Парокотельная установка судна

Рабочей средой для системы управления ГТЗА служит масло с давлением 10 кгс/см², подаваемое в систему электронасосами через пневмоцистерну, обеспечивающую устойчивое поддержание давления масла в системе.

ГТЗА снабжён необходимым комплектом контрольно-измерительных приборов.

Для обслуживания ГТЗА в каждом МКО установлены следующие механизмы и аппараты:

Масляный турбонасос ТМН, предназначен для подачи масла на смазку ГТЗА, ТНА и ПКБТ.

Характеристики масляного турбонасоса на максимальной нагрузке:

производительность - 200 т/ч;

давление нагнетания - 4,5 кгс/см2;

частота вращения турбины - 11000 об/мин.

Масляный турбонасос - вертикальный винтовой с приводом от паровой турбины через одноступенчатый редуктор. Смазка ТМН - форсированная, от собственного масляного насоса.

Турбонасос снабжён системой регулирования, которая автоматически устанавливает режим работы насоса в зависимости от режима работы ГТЗА. При этом система обеспечивает поддержание давления масла за насосом в пределах 3,0-4,2 кгс/см².

Турбонасос снабжён системой защиты по предельным оборотам.

Подготовка к пуску и пуск насоса производятся с местного поста; управление работающим насосом - автоматическое.

В каждом МКО установлено по одному турбонасосу.

Масляный электронасос ЭМН200 - предназначен для подачи масла в систему смазки ГТЗА и вспомогательных механизмов при падении давления масла в системе ниже допустимого (2,7 кгс/см²). Включение электронасоса автоматическое, а также дистанционное из ПДУ.

Характеристики электронасоса:

производительность 200 т/ч;

давление нагнетания - 4,5 кгс/см2.

ЭМН - вертикальный, винтовой агрегат с приводом от электродвигателя.

В каждом МКО установлено по одному электронасосу.

Масляный фильтр IФЩ150/6 предназначен для очистки масла в системе смазки главной энергетической установки от механических примесей. Фильтр - щелевого типа, двухпатронный, в работе находятся оба патрона одновременно. Чистка патронов производится проворачиванием.

В каждом МКО установлено по одному главному масляному фильтру.

Маслоохладитель МО - предназначен для охлаждения масла. Производительность маслоохладителя 200 т/ч. Маслоохладитель прокачивается забортной водой от ТЦН или от самопротока. Температура масла поддерживается регулятором ЭРТ.

В каждом МКО установлено по одному маслоохладителю.

Масляные электронасосы ЭМН50 обеспечивают подачу масла в систему дистанционного управления ГТЗА.

Характеристики электронасоса:

производительность - 50 т/ч;

давление нагнетания - 10 кгс/см2.

Электронасос - вертикальный, винтовой с приводом от электродвигателя.

Электронасос подаёт масло из циркуляционной масляной цистерны в систему. Каждый электронасос имеет автоматический запуск при снижении давления масла в системе ниже 9,0 кгс/см². Насос также может запускаться дистанционно из ПДУ.

В каждом МКО установлено по два электронасоса, один из которых резервный.

Маслоперекачивающий электронасос 3В - обеспечивает прокачку маслом подшипников ГТЗА после остановки резервного масляного насоса при выводе ГТЗА из действия и на стоянке.

Характеристики электронасоса:

производительность - 50 т/ч;

давление нагнетания - 4 кгс/см2.

Электронасос - вертикальный, винтовой с приводом от электродвигателя.

Электронасос автоматически включается при снижении давления масла в системе смазки ГТЗА (при невключении резервного электронасоса ЭМН200).

В каждом МКО установлено по одному электронасосу.

Сепаратор масла СЦ3 производительностью 3000 л/ч, обеспечивающий очистку масла от механических примесей и воды.

Сепаратор вертикальный, центробежный, непрерывного действия с приводом от электродвигателя.

В каждом МКО установлено по одному сепаратору.

Подогреватель масла ПМ обеспечивает подогрев масла при сепарации и приготовлении ЭУ к действию.

Производительность подогревателя 15 т/ч.

В каждом МКО установлено по одному подогревателю.

Ручной масляный насос НР предназначен для откачки отстоя и взятия проб масла из циркуляционной цистерны.

В каждом МКО установлено по одному насосу.

Масляные фильтры IФЩ65/40, щелевого типа, предназначены для очистки масла в системе регулирования от механических примесей. Чистка патронов производится проворачиванием.

В каждом МКО установлено по одному фильтру.

Пневмоцистерна, предназначена для устранения резких изменений давления масла в системе управления ГТЗА. Цистерна установлена за электронасосом системы ДУ ГТЗА и имеет воздушную подушку.

В каждом МКО установлено по одной пневмоцистерне, воздух к которым подводится от системы регулирования и защиты ТНА.

Главный эжектор предназначен для отсоса воздуха из главного конденсатора.

Эжектор пароструйный, вертикальный, двухступенчатый состоит из основной и дополнительной ступеней, совместная работа которых обеспечивает полную производительность эжектора.

Прокачка эжектора осуществляется конденсатом от конденсатного насоса.

Подготовка к пуску и пуск эжектора осуществляются с местного поста, дополнительная ступень эжектора включается дистанционно из ПДУ при развитии полного хода.

В каждом МКО установлено по одному эжектору.

Эжектор системы отсоса и уплотнений предназначен для отсоса пара от наружных камер главных турбин и от уплотнений вспомогательных механизмов.

Характеристики эжектора:

количество отсасываемой смеси - 1155 кг/ч;

давление пара перед соплом - 25 кгс/см2.

Эжектор пароструйный, вертикальный, одноступенчатый с поверхностным конденсатором. Прокачка эжектора осуществляется конденсатом от конденсатного насоса.

В каждом МКО установлено по одному эжектору.

Дополнительный охладитель ХВ предназначен для конденсации оставшейся паровоздушной смеси после эжектора отсоса. Охладитель прокачивается забортной водой.

Циркуляционный турбонасос ТЦН обеспечивает подачу охлаждающей воды на главный конденсатор, маслоохладитель, ЦГК и нижние воздухоохладители машинной вентиляции.

Характеристики насоса на максимальной нагрузке:

производительность - 8500 т/ч;

давление нагнетания - 5,7 м.вод.ст. (0,57 кгс/см2);

частота вращения насоса - 560 об/мин;

давление пара перед насосом - 25 кгс/см2.

ТЦН представляет собой вертикальный агрегат, состоящий из пропеллерного насоса, паровой турбины и двухступенчатого редуктора. Смазка турбины и редуктора насоса ТЦН форсированная от собственного навешенного насоса, для смазки при пуске и остановке насоса предусмотрен пусковой электронасос. Возможен централизованный вариант смазки турбины и редуктора насоса ТЦН, от коллектора смазки ГТЗА.

ТЦН имеет собственный маслоохладитель, прокачиваемый циркуляционной водой.

В конструкции ТЦН предусмотрена обгонная муфта, отключающая турбопривод от вала насоса при частоте вращения ГТЗА выше 100 об/мин.

ТЦН работает только на малых передних и всех задних ходах, на ходах при частоте вращения ГТЗА выше 100 об/мин вода в циркуляционную систему подаётся от системы самопротока.

Подготовка к пуску и пуск насоса осуществляются с местного поста, управление работающим насосом автоматическое от системы управления ГТЗА.

Предусмотрено также дистанционное изменение частоты вращения насоса из ПДУ независимо от скорости хода корабля.

В каждом МКО установлено по одному турбонасосу.

7. Электроэнергетическая установка

Для питания электрической энергией корабельных потребителей на корабле предусмотрены две электростанции. В состав каждой электростанции входят один турбогенератор и два дизель-генератора.

Турбогенераторы работают на всех ходовых режимах с отводом отработавшего пара на главный конденсатор своего эшелона и на вспомогательный конденсатор при стоянке корабля под вспомогательным котлом.

Дизель-генераторы включаются в действие на режиме боевого полного хода и, кроме того, автоматически подключаются при увеличении нагрузки на турбогенератор до 90% от номинальной мощности и при снижении напряжения в сети до 80% от номинального.

Обеспечена устойчивая параллельная работа турбогенератора и дизель-генераторов одной электростанции во всём диапазоне нагрузок, а также, кратковременная параллельная работа генераторов различных электростанций на время перевода нагрузки.

Основные характеристики турбогенератора:

номинальная длительная мощность на клеммах генератора:

при работе паром от главного котла - 1250 кВт;

при работе паром от вспомогательного котла - 750 кВт;

(для кормового турбогенератора - 730 кВт)

род тока - переменный, трёхфазный, с частотой 50 Гц;

напряжение на клеммах генератора - 400 В.

Турбогенератор состоит из паровой турбины, планетарного редуктора, генератора и обслуживающих их механизмов, аппаратов и трубопроводов, смонтированных на общей раме.

Турбогенератор снабжён системой автоматического регулирования, обеспечивающей поддержание частоты генерируемого тока в заданных пределах. Пуск ТГ осуществляется с местного поста, управление - автоматическое.

Дизель-генератор состоит из дизеля, генератора, аппаратов и устройств, смонтированных на общей раме.

Дизель-генератор снабжён системой автоматического регулирования, обеспечивающей поддержание частоты генерируемого тока в заданных пределах. Пуск и остановка дизель-генератора производится дистанционно или с местного поста.

Пуск ДГ производится от воздушного баллона ёмкостью 80 литров, давлением воздуха 150 кгс/см².

Охлаждение дизеля - пресной водой по замкнутому циклу от навешенного насоса, пресная вода охлаждается забортной водой от навешенного насоса забортной воды.

Генератор трёхфазного тока, с воздушным охлаждением.

Для обслуживания дизель-генераторов предусмотрены следующие механизмы и цистерны:

Электронасос представляет собой агрегат, состоящий из винтового насоса и электродвигателя. В помещениях ОВМ и ПКГ установлено оп одному электронасосу. Предусмотрено автоматическое включение и выключение электронасоса от датчиков уровня в расходной топливной цистерне.

Расходная топливная цистерна, оборудованная датчиками верхнего и нижнего уровней. Ёмкость цистерны - 0,8 т.

Ручной насос НРI производительностью 1,25 л за двойной ход, предназначенный в качестве резервного для закачки топлива в расходную цистерну.

8. Вспомогательная энергетическая установка

Водоопреснительная установка.

Для восполнения утечек питательной воды из цикла “пар-конденсат”, а также для приготовления мытьевой и питьевой воды на корабле установлены две водоопреснительные установки.

Тип установки - дистилляционная, паровая, батарейная, агрегатированная, автоматизированная.

Характеристики установки:

производительность 50 т/сутки;

солесодержание дистиллята по солемеру - не более 5 мг/л;

содержание в дистилляте ионов хлора (Cl-) - не более 2,0 мг/л;

давление греющего пара перед установкой - 23+2 кгс/см2.

Забортная вода на установку подаётся охлаждающим электронасосом производительностью 100 м³/ч с давлением нагнетания 3 кгс/см², греющий пар - из магистрали слабоперегретого пара.

Приготовленный дистиллят электронасосом, входящим в состав установки, через электромагнитный клапан и обессоливающий фильтр подаётся в запасные и расходные цистерны питательной воды, а также в систему бытовой пресной воды. В случае превышения допустимой солёности дистиллят перепускается электромагнитным клапаном в трюм.

Вспомогательная конденсационная установка предназначена для приёма отработавшего пара и конденсата на стоянке, а также для приёма отработавшего пара от вводимых турбомеханизмов при приготовлении энергетической установки к действию. На корабле установлены две вспомогательные конденсационные установки.

В состав каждой вспомогательной конденсационной установки входят:

Вспомогательный конденсатор, горизонтальный, поверхностный, вакуумный.

Цистерна дополнительной ёмкости объёмом 450 л, установленная под вспомогательным конденсатором и являющаяся компенсирующей ёмкостью системы закрытого питания вспомогательного котла; цистерна имеет регулятор уровня, который в случае падения уровня добавляет воду в цистерну из одной из запасных цистерн, а в случае повышения уровня - направляет избыток воды в запасную цистерну питательной воды своего эшелона.

Конденсатный насос НЦКВ обеспечивает откачку конденсата из цистерны дополнительной ёмкости и подачу его на всасывание питательного турбонасоса.

Пароструйный эжектор ПЭЖ обеспечивает при давлении свежего пара перед ним 15кгс/см² производительность, необходимую для поддержания вакуума во вспомогательном конденсаторе 85%.

Пароструйный эжектор - вертикальный, с поверхностным конденсатором, одноступенчатый.

Забортная вода на охлаждение вспомогательного конденсатора и эжектора подаётся из вспомогательной системы охлаждения забортной водой механизмов ЭУ.

Вспомогательная котельная установка.

Вспомогательная котельная установка предназначена для обеспечения стояночного режима корабля и приготовления энергетической установки к действию.

В состав вспомогательной котельной установки входят:

Вспомогательный котёл КВВА, вертикальный, водотрубный, с естественной циркуляцией, двухколлекторный, с боковым экраном, пароперегревателем, двухсторонним отоплением и подачей воздуха в котёл.

Для сжигания топлива на переднем и заднем фронте котла установлено по одной паромеханической форсунке. Для растопки котла при отсутствии пара на корабле, предусмотрена растопочная форсунка.

Система автоматического регулирования обеспечивает поддержание давления пара заданных параметров и подачу воздуха в котёл в количестве, обеспечивающем бездымное горение. При этом регулирование расхода топлива достигается изменением давления топлива перед форсунками и количеством включенных форсунок, а регулирование количества воздуха - воздействием на положение воздушной заслонки, установленной в воздуховоде на входе в котёл. Температура топлива за топливоподогревателем поддерживается автоматически регулятором температуры. Уровень воды в коллекторе поддерживается автоматически регулятором. Подготовка к пуску и ввод в действие котла производится с местного поста, управление - автоматическое. Кроме того, котёл имеет полуавтоматическое управление при выключенном регуляторе давления пара.

Рабочей средой в системе регулирования является питательная вода, отбираемая за питательным насосом.

Питательный турбонасос ПТН предназначен для подачи питательной воды в котёл. На корабле установлено два турбонасоса, один из которых находится в резерве.

Обессоливающий ионитный фильтр ФИ предназначен для очистки питательной воды от солей. Фильтр установлен за конденсатным электронасосом, пред механическим фильтром.

Подогреватель питательной воды ППВ - для подогрева питательной воды перед её подачей в котёл.

Подогреватель поверхностный, с U - образными трубками. Греющим паром служит отработавший пар турбонасоса.

Фильтр питательной воды - для очистки питательной воды от механических примесей. Фильтр установлен перед питательным турбонасосом.

Дозерная установка ЭСКН, предназначена для ввода присадок в котловую воду. Дозерная установка включает в себя скальчатый одноцилиндровый электронасос производительностью 16 л/ч и бак для фосфатов.

Топливный электронасос 3В для подачи топлива к форсункам котла. На корабле установлено два электронасоса, один из которых находится в резерве.

Электронасос - вертикальный агрегат, состоящий из винтового насоса и электродвигателя. Перед насосом установлен фильтр для очистки топлива от механических примесей.

Подогреватель топлива ПТС предназначен для подогрева топлива перед подачей его к форсункам. Греющим паром служит насыщенный пар. Подогревателей установлено два, один из которых является резервным.

Электроподогреватель топлива ПНЭ предназначен для подогрева топлива при вводе котла при отсутствии пара на корабле.

Электроподогреватель топлива включен в напорный топливный трубопровод параллельно с паровым подогревателем топлива.

Электровентилятор может принимать воздух из помещения, из атмосферы, а также из атмосферы через фильтр грубой очистки при работе на “замкнутом” цикле вентиляции помещения.

Для “мокрого” хранения котла используется бачок, установленный в носовом МКО для главных котлов.

Для химической чистки (внутренней и наружной) котла используется система химической чистки главных котлов.

Вспомогательная котельная установка снабжена необходимыми контрольно-измерительными приборами и аварийно-предупредительной сигнализацией по уровню воды в коллекторе и в запасных питательных цистернах, а также по падению давления на нагнетании конденсатного электронасоса.

9. Система охлаждения механизмов энергетической установки

Система предназначена для охлаждения воздухоохладителей системы машинной вентиляции, вспомогательных механизмов и прокачки дейдвудных труб.

Забортная вода в систему подаётся четырьмя электронасосами НЦВ производительностью по 160 т/ч, двумя электронасосами НЦВ производительностью по 250 т/ч и двумя электронасосами НЦВ производительностью по 100 т/ч, обеспечивающими давление в охлаждающей системе 2 кгс/см².

Охлаждающий электронасос представляет собой вертикальный агрегат, состоящий из центробежного одноступенчатого насоса и электродвигателя.

Для управления системой охлаждения в ПЭЖе на щите сигнализации о работе энергетической установки предусмотрено включение и выключение охлаждающих электронасосов и сигнализации о рабочем давлении за каждым насосом и в участках охлаждающей магистрали.

На повседневном режиме система охлаждения включается поэшелонно, а на режиме защиты - разобщается по участкам.

Для перекачки топлива внутри корабля из запасных цистерн в расходные, а также для выравнивания крена и дифферента на корабле установлены два топливоперекачивающих электронасоса 3В, по одному в каждом МКО.

Электронасос представляет собой горизонтальный агрегат, состоящий из винтового насоса и электродвигателя.

При работе электронасоса на заполнение расходной цистерны своего МКО предусмотрено его автоматическое отключение по сигналу от датчика верхнего уровня в цистерне.

Для откачки топлива с корабля и передачи его другому кораблю в носовой и кормовой оконечностях установлено по одному электронасосу 3В.

Электронасос представляет собой вертикальный агрегат, состоящий из винтового насоса и электродвигателя.

При работе двух электронасосов обеспечивается скорость откачки 150 т/ч (при температуре топлива 25 ^оС).

Контроль за заполнением топливных цистерн осуществляется из ПЭЖа.

Предусмотрено дистанционное (из ПЭЖа) управление клапанами на магистрали приёма топлива, расположенными по одному в каждом МКО.

Зачистка топливных цистерн производится паровыми зачистными насосами ПДГ, установленными по одному в каждом МКО.

Производительность насоса - 6,0 т/ч.

Воздух в систему сжатого воздуха подаётся тремя электрокомпрессорными станциями ЭКСА производительностью 14 л/мин при давлении 200 кгс/см².

Забортная вода в пожарную систему подаётся семью насосами НЦВ производительностью 160 т/ч каждый при давлении нагнетания 8 кгс/см². Запуск насосов автоматический, дистанционный из ПЭЖ и с местных постов.

Общее руководство управлением энергетической установкой осуществляется из поста энергетики и живучести, который является главным пунктом управления и оборудован необходимыми средствами контроля, сигнализации и связи.

Запасный ПЭЖ оборудован в ПДУ кормового МКО.

Приготовление и ввод в действие главной энергетической установки осуществляется с местных постов.

Непосредственное управление вспомогательной котельной установкой осуществляется с местных постов. Управление источниками электроэнергии - дистанционное, местное и автоматическое.

Из ПДУ осуществляется управление следующими механизмами и аппаратами своего МКО:

ГТЗА (пуск и остановка, изменение частоты вращения, реверсирование);

ТЦН (пуск и остановка, изменение частоты вращения);

главные котлы (поддержание давления, изменение нагрузки);

ПКБТ (пуск, остановка, изменение нагрузки);

машинная вентиляция (закрытие и открытие крышек, пуск и остановка электровентиляторов, переключение заслонок воздуховодов);

включение дополнительной ступени главного эжектора;

открытие пневматического клапана на сливе конденсата из цистерны грязных конденсатов;

включение топливного электронасоса главных котлов;

включение и выключение насосов рабочей воды автоматики;

10) включение резервного масляного электронасоса ГТЗА;

11) включение масляных электронасосов системы ДУ ГТЗА.

При работе электроэнергетической установки автоматически поддерживаются частота вращения турбо- и дизель-генераторов и распределение нагрузки между ними при параллельной работе.

При работе вспомогательной энергетической установки автоматически регулируются следующие процессы и параметры:

горение во вспомогательном котле;

питание котла водой;

уровень воды в цистерне дополнительной ёмкости;

температура топлива за топливоподогревателем;

аварийное (кратковременное) питание котла водой при остановке конденсатного электронасоса;

Система теплотехнического контроля обеспечивает наблюдение за работой механизмов, аппаратов и трубопроводов непосредственно с местных постов, а также за работой основных механизмов и систем из ПДУ и ПЭЖа.

В ПДУ установлены пульты управления ГТЗА и котлами своего МКО, а также приборы, обеспечивающие замеры теплотехнических параметров, необходимых для эксплуатации.

В ПЭЖе установлены приборы, обеспечивающие контроль за управлением ЭУ.

В обоих постах управления предусмотрена необходимая световая и звуковая сигнализация и связь.

10. Тепловой расчёт котла КВВА26

На всех судах, кроме атомоходов, для получения пара и горячей воды используют топливо органического происхождения, состоящее главным образом из углеродистых и углеводородистых соединений. На современных судах в топках главных и вспомогательных котлов сжигается жидкое искусственное топливо различных марок, являющееся продуктом термохимической переработки сырой нефти, имеющее более высокие эксплуатационные качества, чем твердое топливо. Основным топливом для судовых котлов служит мазут (самый дешевый сорт жидкого топлива).

Основными характеристиками, общими для топлив всех видов, являются элементарный состав и теплота сгорания. К числу важных характеристик жидкого топлива следует отнести: вязкость, плотность, температуры застывания, вспышки и воспламенения, а также наличие механических твердых примесей.

Топливо, подаваемое в топку, называется рабочим, а его масса-- рабочей. На основании химического анализа рабочего топлива можно установить, что оно состоит из семи компонентов. Если массовые доли компонентов представить в процентах, то элементарный состав рабочей массы топлива можно выразить формулой:

С^Р + Н^Р + S^Р_Л +N^Р + O^Р + A^Р + W^Р = 100%

Горючими элементами топлива являются углерод С, водород Н и сера S_Л. Остальные составляющие компоненты (азот N, кислород О, зола А и влага W) понижают тепловую ценность топлива. Если из рабочей массы топлива удалить влагу, то останется сухая масса, для которой справедливо выражение:

С^С + Н^С + S^С_Л +N^С + O^С + A^С = 100%

Исключив влагу и золу, получим массу, условно названную горючей (хотя не все компоненты этой массы -- горючие элементы),

С^Г + Н^Г + S^Г_Л +N^Г + O^Г + = 100%

По составу рабочей и сухой массы не представляется возможным объективно судить о топливе, как о горючем веществе, так как содержание влаги и золы в нем зависит от способа добычи, условий хранения и транспортировки топлива. Только горючая масса может характеризовать ценность топлива. Рассмотрим каждый компонент топлива в отдельности.

Важнейшими и наиболее ценными составляющими жидкого топлива являются углерод и водород. Эти горючие элементы находятся в виде различных соединений между собой, а также с кислородом, азотом и серой. Из горючих элементов в жидком топливе содержится наибольшее количество углерода. Водород содержится во всех видах жидкого топлива, но в значительно меньших количествах, чем углерод; в мазуте его содержание самое высокое и достигает 10% и более. Кислород служит окислителем. Азот как инертный газ не участвует в реакциях горения, он уменьшает содержание в топливе углерода и водорода, поэтому его включают в балласт топлива.

Сера в составе топлива делится на горючую (летучую) S_Л, участвующую в процессе горения, и негорючую. К горючей сере относится колчеданная S_K (FeS₂, ZnS) и органическая S₀. К негорючей сере принадлежит сульфатная сера S_C, находящаяся в топливе в виде сернокислых солей кальция и магния (CaSO₄, MgSO₄) и других соединений. Сульфатную серу относят к негорючей части топлива и включают в золу.

