⭕О ЧЕМ РЕЧЬ
Интерес к снижению расхода топлива был, скажем честно, всегда, но особо остро вопрос "экономим или разоряемся" начал вставать по мере ввода все большего числа ограничений на выбросы в атмосферу. Оно и понятно, - снижение токсичности "выхлопа" экономии топлива не способствует, так как, наоборот, требует энергии на осуществление самого процесса. Это только в рекламных проспектах "зеленых лоббистов" все красиво и радужно; на деле не так.
Где искать эту самую экономию на борту? Правильно - в силовых установках и чем больше и мощнее (эти параметры, "как ни странно", связаны), тем выше и потенциал наэкономить.
Температура выпускных газов выглядит в этом плане очень привлекательным источником энергии, что теоретически может позволить использовать до 11 % энергии топлива поверх той, что уже выработалась двигателем. Выпускные газы и температуру имеют приличную и поток сильный и стабильный, а еще сжатый турбокомпрессором воздух тоже горяч и его тепло можно использовать для, скажем, подогрева питательной воды котлов.
В общем, расскажу тебе о том, как можно извлечь еще немого полезного из того, что уже "вылетело в трубу".
⭕ВВЕДЕНИЕ
Следуя тренду на повышение эффективности судовых энергетических установок, со времен нефтяного кризиса 1973-го года "топливная" эффективность судовых силовых установок выросла до примерно 50%.
Не смотря на то, что даже 50% - это значительно выше того, что было ранее, судовладельцы продолжают наращивать усилия по сокращению удельного расхода топлива (количество граммов топлива, потраченных на производство одного килоВатта энергии).
Основная мишень для мозговых штурмов под заголовком "больше джоулей - меньше дров" - это, конечно, выпускные газы. На тепловые потери на уход отработавших газов приходится до половины всех тепловых потерь в установке; то есть до 25% от всей энергии, запасенной в топливе. Да, спалив 100 тонн топлива, мы 25 тратим на обогрев планеты. Так почему бы это тепло не использовать? Почему бы не пустить его на производство пара, который можно направить на паровую турбину с электрогенератором на другом конце ротора?
Это хороший вариант, но и тут не все так просто, так как введение дополнительных теплообменников (их называют хвостовыми) приведет к повышению сопротивления выпускного тракта и, в результате, незначительному снижению эффективности установки. Но приобретенное будет выше потерянного, так что смысл есть.
На Рисунке 1: Shaft power - эффективная мощность, Lubrication oil cooler - охладитель системного масла, Jacket water cooler - охладитель охлаждающей воды (охлаждайку тоже нужно охлаждать), Exhaust gas - выпускные газы, Air cooler - охладитель воздуха, Heat radiation - тепловое излучение, Electric production os WHRS - произведенное системой глубокой утилизации тепла электричество, Gain - повышение (эффективности).
Взгляни на Рисунок 1. На нем графически изображены диаграммы теплового баланса двигателей без системы глубокой утилизации тепла (далее ГУТ) (слева) и с таковой (справа). В сумме эффективность силовой установки с системой ГУТ будет выше примерно на 5%! Это много.
На сегодняшний день существуют разные схемы реализации принципа, описанного выше. Компоновка, система управления, степень интегрированности в судовые системы будут зависеть от желания (платежеспособности) заказчика. Вот базовые предлагаемые схемы:
- Паровая силовая турбина - паровой турбогенератор
- Паровой турбогенератор
- Паровая силовая турбина
На практике, возможно применение самых разнообразных комбинаций упомянутых выше систем в разных пропорциях (в плане распределения мощности).
⭕ОБЪЯСНЕНИЕ СИСТЕМ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА. КОНЦЕПЦИЯ И УСТРОЙСТВО
Концепт ГУТ от МАН принципиально отличается от классического описания, что я давал в начале.
МАНы перепускают часть выпускных газов байпас турбокомпрессоров на силовую турбину, что приводит во вращение генератор. При этом газов для турбокомпрессоров становится недостаточно, что приводит к просадке их производительности, что ведет к недостатку продувочного воздуха, что поднимает температуру выпускных газов. А вот чем выше температура выпускных газов - тем шире поле возможностей для утилизационного котла, что производит пар для утилизационной турбины. Да, на одном валу сидят: паровая турбина, генератор и газовая турбина. В результате имеем незначительное повышение расхода топлива (смотри Рисунок 1) и значительный прирост степени использования этого топлива (смотри Рисунок 1).
На Рисунке2: WHR System - configuration - конфигурация системы ГУТ, Dual purpose exhaust gas boiler - утилизационный котел двойного назначения, MAN D&T turbocharger - турбокомпрессор МАН, Main engine - главный двигатель, Sum power generation - суммарное производство электроэнергии, Generator - генератор.
Кстати, вот это вот все, что на Рисунке 2, может быть как одним блоком, так и сетью разрозненных элементов.
При выборе компоновки учитывается серия факторов: энергопотребление судна в порту и на ходу, габариты машинного отделения, время окупаемости, размер кошелька заказчика.
