Почему авианосец «Викрамадитья» не смог пройти ходовые испытания (версия) - окончание - Энергетика и промышленность России - № 06 (218) март 2013 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/218/14850.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 06 (218) март 2013 года

Почему авианосец «Викрамадитья» не смог пройти ходовые испытания (версия) - окончание

Новые технологии К. т. н., инженер-исследователь Евгений ДУБРОВИН, к. т. н., инженер-исследователь Игорь ДУБРОВИН

Начало читайте в «ЭПР» № 5 (217)

Однако, наряду с явными достоинствами, дизельное топливо имеет и свои собственные недостатки, такие, как более высокие эксплуатационные затраты на содержание энергетической установки и корабля в целом, необходимость постоянной сепарации дизтоплива от воды и очистка от механических примесей, повышенная взрывопожароопасность, более высокая степень испаряемости, особенно в условиях высоких температур.

Таким образом, становится очевидным, что применение дизтоплива в котельных установках исключает большую часть присущих флотскому мазуту недостатков, но и приводит к целому ряду других недостатков, которые необходимо учитывать при проектировании новых и при эксплуатации существующих котельных установок, а также при переводе их работы на сжигание другого вида углеводородного топлива.

Что учитывается и не учитывается при расчете котла
Проектирование любой корабельной котельной установки, как известно, начинается с теплового расчета ее котельного агрегата. Исходными данными настоящего расчета являются вид планируемого к использованию топлива, впоследствии – штатное (оно еще называется расчетным), и его элементарный состав, по которому определяется теплота сгорания топлива. Далее для каждой нагрузки (от 10 до 110 процентов) котла по топливу, рассчитываемой по давлению топлива перед форсунками и количеству включенных форсунок, вычисляются для всех режимов расход топлива, состав и объемы дымовых газов и параметры газов по всему газовому тракту от топки котла до среза дымовой трубы.

Перед переводом котла на сжигание другого (не штатного или не расчетного) вида топлива также необходимо выполнять тепловой расчет, в котором расход топлива на всех режимах необходимо изменять (снижать или увеличивать) в зависимости от изменения (повышения или уменьшения) его калорийности. Кроме того, для каждого расхода топлива надо рассчитывать соответствующий ему коэффициент избытка воздуха. Данное условие должно выполняться и при переводе работы котла с флотского мазута на дизельное топливо и наоборот.

Применяемая в настоящее время Методика теплового расчета корабельных котлов Специального конструкторского бюро котлостроения (СКБК) учитывает все эти условия, но только при сжигании штатного или расчетного топлива. В то же время сжигание не штатного (не расчетного) топлива в котле имеет ряд особенностей, которые оказывают существенное влияние на все происходящие в топке и газовом тракте котла процессы, однако Методика их не учитывает.



От теории к практике

Авторами выполнено немало работ по переводу котлов на сжигание не штатных видов жидких топлив (топливных смесей, водо-топливных эмульсий, флотского мазута вместо дизтоплива и т. п.), в том числе и на семи паровых котлов, спроектированных СКБК:
• одного КВВА 12 / 28– с флотского мазута на водо-мазутную эмульсию на основе пресной воды,
• четырех КВВА 7,5 / 28 – с флотского мазута на водо-мазутную эмульсию на основе морской воды,
• одного КВВА 5,5 / 6 – с дизельного топлива на водо-дизельную эмульсию на основе морской воды,
• одного КАВ 16 / 16 – с дизельного топлива на топочный мазут М-100.

Опыт, полученный в процессе выполнения работ, позволил выявить ряд особенностей, связанных с подготовкой топлива к сжиганию и его сжиганием. По мнению авторов, к таким особенностям следует отнести:
• плотность подаваемого в топку не штатного топлива (в случае с котлом КВГ-3Д – дизтоплива),
• дисперсность (размеры) топливных капель после форсунки (так называемая тонкость распыла),
• время подготовки топливных капель к горению: их нагрев, перегрев и испарение (т. н. индукционный период),
• скорости воздушного потока в топочном объеме и избытки воздуха.

