СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ МОРСКИХ СУДОВ
(В порядке обсуждения)
Д. А. Шатровский, канд. техн. наук, тел. (812) 3213681 (Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова)
Некоторые типы морских судов оснащаются мощными энергетическими установками (ЭУ). К таким судам относятся большие контейнеровозы, морские ледоколы, газовозы для перевозки сжиженного и природного газа (СПГ/LNG) и нефтеналивные танкеры. Так, мощность ЭУ современных контейнеровозов достигает 90 МВт, ледоколов типа «Арктика» — 55 МВт, типа «Ермак» — 26 МВт, строящегося атомного ледокола — 70 МВт, а крупных газовозов 21—40 МВт. Главным двигателем на контейнеровозах, как правило, является малооборотный двухтактный дизель, на ледоколах типа «Арктика» и строящемся ледоколе — ядерные энергетические установки (ЯЭУ), а на большей части газовозов — паротурбинные установки или среднеоборотные дизели. Коэффициент полезного действия (КПД) всех упомянутых типов установок за последнее десятилетие изменился незначительно, и резервов повышения немного.
Это утверждение относится к наиболее мощным ледоколам настоящего времени, которые оснащены ЯЭУ. Ледоколы второго поколения типа «Арктика» мощностью 55 МВт имеют водо-водяные реакторы, что накладывает ограничения на параметры второго контура по давлению и температуре пара. Такими же реакторами оснащены од-нореакторные ЯЭУ ледоколов типа «Таймыр» и лихтеровоза «Севморпуть». Давление пара перед блоком паровых клапанов составляет 29,4 МПа, температура 300 °C, а давление перед соплами главного турбогенератора — всего 2,25 МПа. При таких параметрах высокого КПД ожидать не приходится. В настоящее время строится ледокол с ЯЭУ нового (третьего) поколения, однако скачка в повышении КПД не ожидается, так как на нём также будут установлены реакторы водо-водяного типа.
Результаты теплотехнических балансовых испытаний паротурбинной установки атомохода «Сибирь» показывают, что КПД ЭУ (паротурбинная установка + гребная энергетическая установка) на нагрузке 98,3% от номинальной составляет 19,8% при закрытых клапанах травления [1]. Однако значительную часть времени (=40%) ледоколы работают на мощности менее 50%,
т. е. когда давление пара перед соплами менее 1,1 МПа, что приводит к снижению КПД. Кроме того, при работе на переменных режимах открывается клапан травления. В результате КПД на какое-то время может снизиться в два раза.
Регенеративного подогрева конденсата паром, отбираемым из главного турбогенератора, на ледоколах с ЯЭУ нет. Конденсат подогревается отработавшим паром турбо-приводных насосов. Как показывают расчёты, при использовании одноступенчатого регенеративного подогрева конденсата на участке от конденсатора до питательного насоса до 107 ^ повышения экономичности можно достичь на номинальном режиме 4,7%. Однако при работе на сниженных нагрузках давление в отборе снижается, и недостаток греющего пара из отбора замещается свежим перегретым паром, что в лучшем случае существенно снизит приведённую выше цифру. На высоких уровнях мощности 75 и 100% характерны режимы с частыми изменениями мощности, а при работе «набегами» давление пара перед соплами иногда изменяется с частотой, превышающей 15 двойных изменений в час (рис. 1) [2]. На переменных режимах, как и на всех паротурбинных судах, система регенеративного подогрева отключается и конденсат подогревается свежим паром, что сопровождается потерей тепла. Таким образом, существенного повышения экономичности паротурбинной установки ледокола с ЯЭУ за счёт регенеративного подогрева питательной воды не произойдет.
Считается, что реальное повышение экономичности может быть получено при замене всех турбоприводных вспомогательных механизмов на электроприводные. На ледоколах второго поколения турбопривод имели питательные и циркуляционные насосы, а начиная с «России» — ещё и турбо-наддувочный агрегат противообледенитель-ного устройства. На номинальной нагрузке, когда работают три питательных и два циркуляционных насоса, общий расход пара на эти турбоприводы составляет 24,4 т/ч. Общий расход пара на всю установку достигает 370 т/ч. На номинальной мощности для подогрева питательной воды до темпера-
судовые эн«тш«сш УСТАНОВКИ судос™«™« 5^
20
Т,
мин 15
Рис. 1
туры 104 °С необходима добавка в систему отработавшего пара подогрева около 9 т/ч, а при работе с двумя питательными насосами на ограничении мощности 55% добавка превышает 10 т/ч. При отсутствии регенеративных отборов переход на электропривод не даёт повышения КПД установки.
При регенеративных отборах замена турбопита-тельного насоса, работавшего на противодавление, электроприводным питательным насосом на полном ходу в установке танкера класса UI.CC (постройка 1978 г.) номинальной мощностью 29 МВт и при четырёх регенеративных отборах приводила к уменьшению суточного расхода мазута приблизительно на 3 т.
