Основные теоретические сведения

СУДОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА

 

Методические указания

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

 

 

Керчь, 2011

 

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

 

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

 

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры СЭУ КГМТУ,

протокол № 6 от 21.01.2011г.

 

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

протокол № ____ от __________

 

 

© Керченский государственный морской технологический университет

Содержание

 

1. Основные теоретические сведения_____________________________
	1.1. Судовая дизельная энергетическая установка______________
	1.2 Общее уравнение теплового баланса______________________
	1.3 Уравнение теплового баланса для судовой энергетической установки________________________________________________
	1.4 Тепловой баланс ДВС________________________________
	1.5 Тепловой баланс котлов_________________________________
	1.6 Тепловой баланс теплообменных аппаратов________________
	1.7 Тепловые балансы агрегатированного вспомогательного оборудования_____________________________________________
	1.8 Понятие энергетического баланса_________________________
	1.9 Энергетический баланс СЭУ_____________________________
2. Порядок расчета энергетического баланса СЭУ__________________
Литература___________________________________________________

 

Основные теоретические сведения

Судовая дизельная энергетическая установка

Судовая энергетическая установка (СЭУ) предназначена:

во-первых, для обеспечения движения судна;

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

СЭУ подразделяется на:

- главную энергетическую установку (ГЭУ);

- вспомогательную энергетическую установку (ВЭУ);

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

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

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

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

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

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

 

Общее уравнение теплового баланса

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

Общее уравнение теплового баланса имеет вид:

где,

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

- теплота, эквивалентная эффективной работе;

- потери теплоты.

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

ȵ =

 

Уравнение теплового баланса

Тепловой баланс ДВС

Тепловой баланс ДВС имеет вид:

или

где:

- теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

- расход топлива, кг/час;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/час;

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

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

 

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

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

Рис. 2. Типовая диаграмма теплового баланса судовых ДВС

 

Полезная работа — q_пол характеризуется эффективным КПД двигателя – η_{е .}

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

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

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

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

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

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

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

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

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

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

Тепловой баланс котлов

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

Котлы подразделяются:

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

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

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

- и т.д.

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

Тепловой баланс котлов имеет вид:

или для парогенераторов:

для водогрейных котлов:

 

где:

- химическая теплота, выделившаяся при сгорании топлива, кВт;

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

- расход топлива, кг/час;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/час;

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

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

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

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

 

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

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

Полезная работа — q_пол, характеризуется КПД котла – η_{к .}

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

Анализируя диаграмму можно сделать несколько выводов:

1. Наибольшие потери – это потери с уходящими газами.

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

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

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

 

Рис. 3. Диаграмма теплового баланса для котлов различного назначения

 

Энергетический баланс СЭУ

Энергетический баланс СЭУ состоит из трех составных частей, в соответствии с составом СЭУ.

В этом случае рассматриваются:

- баланс пропульсивной установки, в которой основным источником энергии является главный двигатель, потребителем - корпус судна, движущийся с определенной скоростью;

- баланс судовой электростанции, в которой основным источником энергии является генератор, получающий привод от вспомогательного двигателя. Промежуточным потребителем является главный распределительный щит (ГРЩ);

- баланс вспомогательной энергетической установки, которая вырабатывает несколько видов энергии, имеет соответствующее количество источников энергии. Это: котлы, дизелькомпрессоры, дизельнасосы и т.п.

 

ГД, ВД, ВК и СЭУ в целом

Согласно варианту, который определяется 2-мя последними цифрами зачетной книжки по табл.8 выбирается марка и количество главных и вспомогательных двигателей (ГД и ВД), вспомогательного котла (ВК) затем по табл.9 выбирается загрузка оборудования.

Заполняются табл.1 «Параметры главного двигателя», табл.2 «Параметры вспомогательного двигателя» и табл.3 «Параметры вспомогательного котла» в части исходных данных.

По варианту, исходя табл. 8, выбирается вариант утилизации тепла ГД: выхлопных газов – утилизационный котел (УК) или охлаждающей воды –водоопреснительная установка (ВОУ).

Проводится расчет теплового баланса главных двигателей — заполняется табл.1 в части расчетные данные.

Проводится расчет теплового баланса вспомогательных двигателей — заполняется табл.2 в части расчетные данные.

Проводится расчет теплового баланса вспомогательных котлов — заполняется табл.3 в части расчетные данные.

Проводится расчет теплового баланса СЭУ в целом.

Производится построение диаграмм рассчитанных тепловых балансов оборудования и теплового баланса СЭУ в целом. При этом для главных двигателей диаграмма строится с учетом утилизации тепла.

Отчет выполняется на стандартных листах формата А4, рамка обязательна. Балансы изображаются на отдельных листах.

Отчет должен содержать, и листы должны быть разложены в следующем порядке:

1. Титульный лист, № зачетной книжки обязателен.

2. Таблица «Диаграмма теплового баланса ГД».

3. Диаграмма теплового баланса ГД см. рисунок 8. На диаграмме указывается только оборудование, которое установлено согласно варианту утилизации тепла ГД. Например, если утилизируется тепло системы охлаждения, то показывается только водоопреснительная установка ВОУ, а УК не показывается. Если двигатель без наддува, то турбонагнетатель не показывается. На диаграммах проставляется только обозначение и % значение показателей. Их величину (в кВт) допускается не показывать.

4. Таблица «Диаграмма теплового баланса ВД».

5. Диаграмма теплового баланса ВД см. рисунок 8. На диаграмме указывается только турбонагнетатель, если он установлен. Согласно заданию оборудование для утилизации тепла ВД не устанавливается и на диаграмме не показывается.

6. Таблица «Диаграмма теплового баланса ВК».

