淺析船用增壓鍋爐熱力性能及余熱回收技術(shù)

林钷（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱，150000）

淺析船用增壓鍋爐熱力性能及余熱回收技術(shù)

林钷
（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱，150000）

目前，鍋爐仍然在采用蒸汽動(dòng)力裝置的艦船中起著非常重要的作用。而船用增壓鍋爐作為一種重量輕，尺寸小，性能優(yōu)良的船用鍋爐，對(duì)提高船用蒸汽動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性扮演著極其重要的角色。本文對(duì)船用增壓鍋爐的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成做簡(jiǎn)要介紹，并利用了物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)其熱力性能以及余熱熱力性能參數(shù)變化規(guī)律做詳細(xì)闡述，旨在提高增壓鍋爐機(jī)組的工作效率，為同行提供一些理論參考依據(jù)。

增壓鍋爐；熱力性能參數(shù)；動(dòng)態(tài)特性；余熱

目前，船用主鍋爐的研制要求效率高、重量尺寸小、可靠性高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、可維護(hù)性好等，另外還要求提高鍋爐及整個(gè)動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性。一般來(lái)說(shuō)，大型船舶的動(dòng)力裝置很多采用蒸汽動(dòng)力為主動(dòng)力裝置。利用鍋爐把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成熱能，再由汽輪機(jī)把熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，進(jìn)而為船舶提供驅(qū)動(dòng)力。在這其中，增壓鍋爐因其相對(duì)于其他常規(guī)鍋爐尺寸小，效率高等特點(diǎn)，而成為大型船舶首選主動(dòng)力裝置。因而，做好增壓鍋爐的熱力性能的研究，對(duì)提升主動(dòng)力裝置的工作效率，節(jié)省燃料，保證整個(gè)機(jī)組的可靠運(yùn)行都有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 增壓鍋爐概述

1.1 增壓鍋爐工作原理

所謂增壓鍋爐，就是利用壓氣機(jī)替代汽輪鼓風(fēng)機(jī)向鍋爐輸送空氣的鍋爐。當(dāng)鍋爐內(nèi)燃燒燃料時(shí)，增加爐內(nèi)的壓強(qiáng)，使得鍋爐內(nèi)長(zhǎng)期保持高壓狀態(tài)，強(qiáng)化了爐膛以及對(duì)流受熱面的傳熱，使得燃料得以充分燃燒，大幅度節(jié)省了燃料，同時(shí)提升了整個(gè)動(dòng)力裝置的工作效率。同時(shí)，也使得鍋爐的體積和重量都大幅度減小，這對(duì)于海上航行的船舶是一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)，因此，增壓鍋爐被廣泛應(yīng)用于大型船舶動(dòng)力裝置中。對(duì)于進(jìn)入鍋爐的空氣，是利用專門(mén)的渦輪增壓機(jī)組來(lái)完成的，進(jìn)入鍋爐的空氣壓強(qiáng)一般在0.2-0.4MPa左右（壓強(qiáng)太高對(duì)鍋爐的制作材料要求比較高，技術(shù)要求也比較高，爐內(nèi)壓強(qiáng)太低不利于燃料充分燃燒的實(shí)現(xiàn)。）進(jìn)入爐內(nèi)的空氣通過(guò)動(dòng)力裝置中煙氣凈化裝置流入整個(gè)系統(tǒng)，煙氣凈化器會(huì)對(duì)流入的空氣做進(jìn)一步的凈化處理，再由增壓機(jī)組輸送到煙氣渦輪機(jī)，煙氣渦輪機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)一步把空氣輸送到壓氣機(jī)，空氣在壓氣機(jī)內(nèi)被壓縮后，壓強(qiáng)增加，即達(dá)到0.2-0.4MPa，再由空氣通道進(jìn)入鍋爐內(nèi)，進(jìn)而與燃料充分混合，實(shí)現(xiàn)鍋爐內(nèi)燃料的充分燃燒。

