带余热回收的锅炉热水系统设计

工作时，柴油燃烧产生的热能只有30%～40%转变为机械能，约有20%～25%的能量会被冷却水系统带走。如何回收利用柴油机燃烧产生的余热，提高船舶的能效指数，一直是船舶设计者研究的问题。该文简要介绍一种带余热回收的锅炉热水系统，此系统能利用柴油机燃烧产生的余热，提高柴油机热能回收率，降低燃油消耗量，既经济又环保。

关键词：余热回收;锅炉热水系统;经济环保

中图分类号：U664.8                                  文献标识码：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

在寒冷環境作业的船舶或海洋平台，生活区舱室或机器处所往往需要配置加热设施，其中热水锅炉便是常选用的设备。

柴油机是利用柴油与空气在气缸内混合燃烧，产生高温高压燃气来推动活塞运动而提供机械能的装置。柴油机工作时，柴油燃烧会产生大量的热能，气缸内气体温度最高可达1800 ℃以上，然而燃烧产生的热能只有30%～40%转变为机械能，约有20%～25%的能量会被冷却水系统带走。

如何回收利用柴油机燃烧产生的余热，提高船舶能效指数一直是船舶设计者研究的问题。下面介绍一种柴油机余热回收系统：

2    系统组成

该系统主要由两个子系统组成：热水锅炉系统和柴油机缸套淡水冷却水系统，如图1所示。两个系统通过相关的管路和热交换器连接，形成一个热交换系统，吸收利用柴油机运行过程中产生的余热，为热水锅炉系统提供额外的能量。

系统主要设备见图1。

1热水锅炉系统;2柴油机缸套冷却水系统;3海水冷却系统;101热水锅炉;102热媒循环泵;103加药装置;104第一膨胀水箱;105直通温控阀;106安全阀;107阀;108阀;109滤器;110阀;111阀;112阀;113阀;114阀;115阀;201第一热交换器;202柴油机;203第二热交换器;204三通温控阀;205第二膨胀水箱;301供暖设备;302三通温控阀;303自动透气阀。

3    工作原理

（1）柴油机的缸套冷却水出口与第一热交换器第一入口之间连接由温控三通阀自动控制;第一热交换器第一出口与柴油机的缸套冷却水进口之间连接有第二膨胀水箱;温控三通阀与柴油机的缸套冷却水进口之间连接有第二热交换器;

（2）从柴油机的缸套冷却水出口流出的缸套冷却水可经过第二热交换器进行热交换冷却后，再回至柴油机缸套冷却水进口进行循环;也可通过温控三通阀将从柴油机缸套冷却水出口流出的冷却水流入第一热交换器进行热交换，将柴油机做功产生的余热交换至锅炉热水系统循环管路中;

（3）基于柴油机缸套水温高于热水锅炉循环水温，由温控三通阀合理分配流至第一热交换器的缸套冷却水流量，可将柴油机运行产生的部分余热交换至锅炉热水循环管路，服务于舱室供暖设备。

其工作原理是：通过温控三通阀将柴油机运行产生的余热剩余部分分配流入第二热交换器，将剩余热量交换至海水冷却系统，以保证柴油机运行时缸套冷却水进口温度始终稳定在85 ℃，维护柴油机的正常工作;

（4）根据柴油机要求缸套水进口温度约为85 ℃，将温控三通阀的温度传感器探头设置在柴油机缸套水的进口，温控三通阀至第一热交换器进口为直通管线，温控三通阀至第二热交换器进口为旁通管线，优先保证直通侧的缸套水流量;

（5）三通阀初始状态为直通侧全开、旁通侧全闭;随着柴油机负荷上升，所产生的缸套水余热功率也相应的上升，第一热交换器所回收的缸套水余热量逐步达到额定值;当缸套水余热量大于第一热交换器所回收余热额定值时，温控三通阀将减小直通侧流量、增大旁通侧流量，将缸套水多余的热量交换至海水冷却系统;当缸套水余热功率降低时，温控三通阀的动作则反之;

（6）将第二膨胀水箱设置在第一热交换器第一出口至柴油机缸套水进口的连接管路最高点，系统运行产生的气泡会透至第二膨胀水箱，减少系统的气泡含量，提高系统的热交换效率;当柴油机缸套冷却水系统中水量减少至一定时，可通过第二膨胀水箱进行补水，以保证系统的正常运行;

（7）热媒循环泵组出口与热水锅炉之間连接有第一热交换器;热水锅炉出口与热媒循环泵组进口之间连接有直通温控阀、供暖设备、三通温控阀;

（8）热媒循环泵驱动热水经热水锅炉系统依次通过第一热交换器、热水锅炉对热水进行加热，加热后再经热水锅炉系统至供暖设备进行热交换，达到供暖目的;

（9）热水锅炉回水温度设定为70 ℃，出水温度设定为85 ℃，其与柴油机缸套水进口水温相当。在热水锅炉系统进出总管上设置直通温控阀，温度传感器设置在热水锅炉进口，当热水锅炉进口处温度高于70 ℃，说明供暖设备消耗热能较少，直通温控阀打开，将部分热水就近回流至回水总管上，减少系统能量损耗;锅炉燃烧器由温度传感器进行控制的，当锅炉内水温度低于70 ℃时，燃烧器自动开启;当水加热至85 ℃时，燃烧器自动停止;燃烧器并无变频措施，通过回收柴油机缸套水余热和合理设计系统来降低燃烧器的工作时间，以此达到节能目的;

（10）在供暖设备热水进出口设置三通温控阀，通过三通温控阀可合理分配流入供暖设备的热水流量。当供暖设备满负荷运行时，三通温控阀旁通侧关闭、加热侧完全打开;当供暖设备降负荷或者停止运行时，三通温控阀旁通侧部分打开或者完全打开、加热侧部分关闭或者完全关闭，减少了加热介质对供暖设备内能量交换器的冲击、腐蚀，延长了供暖设备的使用寿命，同时也降低了系统的能量损耗;

（11）在热水锅炉系统回水管路最高点，设置自动透气阀，当热水锅炉系统中存有空气泡时，空气泡能从自动透气阀中自动溢出，减少了热水锅炉系统中存留的空气泡数量，有效的提高了热水锅炉系统的热交换效率，降低了能量损耗;

（12）在热媒水泵组单元进口总管处设置第一膨胀水箱，热水锅炉系统运行时产生的气泡能通过管路溢至第一膨胀水箱，从而减少热水锅炉系统中的气泡含量，提高系统的热交换效率;当热水锅炉系统水量因蒸发减少至一定时，第一膨胀水箱会自动进行补水，以保持系统的正常运行所需要的静压力;

（13）在热媒水泵组进出口并入加药装置，加药装置设计为反冲洗高进低出形式，热媒水泵组出口系统热水反冲至加药装置进口，系统热水与加药装置内的防锈防冻药品混合溶解，在经过加药装置出口回至热媒水泵组进口，汇入热水锅炉系统，加药装置有力的延缓了热水锅炉系统管路及阀附件生锈、腐蚀、结垢等情况发生，大大延长热水锅炉系统的使用寿命。

4    系统运行维护

机械设备及系统在运行过程中都有出现故障的可能，为了保证系统功能在部分设备及管路出现故障时不受影响或不丧失全部功能，本系统通过精密的设备、管路及阀门配合设计，系统各主要功能有足够的设计裕度，使系统运行、维护变得十分的可靠和便利。

（1）热媒循环泵组合中采用在热媒循环泵进口设置阀门、滤器;出口设置阀门。当其中一个热媒循环泵出现故障需要维修或者更换时，关闭故障泵两侧的阀门进行维护或更换，从而不影响系统正常工作;

（2）在热媒循环泵进口设置一个用于去除管路中铁屑等颗粒杂质的滤器，当滤器需要清洗滤网时，可关闭其中一组热媒循环泵、阀门，一个一个进行清理，从而不影响系统的正常运行;必要时可在滤器进口设置压差报警传感器，当滤器内部发生堵塞时，压差报警传感器发出声光报警，便于工作人员及时清理;

（3）在第一热交换器第二进出口前设置有阀门，112、113、111用作旁通，在第一热交换器进行维护时，关闭阀门112、113，打开阀门111，从而不影响热水锅炉系统的正常运行;

（4）在热水锅炉进出口前设置阀门107、115，阀门114用作旁通，能够在热水锅炉进行维护检修时，关闭阀门107、115。打开阀门114，可依靠柴油机缸套冷却水余热维持热水锅炉系统的正常运行;

（5）在热水锅炉热水进口设置有安全阀，当热水锅炉系统压力高于设定值时，安全阀开启自动泄压并发出报警，将系统压力稳定在设定压力范围内，保证了系统和设备的安全运行。

5    结束语

该带余热回收的锅炉热水系统将柴油机缸套水余热通过热交换器传送至锅炉热水回路，供生活供暖系统使用;同时通过配置温控阀和优化管路设计，保证了柴油机正常运行。该设计减少了锅炉燃油的消耗量，能节约使用成本、提高船舶环保指数，符合当前节能环保的设计理念，值得推广应用。

参考文献

[1]黄恒祥.船舶设计实用手册（轮机分册）[M].北京：国防工业出版社 2013

[2]岳丹婷.工程热力学和传热学[M].大连：大连海事大学出版社.1995

[3]李斌、孙裴炎.柴油机余热加热压载水的可行性研究[J].大连海事大学学报.2001

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