7. Диаграмма теплового баланса ВК см. рисунок 2.

8. Таблица «Диаграмма теплового баланса СЭУ».

9. Диаграмма теплового баланса СЭУ см. рисунок 9.

10. Таблица 5. Расчеты тепловых балансов оборудования в порядке их выполнения.

 

Таблица 1. Параметры главного двигателя

№	Параметр, размерность	Обозна-чение	Численное значение
Исходные данные
	Заводская маркировка		-
	Маркировка по ГОСТ		-
	Расшифровка маркировки по ГОСТ
	Тип ДВС
	Номинальная эффективная мощность, кВт
	Номинальная частота вращения, об/мин	nном
	Номинальный удельный расход топлива, кг/кВт∙ч
	Загрузка на расчетном режиме, %	kреж
Расчетные данные
	Теплота, полученная от сгорания топлива, кВт/%
	Полезно используемое тепло, кВт/%
	Потери:
	- теплота, отводимая с выпускными газами, кВт/%	qвг
	- теплота, отводимая с охлаждающей водой, кВт/%	qвод
	- теплота, отводимая с охлаждающим маслом, кВт/%	qM
	- теп­лота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе, в случае установки турбонагнетателя, кВт/%	qв
	- теплота, рас­сеиваемая в окружающую среду и неучтенные потери, кВт/%	qн

 

 

Таблица 2. Параметры вспомогательного двигателя

№	Параметр, размерность	Обозна-чение	Численное значение
Исходные данные
	Заводская маркировка		-
	Маркировка по ГОСТ		-
	Расшифровка маркировки по ГОСТ
	Тип ДВС
	Номинальная эффективная мощность, кВт
	Номинальная частота вращения, об/мин	nном
	Номинальный удельный расход топлива, кг/кВт∙ч
	Загрузка на расчетном режиме, %	kреж
Расчетные данные
	Теплота, полученная от сгорания топлива, кВт/%
	Полезно используемое тепло, кВт/%
	Потери:
	- теплота, отводимая с выпускными газами, кВт/%	вг
	- теплота, отводимая с охлаждающей водой, кВт/%	вод
	- теплота, отводимая с охлаждающим маслом, кВт/%	M
	- теп­лота, отбираемая от воздуха в воздухоохладителе, в случае установки турбонагнетателя, кВт/%	в
	- теплота, рассеиваемая в окружающую среду и неучтенные потери, кВт/%	н

 

Таблица 3. Параметры вспомогательного котла (ВК)

№	Параметр, размерность	Обозна-чение	Численное значение
Исходные данные
	Заводская маркировка
	Тип ВК
	Номинальная паропроизводительность, кг/ч
	Номинальный КПД
	Номинальный расход топлива, кг/ч
	Загрузка на расчетном режиме, %	kреж
Расчетные данные
	Теплота, полученная от сгорания топлива, кВт/%
	Полезно используемое тепло, кВт/%
	Потери:
	- с выпускными газами, кВт/%	2
	- от химической неполноты сгорания топлива, кВт/%	4
	- теплота, рас­сеиваемая в окружающую среду и неучтенные потери, кВт/%

 

 

Рис. 9. Энергетический баланс ГД после изменения СЭУ в части утилизации тепла охлаждающей воды и выхлопных газов

 

о

Рис. 10. 6 +sPIbtvx1p9/1PgXAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAwpTmmt8AAAALAQAADwAAAGRycy9kb3du cmV2LnhtbEyPwU7DMBBE70j8g7VI3KhDW1InxKkCCHFu4cDRjbdJ1HgdxW4a/p7lRI+zM5p9U2xn 14sJx9B50vC4SEAg1d521Gj4+nx/UCBCNGRN7wk1/GCAbXl7U5jc+gvtcNrHRnAJhdxoaGMccilD 3aIzYeEHJPaOfnQmshwbaUdz4XLXy2WSpNKZjvhDawZ8bbE+7c9Ow+6kEvf2PXmL1Uc4vphsWW0y re/v5uoZRMQ5/ofhD5/RoWSmgz+TDaLX8KQUb4ka0rVag+CEWq1SEAe+bLIMZFnI6w3lLwAAAP// AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4AAADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRf VHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABf cmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAAIQAH9JwDnwIAAOsEAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABk cnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAAIQDClOaa3wAAAAsBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAPkE AABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAAAAQABADzAAAABQYAAAAA " fillcolor="#7f7f7f"/>I 7trx1O9/1OQXAAAA//8DAFBLAwQUAAYACAAAACEAPbxD9d4AAAALAQAADwAAAGRycy9kb3ducmV2 LnhtbEyPQU+DQBCF7yb+h8008WaXEkoBWRrUGM+tHjxO2SmQsrOE3VL8964nPb55L2++V+4XM4iZ JtdbVrBZRyCIG6t7bhV8frw9ZiCcR9Y4WCYF3+RgX93flVhoe+MDzUffilDCrkAFnfdjIaVrOjLo 1nYkDt7ZTgZ9kFMr9YS3UG4GGUdRKg32HD50ONJLR83leDUKDpcsMq9fs9VUv7vzM+ZxvcuVelgt 9RMIT4v/C8MvfkCHKjCd7JW1E4OCJE7DFq8gTbIcREhss2QL4hQuuzwHWZXy/4bqBwAA//8DAFBL AQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBl c10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxz Ly5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAETrV3ScAgAA6wQAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9l Mm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAD28Q/XeAAAACwEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAA9gQAAGRy cy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAAABBgAAAAA= " fillcolor="#7f7f7f"/>

Валогене-ратор г   генератор

Энергетический баланс СЭУ

 

Таблица 4. Расчет тепловых балансов

№ п/ п