賀銀根， 楊九明， 朱發(fā)新， 莫樹常， 李克健

(浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

雙熱源熱水鍋爐裝置工作原理及優(yōu)化設(shè)計

賀銀根， 楊九明， 朱發(fā)新， 莫樹常， 李克健

(浙江海洋學(xué)院 海運(yùn)與港航建筑工程學(xué)院， 浙江 舟山 316000)

中央冷卻系統(tǒng)對于船舶柴油機(jī)的正常工作是必不可少的，但是也存在著船舶柴油機(jī)的熱效率較低、設(shè)備腐蝕損壞、淡水污染與浪費(fèi)等問題。針對這些問題，介紹了一種雙熱源熱水鍋爐裝置的組成及工作原理，并針對雙熱源鍋爐裝置存在的問題與不足進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

主機(jī) 中央冷卻系統(tǒng) 雙熱源熱水鍋爐 優(yōu)化設(shè)計

1 引言

柴油機(jī)作為船舶的主推進(jìn)動力裝置，具有熱效率高、功率范圍廣、機(jī)動性好、可直接反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代貨物運(yùn)輸中發(fā)揮了很大的作用。盡管柴油機(jī)在內(nèi)燃機(jī)中熱效率最高，但是也只有50%左右，其余部分則通過冷卻水、排氣等損失掉。其中主機(jī)缸套冷卻水帶走的熱量高達(dá)20%～30%，如何充分利用船舶缸套冷卻水的余熱、提高柴油機(jī)的熱效率，以及改善船舶動力裝置的經(jīng)濟(jì)性，成為了眾多專家和學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

2 船舶中央冷卻系統(tǒng)簡介

2.1 船舶中央冷卻系統(tǒng)組成及工作原理

船舶中央冷卻系統(tǒng)由高溫淡水系統(tǒng) 、低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)組成，具體工作原理為：高溫淡水系統(tǒng)中的高溫淡水主要用于冷卻主機(jī)燃燒室部件(缸套等)，通過主機(jī)出口溫度調(diào)節(jié)閥，將主機(jī)出來的冷卻水保持在70℃左右，然后進(jìn)入除氣柜，除去其中的空氣到達(dá)造水機(jī)，利用余熱提高主機(jī)的效率，高溫淡水在缸套水冷卻器中經(jīng)過低溫淡水的冷卻，溫度降低，再次進(jìn)入主機(jī)對主機(jī)燃燒室零部件進(jìn)行冷卻降溫，從而循環(huán)往復(fù)。

海水系統(tǒng)中海水由海水泵從海底門吸入，經(jīng)海水管路到達(dá)中央冷卻器的海水入口，在中央冷卻器內(nèi)與低溫淡水進(jìn)行熱量交換，從海水出口排出，大部分海水直接經(jīng)海水管路排出舷外，其余海水在海水入口溫度調(diào)節(jié)閥的作用下重新進(jìn)入海水泵吸入口，調(diào)節(jié)進(jìn)入中央冷卻器的海水溫度。

2.2 中央冷卻系統(tǒng)存在的問題

在船舶中央冷卻系統(tǒng)中，海水與低溫淡水發(fā)生熱量交換，海水溫度升高后，大部分海水排出舷外，同時也帶走熱量，降低了船舶柴油機(jī)的熱效率。

在船舶中央冷卻系統(tǒng)中，循環(huán)的海水具有腐蝕性，會腐蝕中央冷卻器和管路，增加了船舶柴油機(jī)缸套中央冷卻系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)工作，降低了設(shè)備及管路的使用壽命。

海水的腐蝕也可能導(dǎo)致設(shè)備及管路等穿孔泄漏。一旦海水泄漏到淡水中，不僅造成淡水污染，影響冷卻效果，還會造成淡水的浪費(fèi)、設(shè)備的損壞等。