Паротурбинные энергетические установки современных газовозов мало отличаются от установок паротурбинных танкеров пост-ройки1970—1980 г. Параметры пара (давление 6 МПа и температура пара до 525 °С) неизменны уже многие десятилетия. Следовательно, резервов для повышения экономичности практически нет. Применение электропривода у питательных насосов и отказ от автономного турбогенератора позволили бы лишь незначительно повысить КПД установки. Однако установки отличаются высокой надёжностью и простотой эксплуатации, поэтому их продолжают использовать, а срок их службы при работе на природном газе достигает 45 лет.
Такая же картина в части повышения КПД характерна и для судовых дизельных энергетических установок, применяемых на судах различного назначения.
Совершенно иная ситуация в стационарной энергетике. В связи с расширяющимся применением природного газа в качестве топлива появилась возможность использовать установки, работающие по парогазовому циклу, КПД которых превышает 50%. В настоящее время почти 2/3 вводимых во всем мире электростанций работают по парогазовому циклу. В последнее десятилетие в
МПа
Изменение давления пара Р перед соплами при работе ледокола набегами
Рис. 2. Принципиальная схема парогазовой установки:
ГТ — газовая турбина; ГТУ — газотурбинная установка; КС — камера сгорания; КУ — котёл-утилизатор; К-р — конденсатор; Н — насос; ПТ — паровая турбина; ЭГ — электрогенератор
стационарной энергетике РФ также было введено несколько десятков электростанций с парогазовыми установками (ПГУ). Повышение КПД стало возможным благодаря освоению компаниями «Сименс», «Мицу-биси» и «Дженерал Электрик» производства газовых турбин, работающих с температурой газа перед турбиной около 1200 °С, а в настоящее время и 1500 °С, при том, что ресурс превышает 100 тыс. ч [3]. Все эти электростанции работают на природном газе, а в качестве резервного используется дизельное топливо. Температура газа перед турбиной в 1200 °С была достигнута в 1995 г.
Подобных результатов достигли НПП «Машпроект» и ПО «Зоря» (Украина, г. Николаев). Уже в 2000 г. ими предлагались газотурбинные установки мощностью от 2,5 до
320 МВт [4]. Среди разработанных установок есть газотурбинный двигатель мощностью 25 МВт со степенью сжатия более 21 и температурой газов перед турбиной 1245 °С. КПД такого агрегата 36,5%, масса всего 16 т! Предлагались и па-рогазотурбинные установки мощностью от 13 до 325 МВт с КПД от 45 до 48,5% (у установки мощностью 325 МВт — даже 52%!).
Принципиальные схемы парогазовых установок широко известны и хорошо изучены (рис. 2) [5]. Из всего их многообразия в последнее время, т. е. с 2008 г., в России реализованы только установки с паровым утилизационным контуром.
При температуре продуктов сгорания перед газовой турбиной около 1200 °С температура после неё не более 600 °С, что позволяет получить в котле-утилизаторе пар с давлением 6 МПа и температурой выше 500 °С.
Отечественное судостроение имеет опыт строительства судов с парогазовыми установками. В 1979 г. было построено судно класса го—го «Капитан Смирнов» с такой энергетической установкой. Газовые турбины для этого судна были спроектированы НПП «Машпроект». В течение следующих лет было построено три однотипных судна. Установка — двухвальная общей мощностью 36,8 МВт, состоящая из двух агрегатов, каждый из которых включает в себя газотурбинный двигатель и утилизационный паротурбинный контур. Принципиальная схема такая же, как на рис. 2, но с редукторной передачей на винт. Температура продуктов сгорания за газовой турбиной 390 °С, поэтому параметры пара в паротурбинном контуре низкие: давление около 1,5 МПа и температура 310 °С. Из-за низких параметров продуктов сгорания и пара удельный расход жидкого топлива на максимальный нагрузке без отбора пара на турбогенератор составляет 238 г/(кВт ч), т. е. КПД равен 36%.
В настоящее время на морском транспортном флоте природный газ
СУДОСТРОЕНИЕ 5'2015
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
в качестве топлива широко используется на газовозах, перевозящих газ в сжиженном виде при температуре минус 163 °С1. На них устанавливаются наиболее широко известные типы энергетических установок: паротурбинные и дизельные (со средне- и малооборотными двигателями). Вопрос об увеличении экономичности ЭУ газовозов, по-видимому, будет обостряться по мере совершенствования теплоизоляции грузовых танков. Конструкция грузовых танков и применяемые для их теплоизоляции современные материалы пока не позволяют уменьшить количество испаряющегося газа ниже 0,15% в сутки от номинального объёма груза. Поэтому испаряющегося газа вполне достаточно для обеспечения полного хода, даже если на судне установлена паротурбинная установка. На режиме стоянки или при сниженной скорости хода образуется избыток газа, который, как правило, просто сжигается. Повторное сжижение всего испаряющегося газа на газовозах с малооборотными двигателями, работающими на тяжёлом топливе, на практике себя не оправдало.
Применение на подобных судах современных газотурбинных установок представляется оправданным. Даже без парового утилизационного контура, существенно усложняющего и утяжеляющего установ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.