Установка, утилизирующая тепло, может производить до 100% необходимой электроэнергии для обеспечения хода судна, а может и в параллель работать с дизельной электростанцией. Чтобы все это вместе хорошо работало (да и работало в принципе) нужна система управления, интегрированная в общую судовую. И такая тоже есть.
⭕СИЛОВАЯ ТУРБИНА И ГЕНЕРАТОР
Это самая дефолтная и, пожалуй, простая система из всех, что можно придумать. Газики из движка напрямую идут в газовую турбину (она же "силовая"), создают в ней крутящий момент, что передается по валу на генератор и вот - электричество готово.
На Рисунке 3: Main switchboard - главный распределительный щит, Frequency converter - частотный преобразователь, GenSet - дизельный генератор, PT unit - силовая турбинная установка, Main engine - главный двигатель, Scavenge air cooler - охладитель продувочного воздуха, Exhaust gas receiver - выпускной коллектор, TC - турбокомпрессор, Exhaust gas - выпускные газы, Steam for heating services - пар для обогрева, Feed water - питательная вода, Composite boiler - комбинированный котел, Circ. pump - циркуляционный насос, Gen. set economizer - экономайзеры дизельных генераторов.
Смотрим на Рисунок 3 и видим, что имеем на выпускном коллекторе главного двигателя систему байпасирования турбокомпрессоров выпускными газами и систему отвода газов к газовой турбине. Трубина с приводимым ею генератором, естественно, расположены на одной платформе, все это один силовой агрегат. Смотри Рисунок 4.
Как и любой уважающий себя судовой генератор, этот агрегат может работать параллельно с основными дизельными, распределяя нагрузку между собой в разных или равных пропорциях.
Добавлю. что, например, TCS-PTG22 мощностью 2700 кВт - довольно серьезный агрегат и может взять на себя вообще всю имеющуюся нагрузку.
Использование такого агрегата позволит использовать энергию топлива на 3-5% больше, а это хороший прирост эффективности.
⭕ПАРОВАЯ ТУРБИНА И ГЕНЕРАТОР
Паровая турбина - это тоже турбина, но с рабочим телом нужно подольше поработать. Пар для начала необходимо получить, а затем перегреть, ведь на влажном пару турбина долго проработает. Эрозия, знаете-ли...
МАНы в плане подготовки пара пошли немного дальше и придумали байпасировать турбокомпрессоры главного двигателя, чтобы снизить давление продувочного воздуха, что поведет за собой повышение температуры выпускных газов перед утилизационным котлом. Таким вот способом они могут влиять на производительность "утиля".
Из секции пароперегревателя утилизационного котла пар направляется в турбину, жестко связанную с генератором. И вот, более сложным путем мы получили еще немного электричества.
По компоновке все как и с газовой турбиной: отдельно стоящий агрегат, способный выдавать заветные вольты и амперы на шины главного распределительного щита как самостоятельно, так и в кооперации с дизельными генераторами.
Что по эффективности? От 5 до 8 % дополнительно можно извлечь из уже покинувших главную силовую установку газов.
⭕КОМБИНИРОВАННАЯ ГАЗОВО-ПАРОВАЯ СХЕМА
Это самое интересное. Оказывается, что можно на один ротор насадить две разнородные турбины, а посреди причпокнуть генератор. Сложно? Зачем? Это позволит извлекать еще больше энергии из отработавших газов и даст гибкость в использовании турбины.
На Рисунке 6: Steam turbine - паровая турбина, Gearbox - редуктор, Generator - генератор, Power turbine - силовая турбина.
Работа такой системы более интересна и сложна. Дело в том, что пар подходящий параметров и в необходимом количестве вырабатывается утилизационным котлом уже на 30-35% от максимальной мощности главного двигателя. На этом этапе можно ввести в действе паровую часть установки.
Когда главный двигатель выходит на 40-50% от номинала - количества выпускных газов станет достаточно для запуска силовой турбины. То есть. Генератор уже работает, а его вращение обеспечивается паровой турбиной, при этом газовая часть установки выведена из эксплуатации.
Для того, чтобы подключить еще и газовую сторону существует специальная муфта.
На Рисунке 7 приведена полная, пожалуй, самая сложная система ГУТ. Тут и газовая турбина и силовая, и подогреватель питательной воды, вмонтированный в охладитель продувочного воздуха, и комбинированная система пара с системой низкого давления для производства пара для хозяйственных нужд и неэнергоемких подогревателей. В эту-же систему интегрированы и утилизационные котлы дизель генераторов, что позволяет экономить топливо на вспомогательном котле в порту.
Суммарная эффективность подобной схемы - примерно 9-11% от мощности главного двигателя.
Какую систему выбирать?
МАН предлагает отметку в 25 000 кВт в качестве переломной. Если мощность главного двигателя больше - ставим полную схему, если меньше - одно из двух.
⭕УПРАВЛЕНИЕ
Посмотри на Рисунок 8. Выпускные газы из коллектора могут быть направлены как в турбокомпрессор, так и в обход него, так и в силовую турбину. Причем, на пути в силовую турбину есть как проходной клапан (работает в режиме "открыто-закрыто", так и регулирующий). В любом из вариантов газы в конечном итоге все равно попадают в утилизационный котел и греют воду и перегревают пар.
