Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej zdeterminowany wzrostem wydajnoœci

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2009 Tom 13 Zeszyt 2 Tomasz Tuñski* Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej zdeterminowany wzrostem wydajnoœci 1. Wstêp W grupie okrêtowych systemów parowych mo na wyodrêbniæ systemy (jednostopniowe, jednociœnieniowe), których zadaniem jest produkcja pary wodnej nasyconej wykorzystywanej g³ównie do ogrzewania okrêtowych mediów, takich jak paliwo, woda, olej oraz powietrze. Ze wzglêdu na uniwersalnoœæ oraz prostotê systemy produkcji pary tego typu stanowi¹ najliczniejsz¹ grupê z obecnie eksploatowanych. Mog¹ byæ instalowane na niemal e ka dym typie obecnie produkowanych statków wykorzystywanych w transporcie morskim. Ze wzglêdu na sposób dostarczania energii do wytworzenia pary wodnej, okrêtowe systemy jej produkcji mo na podzieliæ na dwie podstawowe grupy. Pierwsz¹ z nich stanowi grupa uk³adów, w których wytwarzanie pary odbywa siê kosztem energii cieplnej uzyskiwanej w wyniku spalania paliwa w komorze paleniskowej kot³a (kot³y opalane). Do drugiej grupy uk³adów produkuj¹cych parê zalicza siê te, w których do wytworzenia pary kot³y wykorzystuj¹ energiê odpadow¹, zawart¹ w gazach spalinowych silników okrêtowych (kot³y utylizacyjne). Zadaniem kot³ów opalanych jest dostarczenie wymaganych iloœci pary podczas postoju statków, natomiast zadaniem kot³ów utylizacyjnych jest zaspokojenie zapotrzebowania na parê podczas prowadzenia podró y morskich. Jednak e konstrukcja okrêtowych systemów okrêtowych umo liwia pracê równoleg³¹ obydwu kot³ów w zale noœci od warunków otoczenia i eksploatacji statku. 2. Okrêtowe systemy parowe Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej od standardowych systemów rozdzielonych a do zasilanych wysokotemperaturowo systemów po³¹czonych sta³ siê kluczowym dla wzrostu ich wydajnoœci. Jeszcze w latach 80. poprzedniego stulecia temperatura pary grzewczej kszta³towa³a siê na poziomie t S = o C. W celu utrzymania takiego poziomu temperatury pary nasyconej wystarczaj¹ce by³o stosowanie podczas podró y morskich kot³ów utylizacyjnych o niskiej wydajnoœci i ciœnieniu roboczym utrzymywanym na poziomie p R =0,4 0,5MPa. Na obecnie produkowanych statkach do prowadzenia bezpiecznej, efektywnej i bezawaryjnej eksploatacji si³owni, wymagana jest znacznie wy sza tem- * Zak³ad Si³owni Okrêtowych, Wydzia³ Mechaniczny, Akademia Morska w Szczecinie 635

2 636 Tomasz Tuñski peratura podgrzewu paliwa. Z tego wzglêdu temperatura pary grzewczej osi¹gnê³a ju pu- ³ap t S =165 o C, co wymusza wzrost ciœnienia produkowanej pary nasyconej do p R = 0,7 MPa. Jest to 40-procentowy wzrost ciœnienia roboczego kot³ów w porównaniu z wartoœci¹ zupe³nie wystarczaj¹c¹ jeszcze 20 lat temu 2.1. Systemy rozdzielone Charakterystyczn¹ cech¹ tych systemów by³a skomplikowana budowa wynikaj¹ca z koniecznoœci zastosowania dodatkowego separatora pary kot³a utylizacyjnego. Pomimo e pomocnicze kot³y opalane oraz utylizacyjne s¹ wytwornicami pary kierowanej do wspólnego kolektora zbiorczego, by³y one instalowane w si³owniach okrêtowych jako oddzielne i niezale ne urz¹dzenia. Poza wspomnianym separatorem konieczna jest równie instalacja dodatkowych pomp oraz armatury wymaganej do obs³ugi wczeœniej wymienionych urz¹dzeñ. Taka iloœæ dodatkowo instalowanego wyposa enia prowadzi do znacznego wzrostu kosztów budowy si³owni. Rys. 1. Rozdzielony system produkcji pary nasyconej. 1 kocio³ utylizacyjny, 2 kocio³ opalany, 3 separator pary, 4 odbiory pary, 5 ch³odnica skroplin, 6 skrzynia cieplna, 7 zbiornik wody kot³owej, 8 pompy zasilaj¹ce skrzyniê ciepln¹, 9 pompy zasilaj¹ce kocio³ opalany, 10 pompy zasilaj¹ce kocio³ utylizacyjny, 11 pompy cyrkulacyjne, 12 skraplacz nadmiarowy

