CC BY
16УДК 621.18.049
Д.И. Бевза, аспирант ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ СУДОВЫХ УТИЛИЗАЦИОННЫХ КОТЛОВ
В данной статье проводится анализ конструкций судовых утилизационных котлов с целью выявления их преимуществ и недостатков. С учётом критических замечаний предлагается конструктивная схема прямотрубного судового утилизационного котла.
В дизельных энергетических установках, применяемых на транспортном флоте России, 38-42% теплоты, полученной от сжигания топлива, превращается в полезную работу. Остальная часть теплоты уходит от двигателя с охлаждающей жидкостью, отбирается системой смазывания, отдаётся двигателем в окружающую среду со своей поверхности.
Большая часть вторичной теплоты (22-28%) - может быть отобрана от отработавших газов, имеющих температуру до 400-600°С.
Рациональное использование тепла дымовых газов энергетических установок судов увеличивает их КПД, даёт значительную экономию топлива и снижает себестоимость перевозок грузов или пассажиров. Поэтому нужно уделить внимание установкам утилизации теплоты и задаче создания эффективной и надёжной конструкции утилизационного котла.
Существует достаточное множество конструкций утилизационных котлов, которые применяются на судах. Но все они имеют как преимущества, так и недостатки.
Конструкция водотрубного утилизационного котла с естественной циркуляцией [1] позволяет получать пар без использования энергии извне для прокачки холодного теплоносителя, а изогнутая форма трубок не препятствует термическим расширениям. Однако необходимо в значительной степени учитывать гидравлические сопротивления в трубках с целью обеспечения скорости движения теплоносителя, достаточной для надёжной и эффективной работы котла. К тому же его массогабаритные показатели, относительная сложность изготовления элементов и сложность очистки внутри-трубного пространства оставляют желать лучшего.
Несколько лучшими массогабаритными показателями характеризуются водотрубные утилизационные паровые котлы с многократной принудительной циркуляцией, получившие широкое распространение на отечественных судах. В основном, это котлы с цилиндрической формой кожуха и спиралевидной формой трубных змеевиков. Спиралевидная форма позволяет добиться увеличения площади теплообмена, за счёт центробежных сил сформировать в центре потока турбулентные завихрения, увеличивающие теплоотдачу, и компенсировать температурные расширения.
Однако существует проблема очистки и трудоёмкости изготовления элементов. Как показала практика, есть вероятность образования застойных зон в некоторых областях змеевиковых трубок с возможностью перегрева «холодного» теплоносителя и дальнейшей поломки котла.
Утилизационные газотрубные паровые и водогрейные котлы отличаются более простой конструкцией, простотой изготовления, обслуживания и ремонта. Но тяжёлые температурные условия, в которых находятся элементы котла, необходимость компенсации температурных расширений из-за использования прямых труб, а также более низкий коэффициент теплоотдачи являются предпосылками пониженной надёжности подобных котлов.
Отметим, что уже достаточно давно идёт «спор» относительно выбора между водотрубными и газотрубными котлами. Этот «спор» является актуальным и для систем
утилизации теплоты, потому что, кроме своих недостатков, котлы обоих типов обладают значительными преимуществами.
Котлы с дымогарными трубками более просты по конструкции, более технологичны, имеют удобную компоновку, обладают большим водосодержанием, а значит и более устойчивой температурой воды на выходе.
Буквально перечёркивает перечисленные преимущества газотрубного котла его пониженная надёжность, вызванная зонами перегрева в узлах крепления трубок в переднюю трубную доску. Проблему усугубляет затрудненная очистка межтрубного внутрикорпусного пространства от накипных и иных отложений.
Что касается водотрубных котлов-утилизаторов, то конструктивно они более сложны, чем газотрубные. Но котлы этого типа значительно надёжнее, химически и коррозионно стойки ввиду иного, стабильно низкого температурного режима работы его элементов; более манёвренны и более эффективны. В корпусе котла отсутствуют высокие напряжения, а возможность удаления накипи с поверхности трубок представляется более простой и полной.
В настоящее время предпочтение отдаётся водотрубным котлам. Но заманчива идея объединения преимуществ котлов обоих типов.
Создание эффективной и надёжной конструкции водотрубного утилизационного котла, объединяющей преимущества котлов и водотрубных, и газотрубных, является основной задачей данной работы.
В качестве конструкции-прототипа, имеющей свои перспективы на дальнейшую доработку, а после и внедрение в судовые энергетические установки, представлена следующая конструкция теплообменника [2].
Теплообменник (рис. 1) имеет цилиндрический кожух и трубную систему, образованную прямыми трубками, что делает доступным механическую чистку, уменьшает сопротивление движению теплоносителя и предотвращает возможность образования мест локального скопления загрязнений.
6
Рис. 1. Схема прямотрубного теплообменного аппарата с комбинированной системой тока 1 - входной газовый патрубок; 2 - выходной газовый патрубок; 3 - входной водяной патрубок;
4 - выходной водяной патрубок; 5 - теплообменные трубки; 6 - перегородки.
Осевая цилиндрическая компоновка котла обеспечивает высокую компактность и удобство его монтажа в любых стесненных условиях.
Особо организованная, П-образная, схема тока делает омывание трубок поперечным (более эффективным), равномерным, протекающим с большей скоростью, а горячие газы, пройдя через пучок трубок, приходят в соприкосновение с корпусом котла уже достаточно остывшими. Пониженная температура корпуса способствует снижению тепловых потерь и позволяет уменьшить толщину изоляции.
Низкое давление выхлопных газов делает возможным применение в качестве компенсации температурных напряжений гофр на корпусе котла.
Однако есть и «минусы» в представленной конструкции. Внутреннее пространство котла имеет множество поперечных перегородок. Эффективнее заменить их каким-либо устройством, позволяющим равномернее направлять поток, одновременно сохраняя давление дымовых газов. Является необходимым увеличение скорости в теп-лообменных трубках за счёт изменения конструкции подводящей и отводящей полостей.
С учётом указанных критических замечаний предлагается следующая конструктивная схема судового котла-утилизатора (рис. 2).
Котёл работает следующим образом. Выпускные газы, поступающие через входной газовый патрубок в межтрубное пространство, равномерно распределяются в нём, сохраняя давление, при помощи дифлектора. Затем совершают последовательно два хода поперек теплообменных трубок и отводятся из котла-утилизатора через выходной газовый патрубок. Вода подводится и отводится через патрубки, расположенные на боковой поверхности задней водяной полости. Поступив во внутритрубное пространство котла-утилизатора, она совершает по трубкам четыре хода.
Рис. 2. Конструктивная схема прямотрубного судового котла-утилизатора 1 - входной газовый патрубок; 2 - выходной газ. патрубок; 3 - вх. водяной патрубок; 4 - вых. вод. патрубок; 5 - дифлектор; 6 - трубки; 7 - перегородки вод. полости
Неотъемлемым при проектировании качественно новой конструкции судового утилизационного котла является решение задач создания его типоразмерных рядов, его унификации, автоматизации, учёта условий эксплуатации. Возникает необходимость в разработке математических моделей расчёта котла-утилизатора.
Отметим, что перспективно внедрение утилизационных котлов и в состав стационарных систем когенерации на береговые тепловые станции, в большей степени мини теплоэлектростанции.
Список литературы
[1]. Хряпченков А.С., Судовые вспомогательные и утилизационные котлы: Учебное пособие. -2 изд. доп. и перераб. - Л.: Судостроение, 1988. 296 с., ил.
[2]. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок, Иванов В.Л., Леонтьев А.И. и др.; ред. Леонтьев А.И. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 591с.
THE ANALYSIS OF VESSEL'S UTILIZING BOILERS CONSTRUCTION
D.I. Bevza
The analysis of vessel's utilizing boilers construction is presented in the article for the purpose of advantages and disadvantages discovering. The construction scheme of straight-pipe vessel's utilizing boiler is proposed according the criticism remark.
УДК 621.317.629.12.
Г.И. Коробко, к.т.н., доцент ФБОУ ВПО «ВГАВТ»
В.В. Лебедев, зав. лабораторией, аспирант ФБОУ ВПО «ВГАВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ СУДОВОЙ СЕТИ НА БАЗЕ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫХ УСТРОЙСТВ
В статье рассматриваются варианты построения систем компенсации нелинейных искажений напряжения судовой сети с использованием параллельного и последовательного вольтодобавочных устройств. Произведен расчет и показана зависимость мощности вольтодобавки от способа построения системы компенсации.
В настоящее время, проблема компенсации нелинейных искажений напряжения судовой сети становится все более актуальной. Причиной этого является наличие потребителей, представляющих собой нелинейную нагрузку, в составе судовой электроэнергетической системы. Сейчас, на судах все чаще применяются статические преобразователи, которые являются основными источниками нелинейных искажений напряжения. Мощность таких преобразователей, зачастую, соизмерима с мощностью самой электростанции. Как известно, наличие высших гармоник в напряжении судовой сети негативно сказывается на работе всей электроэнергетической системы. Нелинейные искажения могут сокращать срок службы различных элементов СЭЭС, увеличивать количество их отказов и, как следствие, повышать эксплуатационные расходы. Анализ существующих пассивных способов снижения нелинейных искажений напряжения показал, что все они, вследствие различных причин, малоэффективны [1].
В настоящее время разработка активных систем компенсации нелинейных искажений является одним из перспективных направлений в повышении качества электроэнергии судовой сети. Одним из вариантов построения таких систем является система на базе вольтодобавочных устройств [2]. Такая система, по сравнению с другими, обладает относительной простотой реализации, возможностью компенсации высших гармоник, как при симметричной, так и несимметричной нагрузке, приемлемыми массогабаритными показателями. Одной из основных характеристик, определяющей массогабаритные показатели, а, следовательно, стоимость системы, является мощность вольтодобавки. Ниже произведена ее оценка для возможных вариантов построения системы компенсации нелинейных искажений.
На рис. 1 представлен вариант построения системы с полной компенсацией искажений напряжения СЭЭС, включая собственные искажения, вносимые синхронным генератором.
