Главные энергетические установки кораблей и судов...

Наступившая разрядка напряженности после распада СССР практически не повлияла на динамику изменения численности кораблей ВМС ведущих зарубежных стран (США, Англия, Франция, Германия, Италия, Япония, Китай).
Произошло изменение стратегической направленности развития флотов, заключающееся в отказе от ориентации на участие в глобальной ракетно-ядерной войне и их приоритетном развитии в интересах ведения локальных или обычных масштабных войн. Современные тенденции развития боевых надводных кораблей свидетельствуют о том, что произошло перераспределение между ПЛ и НК в пользу последних, т.к. они более приспособлены к решению задач в войнах ограниченной интенсивности и задач внешнеполитического характера.
Одной из важных тенденций в развитии боевых НК является отказ от строительства специализированных кораблей основных классов и переход на строительство преимущественно многоцелевых кораблей. Фактически происходит ликвидация разделения кораблей на классы по задачам и возрождается старый классообразующий принцип - размер корабля.
Общая направленность развития корабельной энергетики может быть охарактеризована увеличением агрегатной мощности, улучшением экономичности, повышением надежности, широким внедрением автоматизации и расширением унификации основных элементов и энергетических установок в целом.
Котлотурбинные энергетические установки в настоящее время находят применение практически на всех классах надводных кораблей среднего и крупного водоизмещения.
Однако в перспективе до 2015 г. интерес к установкам указанного типа постепенно снижается.
В ВМФ РФ котлотурбинные энергетические установки в настоящее время размещаются только на крупных боевых надводных кораблях проектов 956, 1143.4 и 1143.5, а также на кораблях пр. 1144, где КТЭУ используется в качестве резервной энергетической установки. В ближайшей перспективе строительство кораблей ВМФ РФ, имеющих в своем составе котлотурбинную энергетическую установку, не предусматривается.
Следует отметить, что современный уровень развития отечественных КТЭУ НК ВМФ соответствует уровню начала - середины 60-х годов. С тех пор корабельные КТЭУ не претерпели существенных изменений главным образом из-за появления энергетических установок нового типа - газотурбинных и атомных, которые впоследствии начали активно внедряться на кораблях ВМФ.
По этой причине современные отечественные КТЭУ представлены установками 3-го поколения.
Многолетний опыт эксплуатации КТЭУ на кораблях ВМФ выявил ряд проблем, вызванных главным образом недостатками установок указанного типа, основными из которых КТЭУ являются:
- весьма значительные масса и габариты КТЭУ по сравнению, например, с газотурбинными установками;
- недостаточно высокая экономичность КТЭУ по сравнению с газотурбинными и в особенности с дизельными ЭУ;
- структурная сложность корабельных КТЭУ: обилие вспомогательных механизмов, необходимых для обеспечения работы главных, затрудняет автоматизацию основных рабочих процессов и техническое обслуживание установки, требует привлечения значительного количества обслуживающего персонала и, в свою очередь, повышает затраты на содержание личного состава;
- наличие высококвалифицированного специально обученного личного состава для использования КТЭУ с высокими параметрами пара. Снижение его квалификации приводит к частым авариям и различного рода неисправностям, требующим длительного заводского ремонта.
Кроме того, опыт использования отечественных КТЭУ НК ВМФ выявил обилие проблем, связанных с ускоренным исчерпанием ресурса поверхностей нагрева высоконапорных котлов.
Перечисленные выше обстоятельства привели к тому, что на надводных военных кораблях, строящихся в настоящее время, и в ближайшей перспективе будут устанавливаться либо газотурбинные, либо дизельные установки, либо их комбинации.
Несмотря на заметное снижение интереса к использованию КТЭУ в качестве главных двигателей на кораблях ВМФ, говорить об окончательном отказе от установок указанного типа было бы преждевременно. Это, во-первых, вызвано наличием явных преимуществ КТЭУ по отношению к другим типам установок. Таковыми преимуществами являются:
- независимость от качества: в отличие от корабельных ДЭУ и ГТЭУ КТЭУ могут работать практически на любых видах топлива;
- высокая агрегатная мощность корабельных КТЭУ, что позволяет их использовать на любых крупных водоизмещающих кораблях;
- минимальные требования к ремонту: корабельным КТЭУ не требуется базовый комплект запасных двигателей с дорогостоящей оснасткой. Ремонты КТЭУ могут выполняться в любой точке света на предприятиях с обычными техническими возможностями;
- повышение живучести КТЭУ: высокая способность кораблей с КТЭУ противостоять боевым повреждениям, возможность управляться в поврежденном состоянии, а также проведение восстановительного ремонта без вывода из действия установки.
Во-вторых, немаловажным фактором, обусловливающим перспективность использования КТЭУ, является ограниченность мировых запасов топлива: угля хватит на 250 лет, нефти на 40 лет, а природного газа на 65 лет. Уже после 2020 г. может возникнуть напряженность с нефтью и газом, а связанное с этим беспокойство может спровоцировать рост цен на них и до 2020 г. Атомная энергетика стоит перед дилеммой: с одной стороны – беспокойства со стороны общественности по поводу безопасности, с другой – интерес к быстрым реакторам-размножителям и термоядерным установкам упал. В этой связи из перспективных энергетических технологий в стационарной энергетике наиболее обоснован проект парогазовой установки со сжиганием угля в кипящем слое под давлением.
Опыт использования современных НК ВМФ свидетельствует о том, что уже теперь из-за огромного дефицита на флотах дизельного топлива многие корабли, использующие его в качестве основного, вынуждены простаивать у причалов. Основная нагрузка в плане решения задач боевой подготовки ложится при этом на корабли с КТЭУ.
В России работы по использованию кипящего слоя в промышленной и судовой энергетике дали свои положительные результаты. При выполнении проектно-исследовательских проработок судовых котлов с кипящим слоем в качестве прототипа был принят обычный судовой котел с мазутным отоплением. Исследования показали, что поверхность теплообмена и масса котлов с кипящим слоем меньше мазутных при одинаковой производительности соответственно на 40 и 30%. При практически равной высоте длина и ширина котла с кипящим слоем меньше котла - прототипа на 16 и 21% соответственно.
Проектно-исследовательские проработки позволили сделать вывод о целесообразности проведения дальнейших работ по созданию современных отечественных судовых котлов с кипящим слоем, включающих:
- разработку требований к характеристикам угольного топлива применительно к судовым котлам;
- разработку системы автоматического управления котлом с кипящим слоем;
- определение характеристик и выбор вспомогательного оборудования котлоагрегата;
- изготовление, испытание и доводку натурной модели котла с кипящим слоем с учетом судовых условий.
Таким образом, из всего вышеизложенного следует, что современные котлотурбинные энергетические установки серьезно уступают газотурбинным и дизельным энергетическим установкам по экономичности, массогабаритным показателям, сложности автоматизации основных рабочих процессов и затратам на подготовку и содержание обслуживающего персонала. По этой причине в течение последних более чем трех десятилетий проектирование и строительство новых КТЭУ для кораблей ВМФ ни в нашей стране, ни за рубежом не производилось. Тем не менее, такие преимущества корабельных КТЭУ, как высокая агрегатная мощность, способность использовать практически любые органические топлива, высокая живучесть и хорошая ремонтопригодность, убеждают в перспективности установок указанного типа. Кроме того, ограниченность запасов нефти и ожидаемый рост цен на нефтяное топливо уже в ближайшем будущем подтверждают справедливость вышеизложенного.
Длительный застой в совершенствовании установок корабельных КТЭУ может быть частично компенсирован разработками в атомной энергетике и для судов транспортного флота, а также прогнозными исследованиями, выполненными в нашей стране и за рубежом.
На основе анализа вышеуказанных исследований может быть сформулирован “облик” перспективной КТЭУ:
1. Корабельная КТЭУ может быть спроектирована для кораблей среднего и крупного водоизмещения (более 3000 т), мощностной ряд которой должен быть представлен двумя агрегатами – на 50000 л.с. (для кораблей водоизмещением до 12000 – 15000 т) и 75000 л.с. (для кораблей водоизмещением свыше 15000 т).
2. По показателям экономичности КТЭУ не должна уступать существующим газотурбинным двигателям 4-го поколения и перспективным корабельным газотурбинным двигателям. При этом установка должна обеспечивать дальность плавания корабля не менее 8000 – 10000 миль и иметь удельный расход топлива не более 200 - 220 г/л.с. ч. Для этой цели оптимальными параметрами пара следует считать: давление 85-100 кг/см2, температура 515° С.
Более высокие параметры пара в корабельных установках, мощность которых по сравнению со стационарными остается относительно низкой, использовать нецелесообразно из-за появления проблем, связанных с увеличением влажности на последних ступенях турбины. Этот факт исключает необходимость разработки и внедрения новых марок сталей для изготовления котельных труб.
В состав ГТЗА обязательно должна включаться маршевая турбина. Тепловая схема должна предусматривать 2-3-х ступенчатый регенеративный подогрев питательной воды и утилизацию уходящих газов.
3. Должны быть значительно, не менее чем на 40%, снижены массогабаритные характеристики установки по сравнению с существующими типами корабельных КТЭУ.
4. Существенно должны быть упрощены структурные связи установки. Среди вспомогательных механизмов с турбоприводами должно быть не более одного многофункционального механизма (ТНА, питательного, масляного и топливного насосов) с единым турбоприводом, либо все вспомогательные механизмы должны быть электрифицированы.
5. Все потенциальные вспомогательные потребители пара (хозяйственные и бытовые нужды) в целях более экономичного расходования тепла должны быть электрифицированы.
6. В перспективной установке должны найти отражение повсеместная автоматизация всех рабочих процессов и широкое диагностирование установки на основе использования микропроцессорной техники.
7. Главные котлы должны быть полностью экранированы с использованием принудительной либо смешанной циркуляции, их пароперегреватель должен быть приближен к топке, а также они должны позволять использовать практически все виды органического низкосортного топлива. На рубеже 2020-2030 гг. возможно появление и использование корабельных паровых котлов с кипящим слоем.
Из вышесказанного следует, что корабельная КТЭУ только в том случае имеет шанс к использованию на надводных кораблях ВМФ будущего, если основными направлениями научных исследований по ее совершенствованию станут:
- существенное повышение экономичности установки с широким использованием утилизации и регенерации тепла;
- приспособление ее для работы практически на любых видах органического топлива (низкосортных мазутах, отходах нефтепереработки, пылеугольно-мазутной смеси и также на угле);
- снижение габаритов и массы установки;
- повсеместная автоматизация всех рабочих процессов установки и широкое ее диагностирование с использованием микропроцессорной техники.
В этой связи следует отметить, что уже имеющиеся на сегодняшний день научные разработки свидетельствуют о возможности приблизить экономичность КТЭУ к экономичности газотурбинных двигателей четвертого поколения.
Развитие пароэнергетических установок характеризуется значительным повышением начальных параметров пара. Современные суда имеют пароэнергетические установки, которые вырабатывают пар давлением 64 кгс/см2 и температурой 470° С. В котлотурбинной установке отечественных крупнотоннажных танкеров типа «Крым» параметры пара повышены до давления 88,3 кгс/см2 и температуры 515° С. В энергетической установке данных судов используется тепловая схема с промежуточным перегревом пара и высокой экономичностью главных турбин и вспомогательных механизмов.
Показатели ТТС установок постоянно совершенствуются и улучшаются по мере развития науки и технологии корабельной энергетики. Совершенствование котлотурбинных энергетических установок в первую очередь с целью повышения экономичности и снижения массогабаритных показателей предполагается по следующим основным направлениям:
- применение более совершенных элементов паросиловых энергетических установок: котлов, главных и вспомогательных механизмов;
- повышение начальных параметров пара;
- применение рациональных тепловых схем.
Дальнейшее развитие котлостроения идёт в направлении перехода от принципа естественной циркуляции к принудительной, что позволяет значительно повысить экономичность современных установок и одновременно существенно уменьшить их габариты и массу.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам создания надежных и экономичных котлов с большим сроком службы, простых по устройству и обслуживанию, с полной автоматизацией процессов управления и регулирования.
Повышение начальных параметров пара является действенным средством увеличения экономичности установки при одновременном снижении ее массы, так как это приводит к увеличению термического КПД цикла паросиловой установки. В настоящее время имеются реальные технические возможности для перехода от давления пара 64 кг/см2 и температуры 470° к давлению пара 100-110 кг/см2 и температуре 530-540°С.
Применение рациональной тепловой схемы позволяет более эффективно использовать тепловую энергию в установке. Основные направления здесь – использование регенеративных тепловых схем и схем с промежуточным перегревом пара. В регенеративных тепловых схемах подогрев питательной воды производится за счет пара в деаэраторе, отбираемого из главных паровых турбин. В установках с промежуточным перегревом пара пар после турбины высокого давления поступает в специальное устройство (промежуточный перегреватель), где повышается его температура, а затем подается в турбину низкого давления.
Развитие корабельной и судовой энергетики не ограничивается лишь совершенствованием КЭУ. К числу наиболее перспективных общих направлений дальнейшего развития энергетических установок относятся:
- комплексная автоматизация управления и обслуживания КЭУ с использованием ЭВМ;
- применение альтернативных топлив.
Совершенствование системы автоматического управления установкой идет в направлении создания и внедрения в практику эксплуатации КЭУ прогрессивных средств информатики - микроэлектроники и вычислительной техники.
Важное значение представляют средства технической диагностики, позволяющие производить осмотры и ремонты механизмов по их фактическому состоянию и прогнозировать качество работы установки.
Альтернативным топливом называются различные виды топлив, заменяющие топлива нефтяного происхождения. К ним относятся каменный уголь, горючие сланцы, метанол, этанол, сжатый и сжиженный природный газ, водотопливные эмульсии (смесь топлива с водой). Потребность в применении альтернативных видов топлива вызвана стремлением к сбережению нефтяных запасов и использованию более дешевых видов топлива, запасы которых имеются в достаточном количестве.
Из всех типов КЭУ наиболее приспособлены для работы на альтернативном топливе корабельные КТЭУ. Принципиальных трудностей для перевода КТЭУ на эти виды топлива нет, поскольку имеется опыт работы КТЭУ на этом виде топлива в прошлом. Имеется подобный опыт работы и стационарных КТЭУ.