何懋華 王華生 劉正亮 楊飛飛

摘? ? 要：船舶柴油機工作時，柴油燃燒產(chǎn)生的熱能只有30%～40%轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，約有20%～25%的能量會被冷卻水系統(tǒng)帶走。如何回收利用柴油機燃燒產(chǎn)生的余熱，提高船舶的能效指數(shù)，一直是船舶設計者研究的問題。該文簡要介紹一種帶余熱回收的鍋爐熱水系統(tǒng)，此系統(tǒng)能利用柴油機燃燒產(chǎn)生的余熱，提高柴油機熱能回收率，降低燃油消耗量，既經(jīng)濟又環(huán)保。

關鍵詞：余熱回收;鍋爐熱水系統(tǒng);經(jīng)濟環(huán)保

中圖分類號：U664.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： When marine diesel engine works， only 30% of the heat energy generated by diesel combustion is converted into mechanical energy， and about 20% ～ 25% of the energy will be taken away by the cooling water system. How to recover the waste heat from diesel engine combustion and improve the energy efficiency index of ships has always been a problem studied by ship designers. This paper briefly introduces a boiler hot water system with waste heat recovery， which can make use of the waste heat generated by diesel engine combustion， improve the thermal energy recovery rate of diesel engine， reduce fuel consumption， and is economical and environmentally friendly.

Key words： Waste heat recovery; Boiler hot water system; Economic and Eco-friendly

1? ? ?前言

在寒冷環(huán)境作業(yè)的船舶或海洋平臺，生活區(qū)艙室或機器處所往往需要配置加熱設施，其中熱水鍋爐便是常選用的設備。

柴油機是利用柴油與空氣在氣缸內(nèi)混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣來推動活塞運動而提供機械能的裝置。柴油機工作時，柴油燃燒會產(chǎn)生大量的熱能，氣缸內(nèi)氣體溫度最高可達1800 ℃以上，然而燃燒產(chǎn)生的熱能只有30%～40%轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，約有20%～25%的能量會被冷卻水系統(tǒng)帶走。

如何回收利用柴油機燃燒產(chǎn)生的余熱，提高船舶能效指數(shù)一直是船舶設計者研究的問題。下面介紹一種柴油機余熱回收系統(tǒng)：

2? ? 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由兩個子系統(tǒng)組成：熱水鍋爐系統(tǒng)和柴油機缸套淡水冷卻水系統(tǒng)，如圖1所示。兩個系統(tǒng)通過相關的管路和熱交換器連接，形成一個熱交換系統(tǒng)，吸收利用柴油機運行過程中產(chǎn)生的余熱，為熱水鍋爐系統(tǒng)提供額外的能量。

系統(tǒng)主要設備見圖1。

1熱水鍋爐系統(tǒng);2柴油機缸套冷卻水系統(tǒng);3海水冷卻系統(tǒng);101熱水鍋爐;102熱媒循環(huán)泵;103加藥裝置;104第一膨脹水箱;105直通溫控閥;106安全閥;107閥;108閥;109濾器;110閥;111閥;112閥;113閥;114閥;115閥;201第一熱交換器;202柴油機;203第二熱交換器;204三通溫控閥;205第二膨脹水箱;301供暖設備;302三通溫控閥;303自動透氣閥。

3? ? 工作原理

（1）柴油機的缸套冷卻水出口與第一熱交換器第一入口之間連接由溫控三通閥自動控制;第一熱交換器第一出口與柴油機的缸套冷卻水進口之間連接有第二膨脹水箱;溫控三通閥與柴油機的缸套冷卻水進口之間連接有第二熱交換器;

（2）從柴油機的缸套冷卻水出口流出的缸套冷卻水可經(jīng)過第二熱交換器進行熱交換冷卻后，再回至柴油機缸套冷卻水進口進行循環(huán);也可通過溫控三通閥將從柴油機缸套冷卻水出口流出的冷卻水流入第一熱交換器進行熱交換，將柴油機做功產(chǎn)生的余熱交換至鍋爐熱水系統(tǒng)循環(huán)管路中;

（3）基于柴油機缸套水溫高于熱水鍋爐循環(huán)水溫，由溫控三通閥合理分配流至第一熱交換器的缸套冷卻水流量，可將柴油機運行產(chǎn)生的部分余熱交換至鍋爐熱水循環(huán)管路，服務于艙室供暖設備。

其工作原理是：通過溫控三通閥將柴油機運行產(chǎn)生的余熱剩余部分分配流入第二熱交換器，將剩余熱量交換至海水冷卻系統(tǒng)，以保證柴油機運行時缸套冷卻水進口溫度始終穩(wěn)定在85 ℃，維護柴油機的正常工作;

（4）根據(jù)柴油機要求缸套水進口溫度約為85 ℃，將溫控三通閥的溫度傳感器探頭設置在柴油機缸套水的進口，溫控三通閥至第一熱交換器進口為直通管線，溫控三通閥至第二熱交換器進口為旁通管線，優(yōu)先保證直通側的缸套水流量;

（5）三通閥初始狀態(tài)為直通側全開、旁通側全閉;隨著柴油機負荷上升，所產(chǎn)生的缸套水余熱功率也相應的上升，第一熱交換器所回收的缸套水余熱量逐步達到額定值;當缸套水余熱量大于第一熱交換器所回收余熱額定值時，溫控三通閥將減小直通側流量、增大旁通側流量，將缸套水多余的熱量交換至海水冷卻系統(tǒng);當缸套水余熱功率降低時，溫控三通閥的動作則反之;

（6）將第二膨脹水箱設置在第一熱交換器第一出口至柴油機缸套水進口的連接管路最高點，系統(tǒng)運行產(chǎn)生的氣泡會透至第二膨脹水箱，減少系統(tǒng)的氣泡含量，提高系統(tǒng)的熱交換效率;當柴油機缸套冷卻水系統(tǒng)中水量減少至一定時，可通過第二膨脹水箱進行補水，以保證系統(tǒng)的正常運行;

（7）熱媒循環(huán)泵組出口與熱水鍋爐之間連接有第一熱交換器;熱水鍋爐出口與熱媒循環(huán)泵組進口之間連接有直通溫控閥、供暖設備、三通溫控閥;

（8）熱媒循環(huán)泵驅(qū)動熱水經(jīng)熱水鍋爐系統(tǒng)依次通過第一熱交換器、熱水鍋爐對熱水進行加熱，加熱后再經(jīng)熱水鍋爐系統(tǒng)至供暖設備進行熱交換，達到供暖目的;

（9）熱水鍋爐回水溫度設定為70 ℃，出水溫度設定為85 ℃，其與柴油機缸套水進口水溫相當。在熱水鍋爐系統(tǒng)進出總管上設置直通溫控閥，溫度傳感器設置在熱水鍋爐進口，當熱水鍋爐進口處溫度高于70 ℃，說明供暖設備消耗熱能較少，直通溫控閥打開，將部分熱水就近回流至回水總管上，減少系統(tǒng)能量損耗;鍋爐燃燒器由溫度傳感器進行控制的，當鍋爐內(nèi)水溫度低于70 ℃時，燃燒器自動開啟;當水加熱至85 ℃時，燃燒器自動停止;燃燒器并無變頻措施，通過回收柴油機缸套水余熱和合理設計系統(tǒng)來降低燃燒器的工作時間，以此達到節(jié)能目的;

（10）在供暖設備熱水進出口設置三通溫控閥，通過三通溫控閥可合理分配流入供暖設備的熱水流量。當供暖設備滿負荷運行時，三通溫控閥旁通側關閉、加熱側完全打開;當供暖設備降負荷或者停止運行時，三通溫控閥旁通側部分打開或者完全打開、加熱側部分關閉或者完全關閉，減少了加熱介質(zhì)對供暖設備內(nèi)能量交換器的沖擊、腐蝕，延長了供暖設備的使用壽命，同時也降低了系統(tǒng)的能量損耗;

（11）在熱水鍋爐系統(tǒng)回水管路最高點，設置自動透氣閥，當熱水鍋爐系統(tǒng)中存有空氣泡時，空氣泡能從自動透氣閥中自動溢出，減少了熱水鍋爐系統(tǒng)中存留的空氣泡數(shù)量，有效的提高了熱水鍋爐系統(tǒng)的熱交換效率，降低了能量損耗;

（12）在熱媒水泵組單元進口總管處設置第一膨脹水箱，熱水鍋爐系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的氣泡能通過管路溢至第一膨脹水箱，從而減少熱水鍋爐系統(tǒng)中的氣泡含量，提高系統(tǒng)的熱交換效率;當熱水鍋爐系統(tǒng)水量因蒸發(fā)減少至一定時，第一膨脹水箱會自動進行補水，以保持系統(tǒng)的正常運行所需要的靜壓力;

（13）在熱媒水泵組進出口并入加藥裝置，加藥裝置設計為反沖洗高進低出形式，熱媒水泵組出口系統(tǒng)熱水反沖至加藥裝置進口，系統(tǒng)熱水與加藥裝置內(nèi)的防銹防凍藥品混合溶解，在經(jīng)過加藥裝置出口回至熱媒水泵組進口，匯入熱水鍋爐系統(tǒng)，加藥裝置有力的延緩了熱水鍋爐系統(tǒng)管路及閥附件生銹、腐蝕、結垢等情況發(fā)生，大大延長熱水鍋爐系統(tǒng)的使用壽命。

4? ? 系統(tǒng)運行維護

機械設備及系統(tǒng)在運行過程中都有出現(xiàn)故障的可能，為了保證系統(tǒng)功能在部分設備及管路出現(xiàn)故障時不受影響或不喪失全部功能，本系統(tǒng)通過精密的設備、管路及閥門配合設計，系統(tǒng)各主要功能有足夠的設計裕度，使系統(tǒng)運行、維護變得十分的可靠和便利。

（1）熱媒循環(huán)泵組合中采用在熱媒循環(huán)泵進口設置閥門、濾器;出口設置閥門。當其中一個熱媒循環(huán)泵出現(xiàn)故障需要維修或者更換時，關閉故障泵兩側的閥門進行維護或更換，從而不影響系統(tǒng)正常工作;

（2）在熱媒循環(huán)泵進口設置一個用于去除管路中鐵屑等顆粒雜質(zhì)的濾器，當濾器需要清洗濾網(wǎng)時，可關閉其中一組熱媒循環(huán)泵、閥門，一個一個進行清理，從而不影響系統(tǒng)的正常運行;必要時可在濾器進口設置壓差報警傳感器，當濾器內(nèi)部發(fā)生堵塞時，壓差報警傳感器發(fā)出聲光報警，便于工作人員及時清理;

（3）在第一熱交換器第二進出口前設置有閥門，112、113、111用作旁通，在第一熱交換器進行維護時，關閉閥門112、113，打開閥門111，從而不影響熱水鍋爐系統(tǒng)的正常運行;

（4）在熱水鍋爐進出口前設置閥門107、115，閥門114用作旁通，能夠在熱水鍋爐進行維護檢修時，關閉閥門107、115。打開閥門114，可依靠柴油機缸套冷卻水余熱維持熱水鍋爐系統(tǒng)的正常運行;

（5）在熱水鍋爐熱水進口設置有安全閥，當熱水鍋爐系統(tǒng)壓力高于設定值時，安全閥開啟自動泄壓并發(fā)出報警，將系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設定壓力范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)和設備的安全運行。

5? ? 結束語

該帶余熱回收的鍋爐熱水系統(tǒng)將柴油機缸套水余熱通過熱交換器傳送至鍋爐熱水回路，供生活供暖系統(tǒng)使用;同時通過配置溫控閥和優(yōu)化管路設計，保證了柴油機正常運行。該設計減少了鍋爐燃油的消耗量，能節(jié)約使用成本、提高船舶環(huán)保指數(shù)，符合當前節(jié)能環(huán)保的設計理念，值得推廣應用。

參考文獻

[1]黃恒祥.船舶設計實用手冊（輪機分冊）[M].北京：國防工業(yè)出版社?2013

[2]岳丹婷.工程熱力學和傳熱學[M].大連：大連海事大學出版社.1995

[3]李斌、孫裴炎.柴油機余熱加熱壓載水的可行性研究[J].大連海事大學學報.2001