3 Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej Uproszczony schemat typowego parowego systemu rozdzielonego (jednostopniowego, jednociœnieniowego) przedstawiono na rysunku 1. Jednak e rozwój wiêkszoœci systemów si³owni okrêtowych wymusza koniecznoœæ dostarczania coraz wiêkszych iloœci energii grzewczej. Zaowocowa³o to powstaniem nowego typu wydajniejszych i ekonomiczniejszych tak zwanych systemów po³¹czonych Systemy po³¹czone Modyfikacja systemów rozdzielonych prowadz¹ca do powstania systemów po³¹czonych polega³a na usuniêciu oddzielnego separatora pary kot³a utylizacyjnego. Jako separator pary wykorzystany zosta³ walczak kot³a pomocniczego. Wspóln¹ cech¹ obydwu systemów jest zainstalowanie atmosferycznych skrzyñ cieplnych, których odpowietrzenie znajdowa³o siê bezpoœrednio w ich górnych pokrywach. Z tego wzglêdu temperatura skroplin gromadzonych w skrzyniach cieplnych nie mog³a przekraczaæ 80 o C. Jako e wydajnoœæ produkcji pary w kotle okreœla zale noœæ (1), tak wiêc ograniczenie to powa nie zawê a mo liwoœci budowania wysokowydajnych systemów. q kg D = i i WZ h (1) gdzie; D wydajnoœæ parowa kot³a, [kg/h], q iloœæ ciep³a przejêtego w kotle, [kj/h], i'' entalpia pary nasyconej przy ciœnieniu panuj¹cym w kotle, [kj/kg], entalpia wody zasilaj¹cej, [kj/kg]. i WZ Jednoczeœnie nale y siê liczyæ ze wzmo on¹ korozj¹ tlenow¹, która w znaczny sposób zak³óca pracê okrêtowych systemów parowych [1]. Mo liwoœæ przekroczenia granicznej temperatury kondensatu powy ej 80 o C pojawi³a siê wraz z wprowadzeniem do eksploatacji wysokotemperaturowych, atmosferycznych skrzyñ cieplnych, co pozwoli³o na zaprojektowanie systemów parowych, w których temperatura skroplin w skrzyni cieplnej siêga ju o C. Tak wysoka temperatura kondensatu wymaga jednak ograniczenia silnego parowania wody przy ciœnieniu atmosferycznym. Zmniejszenie znacznych ubytków wody z systemu skroplin rozwi¹zano konstrukcyjnie poprzez zainstalowanie odpowietrzenia skrzyni cieplnej w postaci kilkunastometrowego, nieizolowanego, metalowego ruroci¹gu poprowadzonego z si³owni do szczytu komina statku. Na tak wyd³u onej drodze przep³ywu dochodzi do skroplenia siê niemal ca³kowitej iloœci odparowanej w skrzyni cieplnej wody, która sp³ywaj¹c z powrotem do skrzyni cieplnej dodatkowo och³adza wydostaj¹c¹ siê t¹ drog¹ parê wodn¹. Uproszczony schemat typowego parowego systemu po³¹czonego (jednostopniowego, jednociœnieniowego) wyposa onego w wysokotemperaturow¹ skrzyniê ciepln¹ przedstawiono na rysunku 2.

4 638 Tomasz Tuñski Rys. 2. Po³¹czony system produkcji pary nasyconej. 1 kocio³ utylizacyjny, 2 kocio³ opalany, 3 skrzynia cieplna, 4 pompy zasilaj¹ce kocio³ opalany, 5 pompy zasilaj¹ce kocio³ utylizacyjny, 6 zbiornik wody kot³owej, 7 pompy zasilaj¹ce skrzyniê ciepln¹, 8 przetwornik poziomu wody w kotle, 9 skraplacz nadmiarowy, 10 odbiory pary Maj¹c na uwadze modyfikacje systemów parowych, nale y stwierdziæ, e g³ówny rozwój systemów produkcji pary bêdzie raczej ukierunkowany na podnoszenie temperatury skroplin magazynowanych w skrzyniach cieplnych. Kolejny krok na drodze podnoszenia temperatury kondensatu zosta³ uczyniony przez producentów systemów produkcji pary poprzez wprowadzenie ciœnieniowych skrzyñ cieplnych, o maksymalnych temperaturach gromadzonych skroplin 115 o C. Tak wysok¹ temperaturê woda osi¹ga przy ciœnieniu nasycenia 0,12 MPa. Z tego wzglêdu zastosowanie wysokociœnieniowych skrzyñ cieplnych w miejsce atmosferycznych bez daleko id¹cych zmian w konfiguracji systemów parowych oraz ich rozbudowie jest nie mo liwe, gdy skutkowaæ to bêdzie powa nymi zak³óceniami procesu wymiany ciep³a w wymiennikach zasilanych par¹. Analizuj¹c publikacje firm produkuj¹cej kot³y (Aalborg, Senior, Unex), autor nie znalaz³ wzmianek o produkcji systemów parowych, w których temperatura skroplin w skrzyniach cieplnych przekracza³aby wspomnian¹ wartoœæ.

5 Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej Mo liwoœæ dalszego rozwoju Przy zachowaniu sta³ej wartoœci iloœci ciep³a przejêtego w kotle i ciœnieniu wytwarzanej pary, podnoszenie temperatury wody zasilaj¹cej kot³y jest sposobem na zwiêkszenie ich wydajnoœci parowej bez koniecznoœci zwiêkszania powierzchni wymiany ciep³a. Zakres temperatur skroplin gromadzonych w skrzyniach cieplnych (80 o C 95 o C 115 o C) stanowi jednoczeœnie zakres maksymalnych temperatur wody zasilaj¹cej kot³y. Oznacza to, i obecnie projektanci statków maj¹ do wyboru albo systemy nie do koñca wykorzystuj¹ce mo liwoœæ podwy szania temperatury wody zasilaj¹cej kot³y, albo bardziej skomplikowane systemy (przez co dro sze) z ciœnieniowymi skrzyniami cieplnymi. Rozwi¹zanie tego zagadnienia wymaga po³¹czenia systemów skroplin o temperaturze poni ej temperatury nasycenia wody (przy ciœnieniu atmosferycznym) z wysokotemperaturowymi podgrzewaczami, pozwalaj¹cymi podnieœæ temperaturê wody zasilaj¹cej tu przed kot³em do poziomu okreœlonego zale noœci¹ (2). gdzie: t WZ t S t WZ = t S 5 [ o C] (2) temperatura wody zasilaj¹cej kocio³, [ o C], temperatura pary nasyconej suchej przy ciœnieniu roboczym kot³a, [ o C]. Wykorzystuj¹c statyczne modele matematyczne [4], przeprowadzono serie symulacji wspó³pracy wodnorurkowego kot³a utylizacyjnego o powierzchni wymiany ciep³a F KU = = 275 m 2 z wolnoobrotowym, d³ugoskokowym silnikiem typu 7S60MC firmy MAN-B&W pod kontem badania wp³ywu temperatury wody zasilaj¹cej kocio³ na wzrost wysokoœci produkcji pary. W oparciu o uzyskane wyniki sporz¹dzono zestawienie przyrostów wydajnoœci produkcji pary w systemie z kot³em utylizacyjnym zasilanym wod¹ o ró nych temperaturach, w porównaniu z wydajnoœci¹ tego samego kot³a zasilanego wod¹ o temperaturze t WZ = = 80 o C, zgodnie z instrukcj¹ projektanta statku (rys. 3). Rys. 3. Przyrosty wydajnoœci produkcji pary

6 640 Tomasz Tuñski Podstawowym problemem w tym systemie, jest koniecznoœæ zapewnienia dodatkowej energii grzewczej, której iloœæ bêdzie zale na od temperatury oraz masowego natê enia przep³ywu wody zasilaj¹cej przez podgrzewacz. Nale y podkreœliæ, i wykorzystanie w tym celu podgrzewaczy parowych wymusza zapewnienie dodatkowych zasobów pary grzewczej. Wykorzystanie spalin silników wolnoobrotowych jako medium grzewczego dla wody zasilaj¹cej kot³y mo e byæ niebezpieczne ze wzglêdów eksploatacyjnych, gdy mo e dojœæ do przekroczenia dopuszczalnej temperatury 180 o C. Obni enie temperatury spalin poni ej 180 o C wywo³uje wykraplanie wody na powierzchniach elementów konstrukcyjnych kot³ów oraz kolektorów wylotowych, co zapocz¹tkowuje korozjê siarkow¹ tych elementów. Tak wiêc, temperatura 180 o C, okreœlona jest jako minimalna, dla spalin w kolektorze wylotowym za kot³em utylizacyjnym. Czêœciowe obci¹ enia silników g³ównych w po³¹czeniu z niesprzyjaj¹cymi warunkami otoczenia, znacznie podnosz¹ ryzyko wyst¹pienia takiej sytuacji. Z tego wzglêdu uzasadnione jest rozpatrzenie wykorzystania innych noœników energii w celu podniesienia temperatury wody zasilaj¹cej kocio³. Maj¹c na uwadze elementy sk³adowe zewnêtrznego bilansu energetycznego nowoczesnych silników okrêtowych oraz ich daleko id¹ce zmiany konstrukcyjne, skutkuj¹ce znacznym ograniczeniem temperatury gazów wylotowych, nale y zwróciæ uwagê na znaczny wzrost zasobów energetycznych zawartych w powietrzu do³adowuj¹cym. Publikowane dane dotycz¹cych projektowanych dotychczas okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej wykazuj¹, e prowadzone w przesz³oœci próby budowy systemów odzysku energii zawartej w powietrzu do³adowuj¹cym nie zosta³y w pe³ni rozwiniête. Dlatego te wydaje siê celowe przeanalizowanie mo liwoœci szerszego wykorzystania powietrza do³adowuj¹cego jako Ÿród³a energii dla wysokotemperaturowego podgrzewacza wody zasilaj¹cej kot³y w celu podniesienia ich wydajnoœci. 4. Wnioski Jednym ze sposobów zwiêkszenia wydajnoœci produkcji pary nasyconej w okrêtowych systemach parowych jest podniesienie temperatury wody zasilaj¹cej kot³y. W obecnie produkowanych si³owniach okrêtowych nadal nie s¹ stosowane systemy w pe³ni wykorzystuj¹ce jej zalety. Ponadto standardowo stosowane sposoby podwy szania wydajnoœci systemów parowych statków eksploatowanych w egludze transportowej osi¹gaj¹ kres mo liwoœci. Maj¹c na uwadze, e w nowoczesnym transporcie morskim coraz wiêksze znaczenie zyskuj¹ jednostki szybkie, zdolne do prowadzenia eglugi na ka dym akwenie przy dowolnych warunkach otoczenia, oraz e rosn¹ce iloœci magazynowanego w zbiornikach bunkrowych paliwa pozosta³oœciowego o coraz ni szej jakoœci generuj¹ znaczny wzrost zapotrzebowania na energiê do celów grzewczych, niezbêdne jest znalezienie dodatkowych Ÿróde³ energii wspomagaj¹cej produkcjê pary na statkach morskich [5]. Wykorzystanie energii tra-

7 Rozwój okrêtowych systemów produkcji pary nasyconej conej w procesie ch³odzenia powietrza do³adowuj¹cego silników okrêtowych jako Ÿród³a zasilania wysokotemperaturowych podgrzewaczy wody zasilaj¹cej kot³y przyczyni siê do wzrostu wydajnoœci systemów produkcji pary a tak e znacz¹co przyczyni siê do wzrostu ogólnej sprawnoœci si³owni okrêtowej. Dodatkowo nale y zwróciæ uwagê na rosn¹ce znaczenie pary nasyconej nie tylko jako noœnik energii grzewczej [2, 3]. Wraz z wprowadzeniem do produkcji najnowszych turbogeneratorów (MITSUBISHI, MAN DIESEL) pojawi³a siê mo liwoœæ wykorzystania pary nasyconej do bezpoœredniej produkcji energii elektrycznej. Literatura [1] Górski Z., Perepeczko A., Okrêtowe kot³y parowe. Fundacja Rozwoju WSM w Gdyni, Gdynia [2] MAN B&W Diesel A/S., Thermo efficiency System for reduction of fuel consumption and CO 2 emission. Coppenhagen, [3] Mitsubishi Heavy Industries Ltd., Steam Turbine generator [4] Tuñski T., Symulacja pracy kot³a utylizacyjnego z wykorzystaniem jego statycznego modelu. III Miêdzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna EXPLO SHIP 2004, Zeszyty Naukowe nr 73, AM Szczecin, Szczecin, 2003, 509. [5] Tuñski T., Zapotrzebowanie na energiê grzewcz¹ w si³owniach okrêtowych statków szybkich. Ìåæäóíàðîäíûé Ñáîðíèê Íàó íûõ Òðóäîâ, ÍÀÄÅÆÍÎÑÒÜ È ÝÔÔÅÊÒÈÂÍÎÑÒÜ ÒÅÍÈ ÅÑÊÈÕ ÑÈÑÒÅÌ, ÊÃÒÓ, Kaliningrad, 2006, 215.