К сожалению, теоретически эти особенности просто невозможно смоделировать, однако они объективно существуют, и их необходимо учитывать.



Несколько отличий процессов сжигания дизтоплива и флотского мазута

Поскольку дизельное топливо и флотский мазут это все‑таки разные виды углеводородного горючего, то и их процессы сжигания не могут быть одинаковыми. Отличия процессов сжигания данных видов топлива заключаются в следующем.

Первое – разные условия формирования факела.

Плотность, как известно, характеризует количество массы, содержащейся в единице объема. В условиях факельного (объемного) сжигания топлива, характерного для котлов, мельчайшие распыленные частицы дизельного топлива, обладая меньшей плотностью, чем аналогичные частицы флотского мазута, имеют меньший вес и, пролетая топочный объем с большей скоростью, формируют факел дальше от топливной форсунки и ближе к выходу из котла.

Таким образом, замена мазута дизельным топливом может привести к тому, что в топке котла ядро дизельного факела сместится относительно геометрического центра топки в сторону газового тракта, при этом на номинальных и максимальных нагрузках котла по топливу смещение факела от центра топки достигает своего наибольшего значения.

Дисперсность (размеры) основного количества топливных капель при распыле дизельного топлива форсункой составляет не более 20‑30 мкм, что в 1,5‑2,0 раза меньше размеров распыленных форсункой мазутных капель. С уменьшением размеров топливных капель, как известно, увеличивается площадь контакта горючего и окислителя, что приводит к увеличению скорости протекания реакции окисления и, в конечном итоге, к ускорению всех топочных процессов. Это значит, что сгорание дизельного топлива в топке котла происходит быстрее, нежели флотского мазута. Кроме того, капли меньшего размера пролетают топочный объем быстрее, что способствует созданию ядра факела дизельного топлива не в геометрическом центре топки, а ближе к выходу из топки. Таким образом, факел дизельного топлива может находиться вне геометрического центра топки, а само дизельное топливо сгорает быстрее.

Время подготовки топливных капель к горению, или индукционный период дизельного топлива, значительно меньше аналогичного показателя флотского мазута, именно поэтому дизельный факел начинается ближе к форсунке и имеет большую длину и меньшую ширину (то есть более вытянут), чем мазутный факел. Это означает, что при использовании дизельного топлива степень заполнения его факелом топки котла значительно меньше, чем степень заполнения топки мазутным факелом.

Второе - различные скорость потока и избытки воздуха.

Для обеспечения непрерывного горения компрессор турбонаддувочного агрегата (ТНА) подает атмосферный воздух в пространство между корпусом и кожухом котла, откуда он поступает в корень факела через воздухонаправляющие устройства (ВНУ). При сжигании дизельного топлива скорость воздушного потока в топочном объеме способствует уносу легких топливных капель дальше от центра топки, что приводит к смесеобразованию и горению дизтоплива на выходе из топки.

Для полного и бездымного горения любого вида углеводородного топливо, как известно, необходимо на один килограмм горючего затрачивать 10‑11 килограммов воздуха, при этом коэффициент избытка воздуха равен единице (α=1,0). Фактически же сжигание дизельного топлива в КВГ-3Д происходит при более высоких значениях коэффициента избытка воздуха (α10 %=1,6 ÷ α110 %=1,2), что приводит к перерасходу дизельного топлива на мгновенный нагрев и перегрев не участвующего в топочных процессах (лишнего) воздуха. Это огромное количество воздуха (от ~ 5000 кг / час на минимальном режиме до ~ 2200 кг / час на максимальном режиме) проходит транзитом топку и весь газовый тракт, а затем горячим сбрасывается в атмосферу. При этом, как показывают расчеты, часовой перерасход дизтоплива может составлять не менее 500 килограммов при работе котла на минимальной нагрузке по топливу и не менее 1900 килограммов при работе котла на максимальной нагрузке по топливу.

Третье – неодинаковая физика факельного (объемного) сжигания.

Как известно, в жидко-топливных котлах горючее сгорает в определенном объеме, называемом факелом. Качество процессов горения топлива и, соответственно, дальнейшей теплопередачи определяется размерами (длиной и шириной) и формой факела, степенью заполнения им топочного объема и его расположением относительно центра топки. Условно факел включает несколько зон: корень – у топливной форсунки (зона нагрева, перегрева и парообразования топлива и его смешения с окислителем), ядро – в центральной части факела (зона активного горения), среднее пространство факела (зона горения), хвостовая часть – противоположная корню и периферийные (относительно ядра) участки (зоны догорания на поверхности факела). Наиболее оптимальные условия сжигания топлива и передачи тепла характеризуются формой факела, близкой к шарообразной, расположением факела в центре топки котла, максимальной степенью заполнения факелом топочного пространства и соизмеримостью объемов факела и топки.

Факельное сжигание флотского мазута и дизельного топлива различно. Наличие более мелких капель дизельного топлива в зоне горения ускоряет протекание всех реакций, способствует повышению неравномерности температурного поля (dradient T°C ≠ const) в топочном объеме, повышает потребность в атмосферном воздухе, особенно в обедненных окислителем периферийных участках факела. Все это, на фоне более высокой теплотворной способности дизельного топлива (по сравнению с флотским мазутом), приводит к повышению температуры газов по всему газовому тракту и выбросу в атмосферу дымовых газов с более высокой температурой. Визуально отличия процесса горения при сжигании дизельного топлива вместо флотского мазута проявляются в изменении геометрии факела (увеличивается длина и уменьшается ширина), неполном заполнении топочного объема факелом и повышении светимости факела.

Учитывая сказанное, можно ответить на вопрос, поставленный в начале статьи. Паровые котлы КВГ-3Д, по мнению авторов, не смогли выйти на максимальные режимы работы по причине принципиальных отличий процессов сгорания дизельного топлива и флотского мазута в топочном объеме, приведших не только к изменению формы факела, но и к его смещению от геометрического центра топки в сторону газового тракта. На фоне большей теплотворной способности дизельного топлива смещение факела в топке, в конечном итоге, вызвало повышение температуры газов по всему газовому тракту, следствием чего и явилось прогорание теплоизоляции котла в различных местах по ходу движения продуктов сгорания – дымовых газов от топки до дымовой трубы.



Адаптация мазутного котла к сжиганию дизельного топлива

Практическая адаптация котла к сжиганию другого вида топлива (в данном случае – дизельного), как показывает имеющийся опыт перевода работы котлов на не штатные виды горючих, включает в себя обязательную реализацию как конструктивных, так и организационно-технических мероприятий.

К конструктивным мероприятиям, например, можно отнести:
• замену циркуляционной топливной системы котла тупиковой;
• замену топливоподающего насоса на насос с пониженным давлением и меньшей производительностью;
• уменьшение диаметра топливоподающего трубопровода на величину, пропорциональную вязкости дизельного топлива;
• установку сепаратора топлива;
• увеличение диаметра воздухонаправляющих устройств;
• установку в топливные форсунки распылителей с увеличенными проходными сечениями и другие.

К организационно-техническим мероприятиям, в свою очередь, следует отнести:
• поддержание перед дизельными форсунками меньшего давления по сравнению с мазутными форсунками;
• обеспечение более грубого распыла топлива форсунками;
• снижение давления воздуха перед топливными форсунками;
• поддержание меньших избытков воздуха на режимах и другие.



Вместо выводов

Возможно в самом ближайшем будущем приобретут актуальность работы по переводу дизель-генераторов «Вяртсиля» (трех – типа 16V32 по 6,2 MВт и одного – типа 18V200‑3,3 MВт) энергетической установки универсальных десантных кораблей-вертолетоносцев типа «Мистраль», строящихся для ВМФ России во Франции, на отечественное низкосортное углеводородное топливо.

Очевидно, что адаптация любой топливосжигающей установки к использованию не расчетного топлива процесс довольно сложный и требует не только определенного практического опыта, но и дополнительных исследований. Однако такая адаптация необходима и вполне обоснована, поскольку исключает зависимость от импортного горючего, что, в конечном итоге, позволяет поддерживать необходимый уровень боеготовности кораблей.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 06 (218) март 2013 года: