Для судовой энергетической установки

СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Методические указания

по выполнению расчетно-графической работы для студентов дневной формы обучения и контрольной работы для студентов заочной формы обучения направления 6.070104 «Морской и речной транспорт» специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок»

Керчь, 2011

Автор: Хачиков С.В., ст. преподаватель кафедры СЭУ КГМТУ

Рецензент: Попов В.В., ст. преподаватель кафедры СЭУ КГМТУ

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры СЭУ КГМТУ,

протокол № 6 от 21.01.2011г.

Методические указания утверждены и рекомендованы к публикации заседанием методической комиссии МФ КГМТУ,

протокол № ____ от __________

© Керченский государственный морской технологический университет

Содержание

Основные теоретические сведения

Судовая дизельная энергетическая установка

Судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена:

во-первых, для обеспечения движения судна;

во-вторых, для снабжения всеми необходимыми видами энергии (электроэнергия, водяной пар и горячая вода, сжатый воздух и др.) всех судовых потребителей.

СЭУ подразделяется на:

- главную энергетическую установку (ГЭУ);

- вспомогательную энергетическую установку (ВЭУ);

- электроэнергетическую установку (ЭЭУ), применяется также термин судовая электростанция (СЭС).

ГЭУ включает в себя механизмы, системы и оборудование СЭУ, предназначенные для обеспечения движения судна, и решает задачи выработки, преобразования и подвода необходимой мощности к движителю (гребному винту). ГЭУ также называют пропульсивной установкой.

ЭЭУ включает в себя механизмы, системы и оборудование СЭУ, предназначенное для выработки, преобразования и подвода необходимой электроэнергии ко всем судовым потребителям.

ВЭУ включает в себя технические комплексы, обеспечивающие различные судовые нужды: пар и горячая вода, сжатый воздух, опреснение воды и т.д., кроме электроэнергии. ВЭУ обеспечивает также и потребности самой СЭУ: подогрев топлива при топливоподготовке, выработка сжатого воздуха для запуска дизелей и потребностей систем автоматики и др.

Состав и структурная схема СЭУ с дизельной установкой в качестве главных двигателей приведена на рис. 1.

Как правило, ГЭУ, ВЭУ и ЭЭУ работают независимо друг от друга, в целях повышения экономичности СЭУ может быть предусмотрено их объединение. Например, валогенератор, вырабатывающий электрический ток, приводится в действие главным двигателем; снабжение потребителей паром может осуществляться от утилизационного котла, использующего тепло уходящих газов главного или вспомогательного двигателя и т.д.

Общее уравнение теплового баланса

Тепловой баланс – это распределение располагаемой (возможной к использованию) теплоты между полезной работой и различными потерями.

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

где,

- располагаемая теплота, выделившаяся при сгорании топлива или подведенная от стороннего источника энергии;

- теплота, эквивалентная эффективной работе;

- потери теплоты.

Тепловую эффективность работы оборудования принято оценивать коэффициентом полезного действия (КПД):

ȵ =

Уравнение теплового баланса

для судовой энергетической установки

Потоки энергии в СЭУ имеют сложный ха­рактер, обусловленный на­личием нескольких видов энергии: химической энер­гии топлива, механической, электрической, тепловой — в виде энергии пара, горя­чей воды, выпускных газов, нагретого масла, потенци­альной сжатого воздуха или пара.

Для судовой энергетической установки с дизельной установкой, уравнение теплового баланса можно записать в виде:

где,

- сумма химической теплоты, выделившаяся при сгорании топлива в главных и вспомогательных двигателях, парогенераторах, другом оборудовании;

- сумма эффективных мощностей главных двигателей, дизельгенераторов, котлов, другого оборудования, выраженная в мощностях потоков энергии;

- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого их вида.

При расчете теплового баланса необходимо учесть использование вторичных источников энергии: теплоту и давление отработавших (выхлопных) газов, теплоту, отводимую от охлаждающего контура пресной воды самого дизеля и от охладителя наддувочного воздуха и т.д. Например, сокращение паропроизводительности вспомогательных котлов за счет установки утилизационных котлов, или использование охлаждающей воды ДВС в водоопреснительных установках и т.д.

Судно в процессе эксплуатации имеет несколько режимов работы. Для промысловых судов основными режимами работы являются:

- ходовой режим перехода к месту промысла;

- работа на промысле;

- ходовой режим перехода от места промысла с продукцией;

- стоянка в порту;

- стоянка на рейде;

- аварийный режим;

- другие режимы.

На каждом из режимов двигатели и другое оборудование имеет разную загрузку. Так, для промысловых судов, если судно находится в ходовом режиме перехода к месту промысла, то главные двигатели работают в номинальном режиме, электростанция загружена на 20…30%, в случае установки утилизационных котлов – вспомогательные котлы практически без нагрузки, рефрижераторная установка загружена также мало. Если судно находится в ходовом режиме перехода от места промысла (с продукцией), то главные двигатели работают в номинальном или максимальном режиме, электростанция загружена на 30…40%, вспомогательные котлы загружены на 50…100 %, рефрижераторная установка загружена на 90…100%. То есть, в соответствии с загрузкой оборудования, для каждого режима работы судна существует свой тепловой баланс СЭУ.

Общий порядок расчета баланса и выбор расчетного режима работы судна изложен в разделе 2.

Тепловой баланс ДВС

Тепловой баланс ДВС имеет вид:

или

где:

- теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

- расход топлива, кг/час;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/час;

- эффективная мощность двигателя – это мощность, измеряемая на выходном фланце коленчатого вала, для дизельредукторных агрегатов (ДРА) эффективная мощность измеряется на выходном фланце редуктора, кВт;

- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт.

Двигатели внутреннего сгорания относятся к числу наиболее экономичных двигателей. КПД лучших образцов ДВС достигает 50—51 %, однако и в них теряется значительное количество теп­лоты: около 30—40 % с выпускными газами, 10—20 % с охлаждающими средами (вода, масло).

На рис. 2 представлена типовая диаграмма теплового ба­ланса судовых ДВС. Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q_т.

Рис. 2. Типовая диаграмма теплового баланса судовых ДВС

Полезная работа — q_пол характеризуется эффективным КПД двигателя – η_е.

К потерям энергии относятся: q_н — теплота, рас­сеиваемая двигателем в окружающую среду и неучтенные потери; q_M — теплота, отводимая с охлаждающим маслом; q_вод — теплота, отводимая от двигателя с охлаждающей водой; q_в — теп­лота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, данный вид потерь имеет существенное значение и учитывается при высоких степенях наддува; q_вг — теплота, отводимая с выпускными газами двигателя.

Большие значения КПД – для ДВС большей мощности, меньшие для ДВС небольшой мощности. При мощности ДВС менее 200 кВт, нижнее значение КПД может уменьшиться на 5%.

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

1. Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рас­сеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери.

2. Наибольшие потери – это потери с выхлопными газами, далее, по степени убывания, идут потери с охлаждающей водой, потери теплоты, отбираемые от воздуха в воздухоохладителе турбонагнетателя, потери теплоты, отводимые с охлаждающим маслом, потери теплоты, рас­сеиваемые двигателем в окружающую среду и прочие неучтенные потери.

3. Тепловой баланс дизеля зависит от его типа. При этом принята следующая классификация дизелей по частоте вращения n об/мин:

Малооборотные дизеля (МОД) n = 90…300 об/мин;

среднеоборотные дизеля (СОД) n = 300…1000 об/мин;

высокооборотные дизеля (ВОД) n≥ 1000 об/мин.

4. Наибольший КПД и соответственно наименьший удельный расход топлива, у МОД, наибольший – у ВОД.

Тепловой баланс котлов

Котлы (парогенераторы) относятся к наиболее совершенным преобразователям энергии. Их КПД составляет в среднем 80… 95%.

Котлы подразделяются:

по назначению - главные, вырабатывающие пар для главных двигателей и других потребителей; вспомогательные, обеспечивающие всех судовых потребителей (кроме главных двигателей) паром или горячей водой. В отдельных случаях, как например, на супертанкерах типа «Крым», вспомогательные котлы могут обеспечивать паром и главные турбины при внештатных режимах работы судна;

по роду производимого теплоносителя - производящие пар (перегретый, охлажденный, насыщенный); производящие горячую воду (водогрейные котлы);

по роду используемого топлива - использующие жидкое топливо (мазут или дизельное); газообразное топливо (метан); твердое топливо (каменный уголь);

- и т.д.

К отдельной группе относят вспомогательные утилизационные котлы, не имеющие топки и использующие теплоту уходящих газов ДВС или газовых турбин средней и большой мощности.

Тепловой баланс котлов имеет вид:

или для парогенераторов :

для водогрейных котлов:

где:

- химическая теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

- полезная работа, определяемая количеством и качеством вырабатываемого теплоносителя (пара или воды), кВт;

- расход топлива, кг/час;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/час;

паропроизводительность котла по перегретому, охлажденному и насыщенному пару, кг/час;

энтальпия перегретого, охлажденного, насыщенного пара, питательной, горячей, продувочной воды соответственно, кДж/кг;

- потери с продувочной водой, кг/час. Для водогрейных котлов и котлов, производящих только насыщенный пар в данных расчетах не учитываются;

- сумма потерь теплоты, раздельно для каждого вида потерь, кВт.

На рис. 3 показана диаграмма теплового ба­ланса для котлов различного назначения.

Все потоки энергии выражены в процентах, причем за 100 % принята химическая энергия сжигаемого топлива q_т.

Полезная работа — q_пол, характеризуется КПД котла – η_к.

К потерям энергии относятся: q₅ — потери тепла в окружающую среду и неучтенные потери; q₄ — потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, для котлов на жидком топливе принимаются равным нулю; q₃ — потери тепла от химической неполноты сгорания топлива; q₂ — потери тепла с уходящими газами.

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

1. Наибольшие потери – это потери с уходящими газами.

2. Тепловой баланс котла зависит от его типа. Главные котлы имеют большой КПД, т.к. на них установлено предельно развитое хвостовое хозяйство – многосекционные экономайзеры и воздухоподогреватели, а также применены другие конструктивные усовершенствования.

Тепловой баланс пароперегревателей, имеющих собственную топку, имеет вид аналогичный рис. 2 и рассчитывается аналогично.

Тепловой баланс утилизационных котлов (УК) рассчитывается аналогично расчету теплообменных аппаратов, что изложено далее.

Рис. 3. Диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: