Реферат на тему
«Техническоеиспользование СЭУ»
В настоящее время ведутся большие работы посозданию главных и вспомогательных судовых газовых турбин. Большое внимание,уделяемое газовым турбинам, объясняется рядом их преимуществ по сравнению сдругими судовыми двигателями.
К преимуществам газотурбинных установок (ГТУ) посравнении» с дизельными относятся:
· осуществлениенепрерывного и постоянного рабочего процесса, что позволяет применять высокиескорости как рабочей среды, так и рабочих органов для повышения экономичности;
· отсутствиепоршней и кривошипно-шатунного механизма, а также трения в рабочих частях (заисключением трения в подшипниках вала),
· простотаустройства и обслуживания;
· возможностьполучения большой мощности на валу (до 30 000 кВт),
· меньшиеразмеры и масса при одинаковой мощности;
· возможностьсжигания в камерах сгорания более дешевых тяжелых сортов топлива;
· меньшийрасход на смазку (приблизительно в 30—40 раз) и ремонт;
· удобствоавтоматизации и дистанционного управления;
· относительнонебольшой обслуживающий персонал в связи с сокращением трудоемкоститехнического обслуживания на 25—30% по сравнению с трудоемкостью техническогообслуживания ДЭУ.
По сравнению с паротурбинными установками ГТУ имеютследующие преимущества:
· отсутствиепаровых котлов и сложного котельного оборудовании (системы, насосы,вентиляторы);
· отсутствиеконденсаторов и связанных с ними систем;
· лучшиеманевренные и пусковые качества;
· меньшиеразмеры и масса при одинаковой мощности;
· низкоедавление рабочей среды в цикле, а следовательно, большая
безопасность при случайном повреждениитрубопровода;
· высокаяманевренность, быстрый пуск и малое время набора полной мощности (пуск и выходна частоту вращения холостого хода в течение 1 мин; время набора полноймощности 2—3 мин).
Применение ГТУ позволяет значительно увеличитьгрузоподъемность и дальность плавания судна. При серийном производствестоимость изготовления ГТУ, амортизационные отчисления и эксплуатационныерасходы значительно меньше, чем соответствующие показатели паротурбинных идизельных установок.
Перспективность ГТУ как судового двигателя взначительной степени определяется возможностью достигнуть высокой экономичностипри дальнейшем совершенствовании проточной части турбин и компрессоров,особенно в связи с созданием, жаростойких материалов. При температуре 900—950°Сэкономичность ГТУ будет выше, чем большинства построенных ПТУ, а притемпературе 1200° С она может превосходить экономичность ДВС.
Газотурбинные установки большой мощностиперспективны для ряда судов новых типов, характерными особенностями которыхявляются большая мощность энергетических установок при ограничениях по высоте идлине машинных отделений. При современном уровне техники ГТУ уже можно считатьвесьма перспективным судовым двигателем.
Запасытоплива органического происхождения ограничены, поэтому в настоящее времяназрела необходимость в использовании энергии других видов. Особенноперспективно получение тепловой энергии в результате цепной реакции деленияядер таких химических элементов, как уран и некоторых других.
Экономичность ГТУ можно заметно повысить, еслиотработавшие газы с высокой температурой направить в котел, а получаемый в немпар использовать для бытовых, технологических нужд (например, обогрев танков натанкерах), выработки электроэнергии в утилизационном турбогенераторе или дляполучения дополнительной мощности, передаваемой паровой турбиной гребномувинту. В первых трех случаях степень утилизации теплоты отходящих газовограничивается потребностями в электроэнергии или Паре.
При использовании дополнительной утилизациипаровой турбиной степень утилизации теплоты может быть существенно увеличена,поскольку дополнительная мощность, получаемая в паровой части установки, неимеет ограничений с точки зрения ее использования. Такая установка (рис. 1)получила название газопаротурбинной (ГПТУ).
/>
Рис. 1. Схема газопаротурбинной установки
Рабочий процесс в паровой турбине на режимахчастичной мощности значительно отличается от рабочего процесса на режиме полноймощности. Это объясняется тем, что проточная часть всех ступеней турбины, кромепервой (регулировочной), остается неизменной при уменьшении расхода Gc пара в единицу времени —секунду.
Эффективная мощность (в кВт) паровой турбинызависит ог трех величин:
Nе=GcHaoe,
где Gc — расход пара черезтурбину в единицу времени, кг/с;
Hа — адиабатный перепадэнтальпий, кДж/кг;
oe — эффективный к. п. д.турбины.
Изменяя все величины одновременно или тольконекоторые из них, можно изменять мощность, развиваемую турбиной. Но очевидно,что для понижения мощности наиболее выгодно уменьшить только расход пара вединицу времени, оставляя постоянными адиабатный перепад энтальпий и к. п. д.
Существуют следующие способы регулированиямощности: качественное, или дроссельное; количественное; смешанное, иликоличественно-качественное.
Качественное (дроссельное) регулирование. Этопростейший способ регулирования мощности паровой турбины. Он состоит визменении открытия клапана, установленного перед турбиной; маневрового передглавной, дроссельного — перед вспомогательной. При полной мощности клапаноткрыт полностью. Для уменьшения мощности его прикрывают. Вследствие этого взазоре между клапанной тарелкой и гнездом происходит процесс дросселированияпара и давление его за клапаном падает, т. е. совместно с уменьшением расходапара меняется и качество его, отчего этот способ регулирования и получил своеназвание качественное, или дроссельное. При качественном регулировании значительноснижается экономичность турбины.
Обычно стремятся регулировать маневровый клапантак, чтобы изменение мощности ГТЗА было прямо пропорционально углу поворотамаховика, посредством которого управляют клапаном.
Количественное регулирование. Осуществляется изменениемчисла полностью открытых сопловых клапанов, при этом измеряется числоработающих сопл, а следовательно, и расход пара. Очевидно, что такой способрегулирования может осуществляться только тогда, когда первой — регулировочной— ступенью турбины является активная ступень, при этом качество пара, т. е. егопараметры, перед оставшимися в открытом состоянии соплами первой ступениостается постоянным. Потери энергии пара исключаются, и турбина работаетэкономично.
Смешанное регулирование. Количественное регулирование вчистом виде можно осуществить только на определенных режимах работы турбины, ачисло режимов зависит от числа групп сопл (от 2 до 6). На всех промежуточныхрежимах приходится применять смешанное регулирование, заключающееся в том, чтов первую очередь производится количественное регулирование, а затем вдополнение к нему осуществляется качественное путем прикрытия маневровогоклапана (или одного из сопловых клапанов).
Влияние изменения основных параметров пара натепловой процесс в турбине. Рассмотрим, как влияет на тепловой процессизменение расхода пара. При работе многоступенчатой турбины с частичнойнагрузкой общий расход пара на турбину уменьшается. При этом нагрузка ступенейтурбины перераспределяется. Давление в камере первой (регулировочной) ступенипадает, эта ступень при неизменных начальных параметрах пара перерабатываетбольший перепад энтальпий и работает с перегрузкой. Абсолютная скорость пара схна выходе из сопл регулировочной ступени с уменьшением давления в камереступени увеличивается. В то же время частота вращения турбины уменьшается суменьшением мощности, а следовательно, падает окружная скорость и изменяетсяхарактеристика u/с1. Вследствие этого к. п. д. регулировочнойступени значительно снижается. То же происходит и во всех остальных ступенях,кроме последней. К. п. д. всей турбины понижается, а следовательно, удельный расходпара возрастает.
На режиме малой мощности входная скорость с1значительно увеличивается, а окружная скорость сильно уменьшается, поэтомутреугольники скоростей ступени деформируются, паровой поток поступает нарабочий венец с ударом в вогнутые поверхности лопаток, что дополнительноснижает к. п. д. ступени.
При количественном регулировании и при увеличениирасхода пара давление пара за регулировочной ступенью (по сравнению с давлениемпара на расчетном режиме полного хода) повышается, следовательно, срабатываемыйв этой ступени перепад энтальпий уменьшается.
При качественном регулировании (путемдросселирования пара) при впуске в турбину пара суммарный адиабатный перепадэнтальпий в ней уменьшается главным образом вследствие уменьшения перепадаэнтальпий в последней ступени, что еще больше увеличивает удельный расход пара иснижает экономичность турбины.
Перераспределение перепадов энтальпий в ступеняхтурбины при изменении расхода пара сопровождается изменением реактивности. Приуменьшении расхода пара реактивность ступеней увеличивается, что приводит квозрастанию нагрузки на упорный подшипник.
Завод-изготовитель обычно гарантируетотносительно продолжительную работу турбоагрегата при перегрузке на 10-15%. Приэтом турбина работает с достаточно высокой экономичностью.
Судовые холодильные установки, как иэнергетические, в отличие от стационарных имеют ряд особенностей в отношенииобщего расположения охлаждаемых помещений, размещения оборудования и выбора еготипа.
При проектировании и постройке стационарныххолодильников желательно придавать им форму куба, чтобы при наибольшей емкостиполучить минимальную величину внешних ограждающих поверхностей. На судах общеерасположение охлаждаемых грузовых помещений, соотношение их размеров и формазависят от соотношения размеров корпуса судна и его формы, которые определяютсямореходными качествами судна, необходимой прочностью корпуса, его живучестью,районом плавания и многими другими факторами. И все же при проектированиигрузовых рефрижераторных судов следует по возможности стремиться к наиболеевыгодному соотношению между объемом грузовых помещений и размерами ограждающихповерхностей.
На судах, где производят термическую обработкугруза, расход холода через внешние ограждения по сравнению с расходом холода наохлаждение и особенно замораживание сравнительно мал, поэтому высказанные вышесоображения имеют меньшее значение. В этом случае при выборе общегорасположения грузовых охлаждаемых помещений следует считаться с поточностьютехнологического процесса и грузовых операций, производимых на судне.
Кроме того, при выборе системы набора следуетизбегать применения высоких стальных элементов набора, создающих, несмотря наизоляцию, весьма значительный теплоприток в охлаждаемые помещения. С этой точкизрения для рефрижераторных судов наиболее целесообразна поперечная системанабора.
Что касается провизионных камер, то их общее расположение,а также система их набора особого значения не имеют, так как расход холода наних невелик. В этом случае принимают во внимание только удобство пользованияими.
Стальное судно, разделенное на отсеки поперечнымии продольными переборками и промежуточными палубами, представляет собойразветвленную теплопроводную систему, внутри которой находятся помещения свесьма высокой температурой и источниками тепла (машинные и котельныеотделения, электростанции, аккумуляторные и т. д.). Очевидно, что охлаждаемыепомещения независимо от их назначения необходимо располагать дальше от этихисточников тепла.
Другой особенностью судовой Холодильной установкив отличие от стационарной являются повышенные требования к надежности ибезопасности ее работы, которые определяются Правилами Регистра, а такжеПравилами классификационных обществ других стран.
Конструкция отдельных механизмов, аппаратов идругих элементов судовой холодильной установки, их размещение и креплениедолжны обеспечивать надежную и бесперебойную работу установки в условияхшторма, крена и дифферента. Это требование важно еще и потому, что к некоторымэлементам установки нет доступа для осмотра и ремонта в случае их выхода изстроя во время рейса (например, к охлаждающим батареям и воздухопроводам, расположеннымв трюмах). В связи с этим Правила Регистра предусматривают повышенные пробныедавления при испытании отдельных элементов установки и трубопроводов напрочность и плотность.
Правила Регистра предусматривают значительноерезервирование механизмов, входящих в состав холодильной установки.Электроэнергия для механизмов холодильной установки должна подаваться не менеечем от двух генераторов, а мощность каждого из генераторов — быть достаточнойдля работы установки на полную производительность. Такое нерациональное с точкизрения стационарной практики резервирование оправдано мировым опытомэксплуатации рефрижераторного флота; известны случаи порчи (из-за неправильноговыбора холодопроизводительности и плохой эксплуатации установки) больших партийгруза; убытки в этом случае превышали стоимость судов, осуществлявшихперевозку. В морских условиях при полном или даже частичном выходе холодильнойустановки из строя перемещения груза на самом судне или перегрузка на другоесудно, особенно при автономном плавании, практически невозможны. Исключениесоставляют небольшие рефрижераторные суда, базирующиеся в море на плавучие базыи не удаляющиеся от них на большие расстояния (например, малые и средниетраулеры).
К судовой холодильной установке независимо от еетипа и назначения предъявляются следующие общие требования: малыевесогабаритные показатели, простота устройства, «низкая первоначальнаястоимость и малые эксплуатационные расходы, в частности расход электроэнергии.
Холодильные установки получают соответствующийкласс Регистра или другого классификационного общества, если они рассчитаны,построены и смонтированы на судне в соответствии с Правилами этих обществ.
Обязательному надзору Регистра подлежат инеклассифицируемые холодильные установки, если в системе находится более 300 кгхолодильного агента.
Кондиционирование воздуха осуществляется с цельюподдержания в помещениях наиболее благоприятных для человека так называемыхкомфортных условий. Эти условия в первую очередь определяются температурой ивлажностью воздуха в сочетании с его скоростью движения, а также определеннымхимическим составом воздуха и очисткой его от вредных примесей.Кондиционирование воздуха является развитием техники отопления и вентиляциислужебных (машинные отделения, рулевые рубки, камбузы, госпитали и т. д.) ибытовых (каюты, кают-компании, салоны, кинотеатры) помещений. Весьмасущественное, а иногда и решающее значение имеет кондиционирование воздуха впомещениях, где расположены различные вычислительные приборы, так как точностьрезультатов вычислений во многом зависит от постоянства температуры и влажностивоздуха в этих помещениях. В некоторых приборах осуществляется непосредственноеохлаждение отдельных деталей.
При кондиционировании воздуха в зимнее время годапроизводятся его подогрев и увлажнение, а в летнее — охлаждение и осушка. Дляэтого на судах используются холодильные машины, которые в техникекондиционирования воздуха играют большую роль. Производительность холодильныхмашин, установленных на некоторых судах для кондиционирования воздуха,превышает 1 млн. ккал/час.
Следует сказать, что использование холодильныхмашин на судах не ограничивается перечисленными областями их применения. Внекоторых случаях холодильные машины используются для охлаждения питьевой воды,грузовых танков бензиновозов и спиртовозов, для создания искусственных катковна крупных пассажирских лайнерах и других целей.
Перспективно использование холодильных машин дляопреснения забортной воды путем вымораживания из нее кристаллов пресного льда.
Для получения пресной воды, а также отопленияпомещений весьма эффективно применение на некоторых судах холодильных машин,работающих по циклу теплового насоса, так как в этом случае количество тепла,выдаваемого машиной, в несколько раз больше теплового эквивалента затрачиваемойэлектроэнергии.
В последние годы ведутся исследования поиспользованию холодильных машин в составе судовых энергетических установок дляповышения их мощности и экономичности. Здесь намечаются два пути.
Первый путь — использование отбросного тепла дляохлаждения трюмов и получения холода для систем кондиционирования воздуха спомощью, так называемых, теплоиспользующих холодильных машин, а также дляполучения дополнительной энергии в прямых циклах, где рабочим делом являютсяхолодильные агенты.
Второй путь — охлаждение воздуха, подаваемого длясжигания топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинныхустановках (ГТУ). Так, испытания дизеля Д-50 показали, что при охлаждениинаддувочного воздуха, имеющего давление 2 кГ/см2, до 5еС мощность повысилась с 1200 до 1800 э. л. с. Эффективность примененияхолодильных машин для этих целей значительно возрастает, если холодильныемашины работают за счет тепла отработавших газов.
Приведенными примерами не исчерпываются всевозможности использования холодильных машин на судах. Развивающаяся газоваяпромышленность требует перевозки сжиженных газов (пропана, бутана, метана и т.д.), что выгоднее осуществлять без избыточного давления в емкостях, а для этогонеобходимо охлаждение газа до весьма низких температур, примерно до —160°С. Вэтом случае используют каскадные холодильные машины, которые, несмотря на значительныегабариты и вес, оправдывают себя, так как перевозка газа под высоким давлениемтребует стальных танков с большой толщиной стенок. Кроме того, благодаряискусственному охлаждению значительно сокращаются потери газа.
На современных судах управление комплексами ГД —ВФШ и ГД— ВРШ осуществляется из рулевой рубки с помощью систем ДАУ.
Основной целью ДАУ является уменьшениетрудозатрат судовой команды по управлению судном и повышение безопасностимореплавания путем повышения безопасной эксплуатации ГД при маневрировании,выполнения операций по управлению ГД в оптимальной последовательности, дающейвозможность увеличить точность и скорость выполнения маневров, минимальнойзагрузки операторов (штурмана) на мостике и освобождения вахтенного механика отпостоянного пребывания у поста управления ГД.
Опыт эксплуатации систем ДАУ на судахтранспортного морского флота определил ряд наиболее надежных и перспективныхсистем, объединяемых по основным признакам. По рабочей среде системы могут бытьэлектропневматическими (или чисто электрическими), предпочтительноэлектронно-пневматическими, с логической частью, выполняемой на элементахмикроэлектроники. Принцип включения в комплекс управления ГД — подключениепараллельно системам дистанционного (местного) управления. Основной органуправления совмещается с машинным телеграфом.
Системы должны быть гибкими по структуре и универсальнымипо объему выполняемых функций. По характеру управления ГД могут быть предусмотреныследующие программы: нормальная, маневровая, экстренная (аварийная) иразогрева.
Наиболее совершенные системы ДАУ обеспечивают:
— необходимое дополнение блокировок системдистанционного (местного) управления ГД;
— статическую ошибку поддержания заданногоскоростного режима не более ±1,5% от номинальной частоты вращения ГД;
— простое переключение управления от системы ДАУна дистанционное (местное) за время не более 10 с;
— работу ГД вне зон критической частоты вращения,предотвращая перегрузки, а в случае превышения допустимого времени работы вэтих зонах осуществляя сигнализацию;
— аварийную остановку ГД из рулевой рубки спомощью устройств, питаемых от независимого источника энергии (в некоторыхсистемах предусматривается контроль исправности электрически» цепей этихустройств);
— резервирование основных исполнительных цепей;
— выполнение последней поданной команды, прерываяисполнение предыдущей;
— сохранение заданного режима работы ГД(консерватизм системы ДАУ) при исчезновении питания, обрывах в цепяхдатчиков-частоты вращения ГД, команд и обратной связи по уставке регулятораскорости;
— автоматический переход на резервное питание припрекращении основного;
— повторные автоматические попытки пуска (впределах трех попыток);
— ограничение длительности каждой попытки пуска иобщего времени всех попыток;
— ограничение максимальной пусковой топливоподачив зависимости от условий работы ГД и выбранной программы управления;
— автоматическое введение установок частотывращения начала контрпуска при реверсе ГД в зависимости от инерции судна (почастоте вращения гребного винта, работающего в турбинном режиме);
— ручную коррекцию из рулевой рубки частотывращения вала ГД, если рукоятка машинного телеграфа имеет фиксированныеположения, соответствующие заданным командам;
— защиту ГД с его остановкой или снижениемнагрузки при предельных отклонениях критических параметров: давлений смазочногомасла и охлаждающих сред ГД;
— снятие защиты ГД в аварийных ситуациях;
— развитую командно-исполнительную иаварийно-предупредительную сигнализацию в рулевой рубке и машинном отделении.
Системы ДАУ реверсивных ГД с прямой передачеймощности на. ВФШ позволяют воздействием на один орган управления (рукояткумашинного телеграфа рулевой рубки судна) автоматически производить операции попуску, остановке, реверсированию и изменению частоты вращения двигателя.
Ряд дополнительных органов позволяет переходить сдистанционного управления на ручное и обратно, переключать программы,управления, производить аварийную остановку ГД.
Независимо от рода применяемой рабочей средыструктурно такую систему (рис. 2) можно разделить на три основных канала:управления реверсом, пуском и частотой вращения.
Воздействием на соответствующие органы пультауправления и; сигнализации ПУС в зависимости от условий работы суднавыбирается требуемая программа управления ГД. Сигналы датчика команд ДК, приводимогов действие с помощью рукоятки машинного телеграфа МТ, непосредственнопоступают в каналы управления реверсом и частотой вращения (топливоподачей). Посигналам дискретных (позиционных) датчиков ДПД1 и ДПД2 осуществляетсяконтроль положения органов реверса и тяги ТНВД. Датчик частоты вращения ДЧВвырабатывает сигнал о частоте вращения коленчатого вала ГД, поступающий вканал управления пуском. В системах без навешенного на двигатель всережимногорегулятора этот сигнал поступает также в канал управления частотой вращения. Взависимости от свойств пускореверсивной системы данного двигателя производитсявыбор определенного алгоритма функционирования и настройка системы ДАУ. Этоталгоритм реализуется подачей команд в определенной последовательности и наопределенном уровне параметров как в каналы системы ДАУ, так и на органы штатнойсистемы управления ГД.
Особенностями пусковой и реверсивной системыдвигатели определяется последовательность прохождения сигналов на клапануправления пуском КУП, освобождение и движение тяги ТНВД.
/>
Рис. 2. Структурная схема ДАУ реверсивного дизеля
В большинстве известных систем ДАУ вывод ГД назаданную частоту вращения производится через всережимный регулятор, включенныйпо всережимной схеме. Этот же регулятор затем стабилизирует заданную частотувращения при изменении внешних условий плавания. Однако в рядеэлектронно-пневматических систем ДАУ функции регулятора выполняют электрическиеустройства. Логическая часть устройств с обратной связью от ДЧВ управляетисполнительным механизмом, который непосредственно воздействует на тягу ТНВД.
В современныхсистемах ДАУ имеются устройства защиты ГД от перегрузки, работающие по принципуограничения нагрузки по заданной либо истинной (фактической) частоте вращениявала. Эти устройства могут действовать как через навешенный на ГД регулятор,так и через электронный, встроенный в систему ДАУ. Предпочтительно применениеустройств ограничения нагрузки по истинной частоте вращения вала двигателя.Тогда с ростом нагрузки по сигналам от аналоговых датчиков частоты вращения ДЧВи положения ДПА тяги ТНВД происходит снижение уставки заданиярегулятора по закону заложенной ограничительной характеристики.
Литература
1. И.В. Вознизкий«Судовые двигатели внутреннего сгорания», М., Транспорт, 1979, 413 стр.
2. В.С. Онасенко«Автоматизация судовых энергетических установок», М., Транспорт, 1981,270 стр.
3. А.М.Манькова «Судовые пароэнергетические установки», М., Транспорт, 1989,237 стр.
4. А.П.Добровольский«Судовые холодильные машины и установки», Ленинград, Судостроение, 1969, 252стр.