Таким образом, горючая сера состоит из двух частей: S_Л = S_Л + S₀

В зависимости от содержания серы мазуты и моторные топлива делят на малосернистые (до 0,5%), сернистые (до 2%) и высокосернистые (до 3,5 %). Сера относится к вредным составляющим топлива. При горении топлива получается двуокись серы SO₂, небольшая часть которой при определенных условиях и при наличии кислорода в газах окисляется, образуя высший окисел SO₃. Находящиеся в газах SO₃ и пары воды образуют пары серной кислоты H₂SO₄.Если температура стенки труб будет равна температуре конденсации смеси паров воды и серной кислоты или меньше ее, то указанная смесь сконденсируется на стенке и начнется интенсивна коррозия металла.

Зола -- это негорючий твердый остаток (минеральные примеси), который получается после лабораторного сжигания пробы исследуемого топлива при температуре 800 °С. В жидких топлива зола находится в очень незначительном количестве. Предельная зольность мазутов составляет 0,15--0,3 %.

Влага топлива -- весьма нежелательная примесь, так как она уменьшает содержание горючих элементов и, кроме того, часть теплоты, выделяющейся при горении топлива, непроизводительно расходуется на парообразование. Содержание влаги в мазутах составляет 1--3 %, в моторных топливах около 1,5 %. Однако влажность жидкого топлива может быть значительно выше вследствие обводнения при транспортировке и хранении из-за водотечности цистерн и при контактном способе подогрева топлива паром (непосредственном введении пара в подогреваемый мазут).

Теплота сгорания топлива --это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива. Теплоту сгорания жидкого топлива определяют в специальной калориметрической установке путем сжигания точно взвешенной пробы исследуемого топлива в закрытом сосуде (калориметрической бомбе) под давлением 2,5--3 МПа. Условия сжигания топлива в топках котлов и калориметрической бомбе неодинаковы. При сгорании топлива в топке азот в процессе горения не участвует, а сера сгорает, образуя сернистый ангидрид SО₂. При сгорании топлива в калориметрической бомбе в среде кислорода под высоким давлением азот частично окисляется и, соединяясь с водой, образует азотную кислоту, а сера, окисляясь, образует серный ангидрид, который при наличии воды дает серную кислоту.

Поэтому, чтобы вычислить теплоту сгорания топлива в топке Q^Р_В, используют количество теплоты сгорания топлива в калориметрической бомбе Q^Р_В с учетом кислотообразования в ней, т. е, Q^Р_В = Q^Р_В -- 94,3S^P_Л -- 0,0015Q^Р_В, кДж/кг, где 94,3S^P_Л -- количество выделенной теплоты при переходе сернистого ангидрида SO₂ в серный ангидрид SO₃ и растворения последнего в воде; 0,0015S^P_Л -- теплота образования азотной кислоты в бомбе.

Высшая теплота сгорания топлива Q^Р_В -- количество теплоты, выделенной при полном сгорании 1 кг топлива, если образующиеся при сгорании водяные пары сконденсированы. Количество высшей теплоты сгорания топлива превосходит действительное количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива в топках. Это объясняется тем, что при сжигании топлива в калориметрической бомбе водяные пары, образующиеся при сгорании водорода и испарении влаги топлива, конденсируются, выделяя теплоту.

В реальных условиях сгорания топлива водяные пары не конденсируются, так как продукты сгорания не охлаждаются до таких температур, при которых происходит конденсация и выделение теплоты парообразования. Поэтому в инженерных тепловых расчетах пользуются низшей теплотой сгорания Q^Р_Н -- количеством теплоты, выделенной при полном сгорании 1 кг топлива за вычетом теплоты конденсации водяных паров.

Теплота сгорания для различных видов топлива колеблется в широких пределах; для жидкого топлива она составляет около 40000 кДж/кг.

Мазут как основное топливо судовых котлов представляет собой остатки переработки природной нефти прямой перегонкой и крекинг-процессом. Мазут состоит из различных соединений тяжелых жидких углеводородов со взвешенными в них твердыми частицами, часть из которых является твердыми горючими углеводородами (асфальтенами, карбенами, карбоидами), а другая зола крекинг-мазутов содержит различные соединения в виде сульфитов, карбонатов, окислов железа, ванадия и др. Присутствие отдельных элементов, таких как ванадий, создает известные трудности в эксплуатации судовых котлов вследствие высокой коррозионной активности соединений ванадия.

Большое значение для топливоподготовки, топливоподачи и сжигания мазута и других жидких топлив имеют такие его характеристики, как вязкость, температуры застывания, вспышки и воспламенения, плотность.

Вязкость жидкого топлива оказывает существенное влияние на его транспортировку по трубопроводам и качество распыливания. Вязкость зависит от марки и температуры топлива, определяется в специальных приборах -- вискозиметрах и выражается в различных единицах абсолютной вязкости в зависимости от принятой системы единиц. Наибольшее распространение получило измерение вязкости в условных единицах. В качестве такой единицы принят градус условной вязкости (°ВУ), представляющий собой отношение времени истечения из вискозиметра типа ВУ испытуемого топлива при определенной температуре ко времени истечения из этого прибора такого же объема дистиллированной воды при температуре 20 °С.

С повышением температуры вязкость мазута снижается по закону кривой, близкой к экспоненте. Вязкость мазута обычно измеряется при 50 и 80 °С. Для обеспечения высокого качества распыливания и, следовательно, полного сгорания мазута его вязкость перед подачей в форсунку должна быть не более 3 °ВУ, что достигается подогревом мазута до температуры 70--110°С в зависимости от его марки.

Температура застывания -- это температура, при которой густота мазута такова, что при наклоне пробирки, заполненной этим топливом, на 45° уровень его в течение одной минуты не возвращается в горизонтальное положение. Застывание жидкого топлива при разных температурах (для судовых топлив от --11 до +36 °С) объясняется различным содержанием парафинов.

Температурой вспышки называется найнизшая температура, при которой пары жидкого топлива, нагреваемого в среде атмосферного воздуха, при поднесении пламени вспыхивают. Жидкая масса топлива при этом не должна загораться.

Температура воспламенения -- температура, при которой после вспышки топливо загорается с поверхности, и горение устойчиво продолжается не менее 5 с. Температура воспламенения превышает температуру вспышки на 15--25 °С и более.

Температуры вспышки и воспламенения определяются в открытом или закрытом тиглях. Эти температуры должны быть приняты во внимание, прежде всего для соблюдения пожаробезопасности при использовании и хранении топлива. Нужно иметь в виду, что пожароопасность сильно увеличивается при низких значениях температуры вспышки. Топочные мазуты имеют температуру вспышки 80--90 °С.

Плотность мазута определяется с помощью ареометра. Она зависит от способа получения мазута и колеблется в пределах (0,92-1,00). 10³ кг/м³ при t = 20°С.

У крекинг-мазутов марок 40 и выше, обладающих большей вязкостью и большей плотностью, достигающей 10³ кг/м³ и даже несколько более, затрудняется отделение влаги от топлива при значительном его обводнении..

В настоящее время основным топливом для главных и вспомогательных котлов на морских судах является мазут, так как он удовлетворяет следующим основным требованиям, которые предъявляются к судовому топливу: имеет высокую теплоту сгорания (это требование позволяет при одних и тех же запасах топлива увеличить автономность плавания), низкую стоимость, наиболее простые способы бункеровки и транспортировки, возможность автоматизации процесса сжигания, невысокую пожароопасность при хранении и использовании. На судах обычно применяется маловязкий мазут трех марок: Ф5, Ф12 и 40.

Горение топлива представляет собой химический процесс быстрого соединения (окисления) горючих элементов топлива с кислородом воздуха, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным тепловыделением. Система, состоящая из окислителя и топлива, претерпевает сложный путь химических превращений с образованием промежуточных продуктов, причем реакции могут быть экзотермическими и термическими.

Различают полное и неполное сгорание. Сгорание называется полным, если горючие элементы топлива окисляются полностью. Горючими элементами топлива являются углерод, водород и сера. При полном сгорании образуются углекислый газ СО₂, водяные пары Н.₂О и сернистый газ SO₂. В продуктах полного сгорания будут присутствовать также азот (атмосферный и азот топлива) и избыточный кислород. Это объясняется тем, что вследствие несовершенства процесса перемешивания топлива с воздухом в топку подается избыточный воздух, в результате чего не весь кислород расходуется на горение.

При неполном сгорании топлива в продуктах сгорания наряду с перечисленными выше соединениями находятся окись углерода СО, водород Н₂, метан СН₄ и другие углеводороды. При сжигании жидких топлив эти продукты неполного сгорания, кроме СО, содержатся в очень незначительных количествах, и их не учитывают. Поэтому за показатель неполноты сгорания топлива принимают содержание в газах только СО.

Определение количества воздуха, необходимого для полного сгорания топлива.

На основании соотношений, полученных из реакций горения, можно составить формулу для определения количества кислорода, теоретически необходимого, для полного сгорания содержащихся в 1 кг топлива горючих элементов -- углерода С^Р/100 кг, водорода Н^р/100 кг и серы S^Р/100 кг,

2.67(С^Р + Н^Р + S^Р_Л)/100, кг/кг (1.2)

Так как в горении участвует кислород самого топлива в количестве О^Р/100 кг, то необходимое количество кислорода, которое следует подвести к топливу, будет на эту величину меньше:

2.67(С^Р + Н^Р + S^Р_Л - О^Р)/100, кг/кг (1.3)

Полученное по выражению (1.3) количество кислорода будет минимальным, его называют теоретическим. В действительности в топку подается больше кислорода.

Так как горение топлива происходит за счет кислорода атмосферного воздуха, то для определения количества воздуха необходимо знать процентное содержание кислорода в воздухе. Для технических расчетов принимают следующий состав сухого воздуха: объемная доля О₂ -- 21%, массовая доля -- 23,2%, объемная доля N₂ -- 79 %, массовая доля -- 76,8%. Тогда количество сухого воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг топлива, будет:

L₀ = 2.67(С^Р + Н^Р + S^Р_Л - О^Р)/23.2, кг/кг

L₀ = 0.115(С^Р + 0.375S^Р_Л) + 0.345Н^Р - 0.043О^Р, кг/кг (1.4)

В расчетах обычно пользуются объемным количеством воздуха. Приняв плотность сухого воздуха при нормальных условиях ⁰в = 1.293 кг/м³, получим расчетную формулу, по которой определим объем сухого воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания 1 кг топлива, V° = L₀/в или

V° = 0.0889(С^Р + 0.375 S^Р_Л) + 0.267Н^Р - 0.0333О^Р, м³/кг (1.5)

Указанного количества сухого воздуха было бы достаточно для полного сгорания 1 кг топлива, если бы горение происходило в идеальных условиях, т. е. в предположении, что каждая частица кислорода обязательно вступит в реакцию с соответствующей частицей топлива. В реальных условиях из-за несовершенства перемешивания вероятнее всего ожидать некоторую неравномерность в распределении кислорода: в одних частях топки его будет избыток, в других -- недостаток. При недостатке кислорода происходит неполное сгорание топлива. Во избежание этого в топки котлов подают воздух в количестве, превышающем теоретически необходимое.

Отношение количества воздуха, действительно поступающего в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха а.

Коэффициент избытка воздуха -- одна из важнейших характеристик топочного процесса. Величина зависит от рода топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства и нагрузки котла. У котлов, работающих на полной нагрузке, = 1,05--1,3.

Во время эксплуатации котла коэффициент избытка воздуха поддерживается на уровне установленных (паспортных) значений. Величину определяют с помощью газового анализа продуктов сгорания, выполняемого специальными приборами -- газоанализаторами. При проектировании и эксплуатации котлов всегда стремятся обеспечить полное сгорание топлива при наименьших значениях . Принимаем = 1,1.

В общем случае (горение неполное) продукты сгорания представляют собой смесь следующих газов: углекислого газа СО₂, сернистого ангидрида SO₂, водяных паров Н₂О, азота N₂, неиспользованного при горении (избыточного) кислорода О₂, окиси углерода СО и других продуктов неполного сгорания, которыми мы пренебрегаем. Объем продуктов при полном сгорании топлива V_г будет меньше, чем при неполном сгорании, на величину объема кислорода, который затрачивается на дожигание СО. Эта разница ничтожно мала в сравнении с величиной V_г, поэтому объем продуктов сгорания определяют в предположении, что горение полное. При этом с достаточной для практических расчетов точностью можно пренебречь также азотом топлива, так как в жидких топливах его содержится очень мало.

Таким образом, объем продуктов полного сгорания 1 кг топлива V_Г можно найти и как сумму объемов следующих газов:

На основании соотношений, полученных из расчетных реакций горения, определим объемы СО₂ и SO₂

 м³/кг; м³/кг. (1.6)

При химическом анализе продуктов сгорания процентное содержание углекислого газа СО₂ и сернистого газа SO₂ определяем в совокупности, поэтому их суммарное содержание обозначают через RO₂. Объем этих газов принято определять также вместе, т. е.

м³/кг. (1.7)

После подстановки в (1.7) выражений (1.6) получим расчетную формулу:

м³/кг, (1.8)

где К^Р = С^Р + 0,375S^Р_Л -- приведенный углерод топлива.

Объем водяных паров определяют по выражению:

. (1.9)

Первое слагаемое представляет собой количество влаги, образующейся от сгорания водорода, второе слагаемое -- количество топлива, третье -- количество влаги, вносимой в топку с распыливающим паром, четвертое -- количество влаги атмосферного воздуха. В формуле (1.9) d -- влагосодержание атмосферного воздуха, кг/кг сухого воздуха, принимаем d = 0.01 кг/кг; G_ф -- удельный расход распыливающего пара, кг/кг топлива, принимаем G_ф = 0.04 кг/кг; коэффициент 1.24 -- это удельный объем водяных паров, м³/кг.

После несложных преобразований выражение (1.9) примет вид:

 (1.10)

= 0.11110.6 + 0.01242 + 1.240.04 + 1.60.0110.4 = 1.434 м³/кг.

Объем продуктов сгорания можно определить как сумму объемов продуктов сгорания (при = 1) и избыточного воздуха

V_г = V⁰_г + (1+1,6d) V⁰ м³/кг (1.11)

Теоретический (минимальный) объем продуктов полного сгорания 1 кг топлива при = 1

м³/кг, (1.12)

где теоретический объем азота:

м³/кг, (1.13)

теоретический объем водяных паров:

= 0.111Н^Р + 0.0124W^Р + 1.24G_Ф + 1.6dV м³/кг, (1.14)

= 0.11110.6 + 0.01242 + 1.240.04 + 1.60.0110.4 = 1.417 м³/кг,

V_Г = 1.6 + 8.21 + 1.417 = 11.16 м³/кг.

Таким образом, расчетная формула для определения объема продуктов сгорания имеет вид:

(1.16)

V_Г = 1.6 + 8.21 + 1.434 + (1+ 1.60.01)(1.1 -1)10.4 = 12.21 м³/кг.

Построение диаграммы I_г -

Для расчёта теплообмена между продуктами сгорания с одной стороны поверхности нагрева и водой, паром, воздухом с другой стороны поверхности необходимо знать энтальпию продуктов сгорания и воздуха. Энтальпия I_Г (кДж/кг топлива) продуктов сгорания, образовавшихся при сгорании 1 кг топлива при температуре , определяется количеством теплоты, которая необходима для нагревания этих газов при постоянном давлении от нуля до данной температуры ?⁰С.

Представим объём продуктов сгорания как сумму теоретического объёма газов и объёма избыточного воздуха в соответствии с (1.12), значение I_Г рассчитывается по формуле

I_Г = I⁰_Г + (? - 1)I⁰_в (1.16)

Энтальпия продуктов полного сгорания 1 кг топлива при ? = 1 и температуре ?⁰С

(1.17)

В формулах (1.17),(1.18) - средние в интервале температур от 0 до ?изобарные объёмные теплоёмкости соответствующих газов и влажного воздуха, кДж/(м³К).

Определение энтальпии продуктов сгорания топлива по температуре или температуры продуктов сгорания по их энтальпии удобно выполнять с помощью диаграммы I_Г - , которая представляет собой графическую зависимость I_Г = f() при ? = const. При построении такой зависимости, близкой к прямой линии, энтальпии рассчитывают для температур в диапазоне от нуля до 2200⁰С через каждые 200 - 400 ⁰С.

Тепловой баланс и теплообмен в паровом котле.

Уравнение теплового баланса вспомогательного парового котла.

Эффективность рабочего процесса, осуществляемого во вспомогательном паровом котле, характеризуется коэффициентом полезного действия. Рассмотрим тепловой баланс котла, при котором теплота, поступающая в топку, разделяется на полезно используемую (для производства пара или горячей воды) и на тепловые потери. Часть этих потерь является неизбежной, другая часть может быть уменьшена до минимума или полностью устранена. При проектировании вспомогательных котлов и их теплотехнических испытаниях очень важным является правильное составление уравнения теплового баланса (равенства между приходов теплоты и её расходом) и анализ его составляющих. Тепловой баланс составляется для установившегося режима работы котла, т.е. такого режима, при котором расходы пара, воды, продуктов сгорания, воздуха и их параметры во времени не изменяются.

Количество теплоты, поступающей в топку в расчёте на 1 кг топлива, складывается из следующих составляющих: низшей теплоты сгорания рабочей массы топлива Q^Р_Н; теплоты, внесённой атмосферным воздухом, I_х.в; физической теплоты топлива i_тл; теплоты, внесённой распыливающим (форсуночным) паром при применении паромеханических или паровых форсунок, Q_ф. Большая часть этой теплоты расходуется на генерацию пара или подогрев воды и называется полезно используемой теплотой Q₁, кДж/кг. Остальная часть теплоты расходуется на тепловые потери с уходящими газами I_ух вследствие химической неполноты сгорания Q₃, механической неполноты сгорания Q₄ и наружного охлаждения Q₅.

При установившемся режиме приход теплоты равен расходу, т.е.

Q^р_н +I_х.в + i_тл + Q_ф = Q_ф + I_ух + Q₃ + Q₄+ Q₅. (1.19)

Величина I_ух представляет собой энтальпию уходящих газов. Эта потеря обуславливается тем, что продукты сгорания покидают котёл с температурой значительно превышающей температуру атмосферного воздуха t_х.в. так как теплота I_х.в, вносимая атмосферным воздухом, является даровым источником, то потерей теплоты с уходящими газами будет являться разность I_ух - I_х.в, т.е.

Q₂ = I_ух - I_х.в. (1.20)

Поэтому, если из левой части уравнения (3.1) перенести в правую часть величину I_х.в, то получим

Q^Р_Н + i_тл + Q_ф = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄+ Q₅. (1.21)

Левую часть уравнения (1.21) называют располагаемой теплотой и обозначают Q^Р_Р. Таким образом, располагаемая теплота в расчёте на 1 кг топлива

Q^Р_Р = Q^Р_Н + i_тл + Q_ф. (1.22)

Тогда уравнение теплового баланса примет окончательный вид

Q^Р_Р = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅. (1.23)

Если все члены уравнения (1.23) выразить в процентах от Q^Р_Р, то уравнение теплового баланса запишется следующим образом:

100 = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅, (1.24)

где q_? = (Q_?/Q^р_р)100.

Заметим, что при сжигании жидкого топлива потерю теплоты от механического недожога q₄/(Q₄) принимают равной нулю. Поэтому в дальнейшем эта величина не рассматривается.

Атмосферный воздух также называют холодным воздухом, и его температуру t_х.в при отсутствии специальных указаний принимают равной 30⁰С. забор воздуха производится обычно из котельного помещения.

Физическая теплота топлива i_тл определяется по формуле:

i_тл = c_тлt_тл, (1.25)

где c_тл -- теплоёмкость топлива, кДж/(кг К); t_тл = 115 ⁰С -- температура подогретого топлива. Теплоёмкость жидкого топлива зависит от температуры и её значение рассчитывается по формуле (1.1):

c_тл = 1.74 + 0.0025115 = 2.03 кДж/кгК,

i_тл = 2.03115 = 233 кДж/кг.

Теплота, вносимая в топку с паром для распыливания топлива:

Q_ф = G_ф(i_ф - 2500) кДж/кг, (1.26)

где G_ф,?i_ф - расход, кг/кг, и энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; 2500 - величина энтальпии пара в продуктах сгорания (приближенно), кДж/кг. Для паромеханических форсунок удельный расход распыливающего пара G_ф принимают в пределах 0,03-0,05 кг/кг.

11. Расчёт теплообмена в топке

Тепловое напряжение топочного объема представляет собой количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в 1 м³ объема топки в единицу времени. Принимаем q_т = 900 кВт/м³.

Объем топки:

V_Т = ВQ^Р_Р/q_т,

где В - расход топлива, кг/с; Q^Р_Р - располагаемая теплота, кДж/кг

V_Т = 0,56639645/900 = 24,9 м³

Число форсунок принимаем N = 2

Расчетная производительность одной форсунки:

В_Ф = В/N = 0,566/2 = 0,283 кг/c.

Расход воздуха через отверстие фурмы:

V_Ф = VВ_Ф(t_г.в + 273)/273,

где = 1,1 - коэффициент избытка воздуха; V = 10,38 м³/кг - теоретический объем воздуха; t_г.в = 150 С - температура горячего воздуха.

V_Ф = 1,110,380,283(150 + 273)/273 = 5 м³/c

Скорость воздуха в отверстии фурмы принимаем '_Ф = 40 м/с

Живое сечение фурмы:

f' = V_Ф/'_Ф

f' = 5/40 = 0,125 м²

Действительная скорость воздуха в отверстии фурмы:

_Ф = V_Ф/f = 5/0,125 = 40 м/c

Принимаем паровую нагрузку зеркала испарения R_З.И = 2,1 кг/(м²с)

Внутренний диаметр пароводяного коллектора:

d_п.к = D/(R_з.иL_т), (1.38)

где D = 7,22 кг /c - полная паропроизводительность котла

d_п.к = 7,22/(2,12,6) = 1,3 м

Внутренний диаметр водяных коллекторов d_в.к должен быть меньших размеров (d_в.к = 450 - 800 мм, ). Принимаем d_в.к = 0,8 м

Площадь поперечного сечения топки:

F_т = V_т/L_т (1.39)

F_т = 24,9/2,6 = 9,57 м²

Скомпонуем сначала идеализированную топку, имеющую форму почти правильного цилиндра. Оси труб, ограничивающие объем топки, совпадают с направляющей окружностью цилиндра, а концы труб закреплены в отверстиях, просверленных в верхнем и нижнем коллекторах. Конфигурация труб и расположение отверстий в коллекторах должны удовлетворять следующим требованиям:

Все трубы следует вводить в коллектор в радиальном направлении.

Шаги отверстий со стороны внутренней поверхности коллектора нужно выбирать такими, чтобы наименьшая длина металлического мостика между соседними отверстиями была следующей: 13 мм для отверстий d 32 мм; 0,4d мм для отверстий d 32 мм.

Трубы экрана и первого ряда конвективного пучка следует вводить в коллектор как можно ближе друг к другу, чтобы предохранить коллектор от теплового излучения из топки. Открытый участок коллектора защищают кирпичной кладкой.

Перед входом в коллектор каждая труба должна иметь прямой участок длиной не менее своего наружного диаметра во избежания повреждения во время развальцовки.

Гибы труб делают по радиусам.

После построения идеализированной топки переходим к построению реальной топки (рис. 1.4) путем трансформации идеализированного варианта с сохранением площади сечения. Для увеличения коэффициента омывания труб газами рекомендуется нижний коллектор сдвинуть в сторону движения газов. Иногда участки труб полезно делать прямолинейными (упрощается технология изготовления труб и можно также использовать плоские стенки кожуха), а ввод труб в ПВК смещать по окружности коллектора в сторону экрана.

За условную лучевоспринимающую поверхность нагрева топки Н_л принимается величина непрерывной плоскости, которая по тепловосприятию эквивалентна действительной незагрязненной экранной поверхности. Ее величина Н_л рассчитывается как сумма лучевоспринимающей поверхности экрана Н^э_л и притопочного конвективного пучка Н^п_л, т.е.