3 雙熱源熱水鍋爐裝置簡介

3.1 柴油機(jī)缸套冷卻水余熱利用的可行性分析

采訪工作是文獻(xiàn)資源建設(shè)的起始，它影響著圖書館館藏的數(shù)量和質(zhì)量，以及對讀者需求的滿足程度[1]。當(dāng)下高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為文獻(xiàn)采訪工作的效率提升提供新的契機(jī)，但同時也帶來了不可避免的挑戰(zhàn)。信息爆炸式增長的時代，信息量劇增、種類繁多，傳統(tǒng)的圖書采購模式已不能適應(yīng)信息資源建設(shè)的高度發(fā)展，為了節(jié)約采購成本和時間，達(dá)到資源建設(shè)的最優(yōu)化，國內(nèi)外圖書館紛紛采取聯(lián)合采購的資源共建共享模式來扭轉(zhuǎn)孤軍奮戰(zhàn)、勢單力薄的局勢。

船舶中央冷卻系統(tǒng)對于船舶柴油機(jī)的正常工作是必不可少的，不僅可以維持柴油機(jī)燃燒室受熱部件的足夠強(qiáng)度，減少受熱部件的熱應(yīng)力避免損壞，還可以保證運(yùn)動部件具有適當(dāng)?shù)拈g隙和油膜。但也存在著船舶柴油機(jī)的熱效率較低、設(shè)備腐蝕損壞、淡水污染與浪費(fèi)等問題。

受到船舶空間的限制，淡水的攜帶量是有限的，因而對淡水的充分高效合理利用具有重大意義。雙熱源熱水鍋爐的最大優(yōu)點(diǎn)之一就是能夠循環(huán)高效利用淡水，并且不需要海水，避免了設(shè)備腐蝕及損壞等問題。

中型的客船、客貨船因人員較多，對能量和淡水的需求量都很大。油船主要用于運(yùn)輸原油，為了防止原油的凝固不能卸油，則需要大量的熱量對原油加熱，也對能量有大量的需求，因此雙熱源鍋爐最適用于油船、客船、客貨船等船舶。

加熱后的鍋爐水被間接作為船舶耗能的熱源，加熱燃油、滑油和鍋爐給水，燃油艙(或燃油柜)，同時可為生活用水及艙室供暖，或作吸收式制冷裝置的熱源等[2]。

3.2 雙熱源熱水鍋爐裝置工作原理

如圖1所示為新型雙熱源熱水鍋爐裝置的結(jié)構(gòu)及組成部件。本熱水鍋爐能在航行中有效利用主機(jī)缸套高溫淡水，通過熱水鍋爐內(nèi)部高溫淡水熱交換器10使熱水鍋爐水溫加熱到60 ℃～70℃，為各耗能設(shè)備提供熱源。

在停航時，該裝置還能通過燃油燃燒器9點(diǎn)火升溫使熱水鍋爐為耗能設(shè)備供熱，因此有了雙熱源熱水鍋爐裝置還可以省掉主機(jī)暖缸系統(tǒng)。在停航中通過熱水鍋爐高溫淡水熱交換器為主機(jī)暖缸。該裝置對于每個耗能設(shè)備加熱器采用管式離心泵3強(qiáng)制循環(huán)，回水管安裝鋼化玻璃觀察鏡6可以方便檢測耗能設(shè)備加熱器是否破損，回水管安裝溫度傳感器可以通過檢測回水溫度控制管式離心泵3的轉(zhuǎn)速，從而控制加熱溫度。

圖1 雙熱源熱水鍋爐裝置圖

3.3 雙熱源熱水鍋爐裝置存在的問題

由于新型雙熱源熱水鍋爐尚處于研發(fā)狀態(tài)，因此在自動控制、管理和操作方面存在以下問題。

(1) 在主機(jī)缸套高溫淡水循環(huán)管路中，不能夠有效控制溫度，主機(jī)缸套進(jìn)出水溫差不同，導(dǎo)致缸套內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響其穩(wěn)定性。

(2) 在鍋爐淡水循環(huán)使用過程中，當(dāng)船舶耗能設(shè)備耗水量較大時，出水管內(nèi)的水來不及補(bǔ)充，會導(dǎo)致水壓降低，使溶于水中的空氣析出形成空泡，于是在管道內(nèi)壁會產(chǎn)生嚴(yán)重的空泡腐蝕，致使管壁以及鍋爐腐蝕。長時間出現(xiàn)空泡腐蝕會引起管壁破裂，甚至損壞鍋爐，影響到整個裝置的正常運(yùn)作。

(3) 流過耗能設(shè)備后的低溫淡水，會導(dǎo)致空氣中的雜質(zhì)或者污染物質(zhì)進(jìn)入水中。如果沒有經(jīng)過處理就讓水進(jìn)入鍋爐或長時間在管道中流動，將影響整個鍋爐中的淡水水質(zhì)，從而影響整個裝置的可靠性。

(4) 對于鍋爐本體，其壓力和水位不能有效控制。在長期使用過程中，鍋爐內(nèi)部環(huán)境條件也會變差，如不能及時對其內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理，則會存在很多安全隱患。因此，有必要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4 雙熱源熱水鍋爐裝置的優(yōu)化設(shè)計

為了使新型鍋爐更好、更安全、更穩(wěn)定地應(yīng)用在船舶上，對其結(jié)構(gòu)和裝置的功能做了簡要分析，并對裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

4.1 主機(jī)缸套高溫淡水管路的優(yōu)化設(shè)計

如圖2所示，經(jīng)過三通閥11流過熱交換器17之后通過回水閥16進(jìn)入主機(jī)，溫度需要控制在特定溫度，由此在出口聯(lián)箱14處設(shè)置一個溫度感應(yīng)器，控制旁通閥13以及高溫?zé)崴?2的流量。使主機(jī)高溫淡水與流過熱交換器后的淡水混合，以達(dá)到特定溫度，自動控制出水閥排水，在流量過大致使出口聯(lián)箱膨脹時，立即開啟安全閥15泄流，確保管路正常運(yùn)行。

圖2 優(yōu)化后的主機(jī)缸套高溫淡水循環(huán)管路

4.2 鍋爐水流道管路的優(yōu)化設(shè)計

如圖3所示，在鍋爐使用中，當(dāng)船舶耗能設(shè)備需要大量水時，出水管內(nèi)的水來不及補(bǔ)充，會導(dǎo)致水壓降低，使溶于水中的空氣析出形成空泡，從而管道內(nèi)壁會產(chǎn)生嚴(yán)重的空泡腐蝕，長時間的腐蝕會引起管壁破裂，甚至損壞鍋爐，影響到整個裝置正常運(yùn)作。因此，在管壁上設(shè)置一個鋼化玻璃觀察鏡20，并附裝一個壓強(qiáng)感應(yīng)器，通過觀察掌握淡水的循環(huán)量，達(dá)到控制高溫淡水泵的目的。

圖3 優(yōu)化后的鍋爐出水管系

出水閥18處設(shè)有溫度感應(yīng)器和鍋爐水位控制裝置，當(dāng)溫度低于設(shè)定出口溫度或鍋爐水位低于設(shè)定最低水位時，出水閥自動關(guān)閉。

優(yōu)化后的鍋爐回水管系如圖4所示，流過耗能設(shè)備后的低溫淡水，有可能使空氣中的雜質(zhì)或者污染物進(jìn)入水中，雜質(zhì)進(jìn)入鍋爐或長時間在管道中流動，就會影響整個鍋爐水的水質(zhì)。因此，在這個管道上設(shè)置一個水處理器21，用于處理回流的低溫淡水。

圖4 優(yōu)化后的鍋爐回水管系

水處理器后的自動控制玻璃觀察器22用于觀察處理過的低溫淡水的品質(zhì)。若經(jīng)過處理的淡水水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)，則回流三通閥23自動打開。若經(jīng)過處理后的低溫淡水質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)，則說明未處理干凈，此時通過旁通閥24再通過水處理器21處理。合格的淡水，則通過回流三通閥23回到鍋爐中，仍不合格則通過排污閥25排出裝置。

4.3 鍋爐本體的優(yōu)化設(shè)計

如圖5所示，在鍋爐下端用法蘭連接管道，并在管道上接上截止止回閥26，管道通向鍋爐頂端，同時連接排污閥27和安全閥28，并將管道固定在鍋爐的外壁上。排污閥能起到定期檢查和更換鍋爐水的作用，安全閥28控制鍋爐內(nèi)的壓強(qiáng)。

在鍋爐的上端接另一管道，管道仍固定于鍋爐外壁上，管道上連接排水閥29，同時管道上設(shè)置旁通閥30，管道上平管道處接安全閥，下端接補(bǔ)水閥31。汽水筒前端的專用管道上安裝兩個水位表32，左右各一個用于觀察鍋爐內(nèi)的水位，同時起到水位預(yù)警的作用。

船舶停航過程中，采用蒸汽機(jī)械式噴油器33替換噴油燃燒器，以提高燃油的適應(yīng)性，增大調(diào)節(jié)比，使運(yùn)行更安全可靠，而且不需要經(jīng)常清洗，其火焰也更易于控制。

4.4 優(yōu)化后的雙熱源熱水鍋爐裝置

圖5 鍋爐本體的優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化后的雙熱源熱水鍋爐裝置如圖6所示，該裝置主要由柴油機(jī)缸套高溫淡水管路、鍋爐進(jìn)出口淡水管路及鍋爐本體組成，具體組成及工作原理如前文所述。

圖6 優(yōu)化后的雙熱源熱水鍋爐裝置

5 結(jié)論

文章以船舶主柴油機(jī)缸套高溫淡水余熱利用，提高柴油機(jī)的熱效率，改善船舶動力裝置的經(jīng)濟(jì)性為目的，分析了船舶上常用的中央冷卻系統(tǒng)的組成及工作原理，并針對中央冷卻系統(tǒng)存在的船舶柴油機(jī)的熱效率較低、設(shè)備腐蝕損壞、淡水污染與浪費(fèi)等缺點(diǎn)與不足，介紹了新型雙熱源熱水鍋爐裝置的組成及工作原理。由于雙熱源熱水鍋爐在船舶上仍使用不多，還處于試驗開發(fā)階段，從結(jié)構(gòu)上分析了雙熱源熱水鍋爐裝置存在的問題，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。

[1] 吳舟超.船舶起貨機(jī)液壓系統(tǒng)可靠性分析機(jī)優(yōu)化設(shè)計研究[J].中國水運(yùn)，2012,2：89-90.

[2] 劉世杰.高溫?zé)岜没厥沾安裼蜋C(jī)余熱的應(yīng)用分析[J].集美大學(xué)學(xué)報，2010,2：133-136.

[3] 馬量.船舶主機(jī)缸套冷卻水溫度前饋——反饋控制的研究[J].船舶工程，2009,4：20-23.

[4] 王宏智.船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院學(xué)報，2006,4：17-19.

Studies on Working Principle and Optimization Designs of the Double Heat Sources Hot Water Boiler

HE Yin-gen， YANG Jiu-ming， ZHU Fa-xin， MO Shu-chang， LI Ke-jian

(Maritime College of Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316000, China)

Central cooling system is essential to normal work of marine diesel engine, however, there are also some defects or problems, such as lower thermal efficiency of marine diesel engine, equipment corrosion and damage, fresh water pollution and waste etc. Based on these problems, the paper describes the composition and working principle of a two-heat sources hot water boiler device, optimization designs of the double heat sources hot water boiler equipment are given in view of some efficiences in the double heat sources hot water boiler equipment.

Main engine Central cooling system Double heat sources hot water boiler Optimization design

2014年浙江省自然科學(xué)基金項目，編號Q14E090003；2013年浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項目，編號kg2013196；2013年浙江海洋學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)培育項目(船舶新型雙熱源熱水鍋爐研究與應(yīng)用)。

賀銀根(1993-)，男，大學(xué)本科。

U664

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