1.2 增壓鍋爐系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)在定義的增壓鍋爐，更多的是指利用渦輪增壓機(jī)組的渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)替代常規(guī)鍋爐的汽輪鼓風(fēng)機(jī)向鍋爐爐膛輸送助燃?jí)嚎s空氣，幫助鍋爐內(nèi)燃料實(shí)現(xiàn)充分燃燒的的鍋爐。由于其投資成本高，而且對(duì)相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)要求也比較高，因此很多情況下應(yīng)用在大型水面艦艇上。增壓鍋爐相較于常規(guī)鍋爐最大的優(yōu)勢(shì)就是大大提高的了燃料的利用率，節(jié)省了空間，為船舶在海上航行提供了動(dòng)力保障。

1.3 增壓鍋爐裝置組成

一個(gè)完整的用于船舶的增壓鍋爐裝置主要由三部分組成，具體包括增壓鍋爐本體、渦輪增壓機(jī)組及相關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)。鍋爐本體則主要用來(lái)進(jìn)行熱交換，主要由爐膛、蒸發(fā)管束、經(jīng)濟(jì)器等組成。渦輪增加機(jī)組主要向本體爐膛中提供壓縮空氣助燃，主要由煙氣渦輪機(jī)、壓氣機(jī)及附加功率發(fā)動(dòng)機(jī)組成。監(jiān)控系統(tǒng)則主要用來(lái)監(jiān)控整個(gè)動(dòng)力裝置，對(duì)增壓鍋爐的整個(gè)工作過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)發(fā)出警報(bào)以及自動(dòng)進(jìn)行連鎖應(yīng)急處理，保障整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的正常工作。值得一提的是，由于增壓鍋爐要長(zhǎng)期承受高壓，對(duì)鍋爐殼體本身的制造材料和制造工藝有特殊要求。

2 船用增壓鍋爐熱力性能參數(shù)變化規(guī)律

2.1 爐膛容積熱負(fù)荷、增壓比、蒸汽產(chǎn)量變化規(guī)律

對(duì)于船用增壓鍋爐來(lái)說(shuō)，燃料的燃燒效率與其受熱面積、爐膛容積熱負(fù)荷等有關(guān)系，而爐膛容積熱負(fù)荷是最主要的熱力性能參數(shù)，大量實(shí)驗(yàn)表明，爐膛容積熱負(fù)荷與爐膛中空氣增壓比近似成線性關(guān)系，公式（1）表明爐膛容積熱負(fù)荷與空氣增壓比之間的具體關(guān)系，下面做進(jìn)一步的討論。

由式（1）可知，爐膛容積熱負(fù)荷同燃料消耗量成正比關(guān)系，也就是說(shuō)，當(dāng)送入鍋爐內(nèi)的熱量越多，爐膛容積熱負(fù)荷也就越高。同樣，當(dāng)鍋爐內(nèi)的增壓比越高時(shí)，爐膛容積熱負(fù)荷也越高。鍋爐內(nèi)增壓比升高，爐膛傳熱強(qiáng)化，燃料的受熱面積增加，燃燒更充分，為汽輪機(jī)提供了更多的蒸汽產(chǎn)量，經(jīng)大量試驗(yàn)證明，提高的趨勢(shì)相當(dāng)明顯。因此，提高鍋爐內(nèi)的增壓比對(duì)燃料的利用效率提高有重要作用。