Логика работы системы управления может выглядеть очень сложно и "читать" ее просто так, без конкретной цели не имеет смысла. Но основная задача подобной системы не произвести как можно больше энергии, а сделать так, чтобы все эти звенья друг с другом "дружили" и делали это на как можно большем количестве режимов.
⭕ЕЩЕ НЕМНОГО ПРО ПАР
Паровая установка очень удобна с точки зрения рабочего тела. Пар можно передавать на значительные расстояния с минимальными потерями. При должной водоподготовке паровые системы служат годами при минимальном техническом обслуживании.
С другой стороны, только лишь паровой котлом и турбиной дело не обходится. Пар после использования в турбине необходимо сконденсировать и вернуть обратно в систему, чтобы каждый раз не "готовить" воду для котла.
А теперь взгляни на размер конденсатора на Рисунке 8. Он действительно по габаритам лишь немного уступает турбо зубчатому агрегату с генератором и фундаментной рамой.
А вот на Рисунке 10 можно оценить габариты утилизационного котла для системы глубокой утилизации тепла. Он больше главного двигателя...
Насмотрелся? Так вот, есть еще некоторые нюансы... Паровая система может быть выполнена в друх компоновках: одноконтурная и двухконтурная.
⭕ОДНОКОНТУРНАЯ СИСТЕМА
На Рисунке 11: Exh. gas boiler sections - секции утилизационного котла, Preheater - подогреватель, Evaporator - испаритель, Superheater - пароперегреватель, Steam drum - паровой барабан, Circ. pump - циркуляционный насос, Exhaust gas - выпускные газы, Surplus valve - клапан сброса излишков пара, Steam turbine - паровая турбина, Sat. steam for heating serviced - насыщенный пар для хозяйственных нужд, Condenser - конденсатор, Feed water pump - питательный насос, Hot well - теплый ящик.
Одноконтурная система довольно проста, ведь производит пар одного давления, а в качестве паро-водяного сепаратора может использоваться вспомогательный котел.
⭕ДВУХКОНТУРНАЯ СИСТЕМА
На Рисунке 12: Alternative WHR sources for feed water preheating - дополнительный источник тепла для подогрева питательной воды (имеется ввиду теплообменник в охладителе продувочного воздуха главного двигателя), LP-seam drum - паровой барабан низкого давления, HP-steam drum - паровой барабан высокого давления.
Такая система производит пар двух разных параметров: перегретый для турбины и насыщенный для бытовых нужд. При такой схеме выхлопные газы главного двигателя отдают максимально возможное количество тепла. При этом установка подогревателя питательной воды в качестве последней ступени уже невозможна из-за высокого риска холодно-кислой коррозии. Да, температура газов на выходе из такой системы низка настолько. что пары воды могут конденсироваться на теплообменных поверхностях.
Но это не беда, потому что подогреватель питательной воды можно установить в качестве первой ступени охладителя продувочного воздуха главного двигателя. Продувочный воздух все равно нужно охлаждать, и было бы неплохо использовать это тепло во благо.
⭕СХЕМА ВОДЫ И ПАРА
На Рисунке 13 схематически показаны системы пара и воды. Синяя линия - питательная вода, красная линия - пар высоких параметров, желтая линия - пар низких параметров.
Каждый контур имеет пару независимых циркуляционных насосов, но система "питания" общая. Причем, обрати внимание, что на схеме указано два подогревателя питательной воды: продувочным воздухом и охлаждающей водой главного двигателя. Это разумно и логично! Охлаждающую воду зарубашечного пространства приходится охлаждать, сбрасывая тепло в океан. Температура этой воды около 85 градусов и ее можно использовать в качестве первой ступени при подогреве питательной воды.
Посмотри еще раз на схему питательной воды. После двух последовательно подключенных теплообменников (водой зарубашечного пространства и продувочным воздухом) установлен клапан, подключенный к линии, обходящей подогреватель продувочным воздухом.
Этот клапан регулирует конечную температуру питательной воды и настроен на 144 градуса. Идеально!
⭕РЕЗЮМЕ
Сложно? Согласен!
Эффективно? Еще как!
Я одиннадцатый год работаю с подобными системами и хочу сказать. что они делают свое дело и делают хорошо. Установки работают круглые сутки без остановки годами, выдавая в сеть килоВатты электроэнергии и экономя топливо.
При соблюдении правил технической эксплуатации подобные установки способны проработать без серьезных ремонтов весь срок службы судна.
Вот тебе на последок еще и видео по утилизационной турбине, что будет актуальным с учетом новых знаний, полученных в статье.
Оригинальная статья на английском языке находится в моей Телеграмм библиотеке. Вот ссылка на нее: https://t.me/c/1536125753/586
Чтобы получить доступ к библиотеке, на нее нужно подписаться. Вот ссылка: https://t.me/+QV9wgiG-9O8xNmQy
