帶余熱回收的鍋爐熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何懋華 王華生 劉正亮 楊飛飛

摘? ? 要：船舶柴油機(jī)工作時(shí)，柴油燃燒產(chǎn)生的熱能只有30%～40%轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，約有20%～25%的能量會(huì)被冷卻水系統(tǒng)帶走。如何回收利用柴油機(jī)燃燒產(chǎn)生的余熱，提高船舶的能效指數(shù)，一直是船舶設(shè)計(jì)者研究的問題。該文簡(jiǎn)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(jī)燃燒產(chǎn)生的余熱，提高柴油機(jī)熱能回收率，降低燃油消耗量，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

關(guān)鍵詞：余熱回收;鍋爐熱水系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)環(huán)保

中圖分類號(hào)：U664.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(tái)，生活區(qū)艙室或機(jī)器處所往往需要配置加熱設(shè)施，其中熱水鍋爐便是常選用的設(shè)備。

柴油機(jī)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?xì)鈦硗苿?dòng)活塞運(yùn)動(dòng)而提供機(jī)械能的裝置。柴油機(jī)工作時(shí)，柴油燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，氣缸內(nèi)氣體溫度最高可達(dá)1800 ℃以上，然而燃燒產(chǎn)生的熱能只有30%～40%轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，約有20%～25%的能量會(huì)被冷卻水系統(tǒng)帶走。

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

2? ? 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：熱水鍋爐系統(tǒng)和柴油機(jī)缸套淡水冷卻水系統(tǒng)，如圖1所示。兩個(gè)系統(tǒng)通過相關(guān)的管路和熱交換器連接，形成一個(gè)熱交換系統(tǒng)，吸收利用柴油機(jī)運(yùn)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(shè)備見圖1。

1熱水鍋爐系統(tǒng);2柴油機(jī)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(jī);203第二熱交換器;204三通溫控閥;205第二膨脹水箱;301供暖設(shè)備;302三通溫控閥;303自動(dòng)透氣閥。

3? ? 工作原理

（1）柴油機(jī)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(dòng)控制;第一熱交換器第一出口與柴油機(jī)的缸套冷卻水進(jìn)口之間連接有第二膨脹水箱;溫控三通閥與柴油機(jī)的缸套冷卻水進(jìn)口之間連接有第二熱交換器;

（2）從柴油機(jī)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(jìn)行熱交換冷卻后，再回至柴油機(jī)缸套冷卻水進(jìn)口進(jìn)行循環(huán);也可通過溫控三通閥將從柴油機(jī)缸套冷卻水出口流出的冷卻水流入第一熱交換器進(jìn)行熱交換，將柴油機(jī)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(jī)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(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的部分余熱交換至鍋爐熱水循環(huán)管路，服務(wù)于艙室供暖設(shè)備。

其工作原理是：通過溫控三通閥將柴油機(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)行時(shí)缸套冷卻水進(jìn)口溫度始終穩(wěn)定在85 ℃，維護(hù)柴油機(jī)的正常工作;

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

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

（6）將第二膨脹水箱設(shè)置在第一熱交換器第一出口至柴油機(jī)缸套水進(jìn)口的連接管路最高點(diǎn)，系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的氣泡會(huì)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(dāng)柴油機(jī)缸套冷卻水系統(tǒng)中水量減少至一定時(shí)，可通過第二膨脹水箱進(jìn)行補(bǔ)水，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)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(jìn)口之間連接有直通溫控閥、供暖設(shè)備、三通溫控閥;

（8）熱媒循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)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(duì)熱水進(jìn)行加熱，加熱后再經(jīng)熱水鍋爐系統(tǒng)至供暖設(shè)備進(jìn)行熱交換，達(dá)到供暖目的;

（9）熱水鍋爐回水溫度設(shè)定為70 ℃，出水溫度設(shè)定為85 ℃，其與柴油機(jī)缸套水進(jìn)口水溫相當(dāng)。在熱水鍋爐系統(tǒng)進(jìn)出總管上設(shè)置直通溫控閥，溫度傳感器設(shè)置在熱水鍋爐進(jìn)口，當(dāng)熱水鍋爐進(jìn)口處溫度高于70 ℃，說明供暖設(shè)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(jìn)行控制的，當(dāng)鍋爐內(nèi)水溫度低于70 ℃時(shí)，燃燒器自動(dòng)開啟;當(dāng)水加熱至85 ℃時(shí)，燃燒器自動(dòng)停止;燃燒器并無變頻措施，通過回收柴油機(jī)缸套水余熱和合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)來降低燃燒器的工作時(shí)間，以此達(dá)到節(jié)能目的;

（10）在供暖設(shè)備熱水進(jìn)出口設(shè)置三通溫控閥，通過三通溫控閥可合理分配流入供暖設(shè)備的熱水流量。當(dāng)供暖設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，三通溫控閥旁通側(cè)關(guān)閉、加熱側(cè)完全打開;當(dāng)供暖設(shè)備降負(fù)荷或者停止運(yùn)行時(shí)，三通溫控閥旁通側(cè)部分打開或者完全打開、加熱側(cè)部分關(guān)閉或者完全關(guān)閉，減少了加熱介質(zhì)對(duì)供暖設(shè)備內(nèi)能量交換器的沖擊、腐蝕，延長(zhǎng)了供暖設(shè)備的使用壽命，同時(shí)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(diǎn)，設(shè)置自動(dòng)透氣閥，當(dāng)熱水鍋爐系統(tǒng)中存有空氣泡時(shí)，空氣泡能從自動(dòng)透氣閥中自動(dòng)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(jìn)口總管處設(shè)置第一膨脹水箱，熱水鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(dāng)熱水鍋爐系統(tǒng)水量因蒸發(fā)減少至一定時(shí)，第一膨脹水箱會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)水，以保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行所需要的靜壓力;

（13）在熱媒水泵組進(jìn)出口并入加藥裝置，加藥裝置設(shè)計(jì)為反沖洗高進(jìn)低出形式，熱媒水泵組出口系統(tǒng)熱水反沖至加藥裝置進(jìn)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(jìn)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(jié)垢等情況發(fā)生，大大延長(zhǎng)熱水鍋爐系統(tǒng)的使用壽命。

4? ? 系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)

機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)在運(yùn)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(shè)備及管路出現(xiàn)故障時(shí)不受影響或不喪失全部功能，本系統(tǒng)通過精密的設(shè)備、管路及閥門配合設(shè)計(jì)，系統(tǒng)各主要功能有足夠的設(shè)計(jì)裕度，使系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)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(jìn)口設(shè)置閥門、濾器;出口設(shè)置閥門。當(dāng)其中一個(gè)熱媒循環(huán)泵出現(xiàn)故障需要維修或者更換時(shí)，關(guān)閉故障泵兩側(cè)的閥門進(jìn)行維護(hù)或更換，從而不影響系統(tǒng)正常工作;

（2）在熱媒循環(huán)泵進(jìn)口設(shè)置一個(gè)用于去除管路中鐵屑等顆粒雜質(zhì)的濾器，當(dāng)濾器需要清洗濾網(wǎng)時(shí)，可關(guān)閉其中一組熱媒循環(huán)泵、閥門，一個(gè)一個(gè)進(jìn)行清理，從而不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行;必要時(shí)可在濾器進(jìn)口設(shè)置壓差報(bào)警傳感器，當(dāng)濾器內(nèi)部發(fā)生堵塞時(shí)，壓差報(bào)警傳感器發(fā)出聲光報(bào)警，便于工作人員及時(shí)清理;

（3）在第一熱交換器第二進(jìn)出口前設(shè)置有閥門，112、113、111用作旁通，在第一熱交換器進(jìn)行維護(hù)時(shí)，關(guān)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(yùn)行;

（4）在熱水鍋爐進(jìn)出口前設(shè)置閥門107、115，閥門114用作旁通，能夠在熱水鍋爐進(jìn)行維護(hù)檢修時(shí)，關(guān)閉閥門107、115。打開閥門114，可依靠柴油機(jī)缸套冷卻水余熱維持熱水鍋爐系統(tǒng)的正常運(yùn)行;

（5）在熱水鍋爐熱水進(jìn)口設(shè)置有安全閥，當(dāng)熱水鍋爐系統(tǒng)壓力高于設(shè)定值時(shí)，安全閥開啟自動(dòng)泄壓并發(fā)出報(bào)警，將系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力范圍內(nèi)，保證了系統(tǒng)和設(shè)備的安全運(yùn)行。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

該帶余熱回收的鍋爐熱水系統(tǒng)將柴油機(jī)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(shí)通過配置溫控閥和優(yōu)化管路設(shè)計(jì)，保證了柴油機(jī)正常運(yùn)行。該設(shè)計(jì)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(dāng)前節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念，值得推廣應(yīng)用。

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