2.2 過(guò)熱蒸汽溫度及經(jīng)濟(jì)器出口水溫變化規(guī)律

增壓鍋爐在整個(gè)工作過(guò)程中，內(nèi)部發(fā)生的變化是十分復(fù)雜的，影響鍋爐的熱力性能因素也非常多，且這些因素檢測(cè)起來(lái)有一定的難度，需要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，才能找到其中的規(guī)律，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力裝置的系統(tǒng)做進(jìn)一步的優(yōu)化，提高燃料的燃燒效率，節(jié)省燃料成本。下面來(lái)討論過(guò)熱蒸汽溫度及經(jīng)濟(jì)器出口水溫變化規(guī)律，增壓鍋爐在工作過(guò)程中，鍋爐負(fù)荷在不斷變化，其會(huì)造成流過(guò)過(guò)熱器的蒸汽量和煙氣量的改變，同時(shí)，過(guò)熱蒸汽的溫度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)然，這種變化雖然受到很多不同的因素的影響，但其呈現(xiàn)一定的規(guī)律。影響因素包括過(guò)熱器放置的位置、過(guò)熱器的種類、煙氣的流速等等。其中，放置的位置影響最大，且放置在不同的位置變化規(guī)律也不相同，放在爐膛里的輻射式過(guò)熱器和放在對(duì)流煙道中的對(duì)流式過(guò)熱器的過(guò)熱蒸汽的汽溫變化規(guī)律相反，輻射式過(guò)熱器出口的汽溫隨負(fù)荷的增加而下降，這主要是因?yàn)樵鰤哄仩t工作時(shí)，爐膛內(nèi)的溫度升高，但爐膛內(nèi)的熱負(fù)荷增加速度比過(guò)熱器吸收的速度快很多，使得過(guò)熱器的蒸汽分?jǐn)偟降臒崃繙p少。而對(duì)流式過(guò)熱器汽溫則隨負(fù)荷的增加而升高。影響對(duì)流式過(guò)熱器的過(guò)熱蒸汽的汽溫變化的因素則主要是煙氣的流速，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，流過(guò)過(guò)熱器的煙氣速度與負(fù)荷成同時(shí)增加，同時(shí)，流過(guò)的煙氣溫度也有所增加，因此導(dǎo)致對(duì)流式過(guò)熱器蒸汽溫度增加。

2.3 爐膛理論燃燒溫度及爐膛出口煙溫變化規(guī)律

在動(dòng)力裝置工作的過(guò)程中，增壓鍋爐中的燃料燃燒效率多少至關(guān)重要，燃燒效率越高，則在單位時(shí)間內(nèi)提供的熱量越多，提供的動(dòng)力越強(qiáng)勁。同時(shí)，燃料燃燒越充分，整個(gè)系統(tǒng)的效率越高，經(jīng)濟(jì)性越高。影響燃料燃燒效率的因素有很多，除了燃料本身是否燃燒充分、增壓比等因素外，爐膛吸收熱量多少也是影響其燃燒效率的重要因素。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，爐膛吸收熱量與燃料消耗量、爐膛理論燃燒溫度的煙氣的焓值以及爐膛出口煙溫的煙氣的焓值有關(guān)，具體關(guān)系表示為∶

可以看出，爐膛吸收熱量與燃料的消耗量呈線性關(guān)系。另外，由于爐膛的導(dǎo)熱溫差的降低，爐膛吸熱量占總吸熱量的比例隨著負(fù)荷的增加而降低，因此，為了減少爐膛的吸熱量，可以適當(dāng)提高爐膛內(nèi)負(fù)荷的增速。

2.4管束傳熱與流動(dòng)特性變化規(guī)律

在增壓鍋爐工作的過(guò)程中，從壓縮空氣進(jìn)入爐膛內(nèi)與燃料混合開(kāi)始燃燒開(kāi)始，爐膛內(nèi)產(chǎn)生的氣體越來(lái)越多，爐膛內(nèi)的壓力不斷增加。隨著鍋爐內(nèi)增壓比的提高，煙氣密度增大，單位容積內(nèi)煙氣分子也就越多，這些煙氣分子與排煙管道的管壁不斷碰撞，兩者之間的熱交換程度越來(lái)越強(qiáng)烈，即產(chǎn)生的煙道阻力，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，煙道阻力與煙氣線性流速、煙氣密度等有關(guān)，具體關(guān)系可以表示為：

由式（3）可知，煙道阻力與煙氣線性流速的平方、煙氣密度以及鍋爐內(nèi)的增壓比呈正比例關(guān)系。但是，隨著鍋爐內(nèi)增壓比（也可以看做鍋爐負(fù)荷增加）增加、煙氣線性流速的變化不大，即其對(duì)煙道阻力的影響不大，而鍋爐內(nèi)的增壓比增加，煙氣密度的增加比較明顯，即煙氣密度是影響較大。

2.5 增壓鍋爐熱損失及效率變化規(guī)律

在增壓鍋爐工作的過(guò)程中，由于增壓鍋爐中機(jī)組構(gòu)件相互摩擦，自身保溫及排放會(huì)造成一定的熱損失，這些也是影響鍋爐內(nèi)燃料的燃燒效率的重要影響因素。影響增壓鍋爐爐熱損失的因素包括渦輪增壓機(jī)組機(jī)械摩擦熱損失，散熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失以及排放熱損失等。其中增壓鍋爐渦輪增壓機(jī)組機(jī)械熱損失、化學(xué)不完全燃燒熱損失會(huì)隨著鍋爐內(nèi)負(fù)荷的增加而減小，散熱損失也很小。所以，這三項(xiàng)實(shí)際上對(duì)增壓火爐爐熱損失的影響不算太大。而影響最大的當(dāng)屬排放熱損失，與其他三項(xiàng)不同，隨著鍋爐內(nèi)負(fù)荷增加，排煙熱損失也隨著增加，且增加的趨勢(shì)較為明顯。綜上，可以看出，隨著增壓鍋爐內(nèi)負(fù)荷增加，鍋爐內(nèi)的爐熱損失也增加，燃料的燃燒效率也就越低，其經(jīng)濟(jì)性也不斷降低。

3 增壓鍋爐余熱熱力性能參數(shù)變化規(guī)律

3.1 余熱鍋爐入口參數(shù)、蒸汽產(chǎn)量變化規(guī)律

增壓鍋爐排出的煙氣溫度相當(dāng)高，這占據(jù)了整個(gè)機(jī)組熱損失的非常大的一部分比例。因此，如何對(duì)這些余熱進(jìn)行處理和利用也是提高整個(gè)動(dòng)力裝置效率所需要考慮的問(wèn)題。在整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)中，如果有專門(mén)的余熱鍋爐用來(lái)接收增壓鍋爐產(chǎn)生的尾氣，就可以大幅降低系統(tǒng)排煙溫度，根據(jù)卡諾循環(huán)原理，這個(gè)系統(tǒng)的效率越高。增壓鍋爐的工作工況變化很大，鍋爐的負(fù)荷變化也比較快，這給余熱鍋爐的設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度。所以，除了考慮其設(shè)置位置以外，還要保證余熱鍋爐能在不同的工況下工作，并能做到智能調(diào)節(jié)。增壓鍋爐工作要配合船舶航行需要，提供的蒸汽也在隨時(shí)變化，而余熱鍋爐的入口參數(shù)、蒸汽產(chǎn)量也隨之變化。隨著增壓鍋爐內(nèi)負(fù)荷增加，余熱鍋爐的入口煙溫與蒸汽產(chǎn)量增加。

3.2 節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)余熱鍋爐設(shè)計(jì)的影響

在余熱鍋爐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要依靠的依據(jù)是節(jié)點(diǎn)溫差，其直接決定了增壓鍋爐的出口煙溫以及余熱鍋爐的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)表明，隨著節(jié)點(diǎn)溫差的減小，余熱鍋爐的效率也隨之提高，因此，理論上節(jié)點(diǎn)溫差越低，余熱利用率越高。但實(shí)際的情況是節(jié)點(diǎn)溫差不可能降為零，因?yàn)檫@將導(dǎo)致余熱鍋爐的換熱面積增為無(wú)窮大，這種情況根本不可能發(fā)生，因此，在余熱鍋爐的設(shè)計(jì)時(shí)，要準(zhǔn)確分析節(jié)點(diǎn)溫差對(duì)余熱鍋爐利用率影響，選擇合適的節(jié)點(diǎn)溫差作為設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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林钷（1982-），男，工程師，從事船用增壓鍋爐和余熱鍋爐相關(guān)研究10年。