103 345 Таблица 3 Соотношения между единицами мощности Единица измерения Сокращенное обозначение Н⋅м/с ватт, Вт Джоуль в секунду Дж/с 1,0 Килограммометр в секунду кгс∙м/с 9,8066 Лошадиная сила л.с. 735,5 Лошадиная сила (англ.) HP, hp 745,7 Калория в секунду кал/с 4,1868 Таблица 4 Соотношения между единицами вязкости Наименование величины Сокращенное обозначение Множитель перевода Динамическая вязкость Пуаз П 1 П = 0,1 Па∙с = 0,1 Н∙с/м2 Сантипуаз сП 1 сП = 0,1 мПа∙с = 1 мН∙с/м2 Кинематическая вязкость Стокс Ст 1 Ст = 10–4 м 2/с Сантистокс сСт 1 сСт = 10–6 м 2/с = 1 мм 2/с 346 Таблица 5 Соотношения между единицами тепловых величин Наименование величины Сокращенное обозначение Множитель перевода Количество теплоты, термодинамический потенциал Дж; кал 1 кал = 4,1868 Дж Теплоемкость системы, энтропия системы Дж/К; кал/К 1 кал/К = 4,1868 Дж/К Удельная теплоемкость, удельная энтропия Дж/(кг⋅К); кал/(г⋅К) 1 кал/(г⋅К) = = 4,1868 ⋅ 103 Дж/(кг⋅К) Удельный термодинамический потенциал, удельная теплота фазового превращения Дж/кг; кал/г 1 кал/г = 4,1868 ⋅ 103 Дж/кг Тепловой поток Вт; кал/с 1 кал/с = 4,1868 Вт Поверхностная плотность теплового потока Вт/м2; кал/(см2⋅с) 1 кал/(см2⋅с) = = 4,1868 ⋅ 104 Вт/м2 Коэффициент теплопередачи, коэффициент теплоотдачи Вт/(м2⋅К); кал/(см2⋅с⋅К) 1 кал/(см2⋅с⋅К) = = 4,1868 ⋅ 104 Вт/(м2⋅К) Коэффициент теплопроводности Вт/(м⋅К); кал/(см⋅с⋅К) 1 кал/(см⋅с⋅К) = = 4,1868 ⋅ 102 Вт/(м⋅К) Коэффициент температуропроводности м2/с; м2/ч 1 м2/ч = = 2,7778 ⋅ 10–4 м2/с 347 348 Температура насыщения t, °C 2 143,62 147,92 151,85 155,47 158,84 161,99 164,96 167,76 170,42 172,95 175,36 177,67 179,88 182,01 184,06 186,04 187,96 189,81 191,60 Давление ps, бар 1 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 12,50 13,00 3 0,0010839 0,0010885 0,0010928 0,0010969 0,0011009 0,0011046 0,0011082 0,0011117 0,0011150 0,0011182 0,0011213 0,0011244 0,0011274 0,0011303 0,0011331 0,0011359 0,0011386 0,0011412 0,0011438 Удельный объем воды при температуре насыщения v′, м3/кг 4 0,4624 0,4139 0,37481 0,34259 0,31566 0,29257 0,27274 0,25548 0,24030 0,22685 0,2148 0,20405 0,19430 0,18546 0,17739 0,17000 0,1632 0,15693 0,15112 Удельный объем пара v′′, м3/ кг жидкости i, кДж/кг 5 604,7 623,2 640,1 655,8 670,4 684,2 697,1 709,3 720,9 732,0 742,6 752,8 762,6 772,0 781,1 789,9 798,4 806,7 814,7 пара i′′, кДж/кг 6 2738,5 2743,8 2748,5 2752,7 2756,4 2759,9 2762,9 2765,8 2768,4 2770,8 2773,0 2775,1 2777,0 2778,7 2780,4 2782,0 2783,4 2784,8 2786,0 Энтальпия 7 2133,8 2120,6 2108,4 2096,9 2086,0 2075,7 2065,8 2056,5 2047,5 2038,8 2030,4 2022,3 2014,4 2006,7 1999,3 1992,1 1985,0 1978,1 1971,3 Теплота парообразования r, кДж/кг Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения (по давлению) Таблица 6 349 1 13,50 14,00 14,50 15,00 15,50 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 19,00 19,50 20,00 20,50 21,00 21,50 22,00 22,50 23,00 23,50 24,00 24,50 25,00 2 193,35 195,04 196,68 198,28 199,84 201,37 202,85 204,30 205,72 207,10 209,79 211,09 212,37 213,62 214,85 216,05 217,24 218,40 219,54 220,67 221,78 222,86 223,94 3 0,0011464 0,0011489 0,0011514 0,0011538 0,0011562 0,0011586 0,0011610 0,0011633 0,0011656 0,0011678 0,0011722 0,0011744 0,0011766 0,0011787 0,0011808 0,0011830 0,0011850 0,0011871 0,0011891 0,0011912 0,0011932 0,0011952 0,0011972 4 0,14574 0,1407 0,13603 0,13165 0,12754 0,12368 0,12004 0,11661 0,11338 0,11031 0,10464 0,10202 0,09953 0,09715 0,09488 0,09271 0,09064 0,08866 0,08676 0,08494 0,08319 0,08151 0,07990 5 822,5 830,1 837,5 844,7 851,7 858,6 865,3 871,8 878,3 884,6 896,8 902,7 908,6 914,3 919,9 925,5 930,9 936,3 941,6 946,8 951,9 957,0 962,0 6 2787,3 2788,4 2789,4 2790,4 2791,3 2792,2 2793,0 2793,8 2794,5 2795,1 2796,4 2796,9 2797,4 2797,9 2798,3 2798,7 2799,1 2799,5 2799,8 2800,1 2800,4 2800,6 2800,8 7 1964,8 1958,3 1951,9 1945,7 1939,6 1933,6 1927,7 1922,0 1916,2 1910,5 1899,6 1894,2 1888,8 1883,6 1878,4 1873,2 1868,2 1863,2 1858,2 1853,3 1848,5 1843,6 1838,8 Продолжение табл. 6 350 1 25,50 26,00 26,50 27,00 27,50 28,00 28,50 29,00 29,50 30,00 31,00 35,00 40,00 45,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 97,00 98,00 99,00 100,00 2 224,99 226,03 227,06 228,06 229,06 230,04 231,01 231,96 232,91 233,84 235,66 242,54 250,33 257,41 263,92 275,56 285,80 294,98 303,31 308,73 309,48 310,22 310,96 3 0,0011991 0,0012011 0,0012030 0,0012050 0,0012069 0,0012088 0,0012107 0,0012126 0,0012145 0,0012163 0,0012200 0,0012342 0,0012521 0,0012691 0,0012858 0,0013187 0,0013514 0,0013843 0,0014179 0,0014420 0,0014455 0,0014490 0,0014526 4 0,07834 0,07685 0,07541 0,07402 0,07268 0,07138 0,07013 0,06892 0,06775 0,06662 0,06446 0,05702 0,04974 0,04402 0,03941 0,03241 0,02734 0,02349 0,02046 0,01869 0,01845 0,01822 0,01800 5 966,9 971,7 976,5 981,2 985,9 990,5 995,0 999,5 1004,0 1008,4 1017,0 1049,8 1087,5 1122,2 1154,6 1213,9 1267,7 1317,5 1364,2 1395,5 1399,9 1404,3 1408,6 6 2801,0 2801,2 2801,4 2801,5 2801,6 2801,7 2801,8 2801,8 2801,9 2801,9 2801,9 2801,3 2799,4 2796,5 2792,8 2783,3 2771,4 2757,5 2741,8 2729,8 2728,0 2726,2 2724,4 7 1834,1 1829,5 1824,9 1820,3 1815,7 1811,2 1806,8 1802,3 1797,9 1793,5 1784.9 1751,5 1711,9 1674,3 1638,2 1569,4 1503,7 1440,0 1377,6 1334,3 1328,1 1321,9 1315,8 Окончание табл. 6 Приложение 2 Перечень обозначений на схемах Клапан запорный Клапан запорный угловой Клапан предохранительный Клапан предохранительный угловой Клапан невозвратно-запорный Клапан невозвратный Задвижка Клапан «баттерфляй» Быстрозапорный клапан Трехходовой клапан Двухвинтовой насос Регулятор расхода Дроссельная шайба Конденсатоотводчик Соленоидный клапан Расходомер Конденсатоотводчик с клапаном 351 Учебное издание Костылев Иван Иванович, д-р техн. наук, проф. Судовые котельные и паропроизводящие установки Учебник ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2 Тел.: (812) 748-97-19, 748-97-23 e-mail: izdat@gumrf.ru Редактор Компьютерная верстка Карамзина Н. А. Евсюткина М. Н. Формат 60×90/16. Бумага офсетная. Гарнитура SchoolBookC Усл. печ. л. 22. Тираж ??? экз. Заказ № 227/2020 352

Костылев ИИ СКУ 2021

Related documents

Products

Support

Костылев ИИ СКУ 2021

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib