贺银根， 杨九明， 朱发新， 莫树常， 李克健

(浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院， 浙江 舟山 316000)

双热源热水锅炉装置工作原理及优化设计

贺银根， 杨九明， 朱发新， 莫树常， 李克健

(浙江海洋学院 海运与港航建筑工程学院， 浙江 舟山 316000)

中央冷却系统对于船舶柴油机的正常工作是必不可少的，但是也存在着船舶柴油机的热效率较低、设备腐蚀损坏、淡水污染与浪费等问题。针对这些问题，介绍了一种双热源热水锅炉装置的组成及工作原理，并针对双热源锅炉装置存在的问题与不足进行了优化设计。

主机 中央冷却系统 双热源热水锅炉 优化设计

1 引言

柴油机作为船舶的主推进动力装置，具有热效率高、功率范围广、机动性好、可直接反转等优点，在现代货物运输中发挥了很大的作用。尽管柴油机在内燃机中热效率最高，但是也只有50%左右，其余部分则通过冷却水、排气等损失掉。其中主机缸套冷却水带走的热量高达20%～30%，如何充分利用船舶缸套冷却水的余热、提高柴油机的热效率，以及改善船舶动力装置的经济性，成为了众多专家和学者研究的热点。

2 船舶中央冷却系统简介

2.1 船舶中央冷却系统组成及工作原理

船舶中央冷却系统由高温淡水系统 、低温淡水系统和海水系统组成，具体工作原理为：高温淡水系统中的高温淡水主要用于冷却主机燃烧室部件(缸套等)，通过主机出口温度调节阀，将主机出来的冷却水保持在70℃左右，然后进入除气柜，除去其中的空气到达造水机，利用余热提高主机的效率，高温淡水在缸套水冷却器中经过低温淡水的冷却，温度降低，再次进入主机对主机燃烧室零部件进行冷却降温，从而循环往复。

海水系统中海水由海水泵从海底门吸入，经海水管路到达中央冷却器的海水入口，在中央冷却器内与低温淡水进行热量交换，从海水出口排出，大部分海水直接经海水管路排出舷外，其余海水在海水入口温度调节阀的作用下重新进入海水泵吸入口，调节进入中央冷却器的海水温度。

2.2 中央冷却系统存在的问题

在船舶中央冷却系统中，海水与低温淡水发生热量交换，海水温度升高后，大部分海水排出舷外，同时也带走热量，降低了船舶柴油机的热效率。

在船舶中央冷却系统中，循环的海水具有腐蚀性，会腐蚀中央冷却器和管路，增加了船舶柴油机缸套中央冷却系统的维护保养工作，降低了设备及管路的使用寿命。

海水的腐蚀也可能导致设备及管路等穿孔泄漏。一旦海水泄漏到淡水中，不仅造成淡水污染，影响冷却效果，还会造成淡水的浪费、设备的损坏等。

3 双热源热水锅炉装置简介

3.1 柴油机缸套冷却水余热利用的可行性分析

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船舶中央冷却系统对于船舶柴油机的正常工作是必不可少的，不仅可以维持柴油机燃烧室受热部件的足够强度，减少受热部件的热应力避免损坏，还可以保证运动部件具有适当的间隙和油膜。但也存在着船舶柴油机的热效率较低、设备腐蚀损坏、淡水污染与浪费等问题。

受到船舶空间的限制，淡水的携带量是有限的，因而对淡水的充分高效合理利用具有重大意义。双热源热水锅炉的最大优点之一就是能够循环高效利用淡水，并且不需要海水，避免了设备腐蚀及损坏等问题。

中型的客船、客货船因人员较多，对能量和淡水的需求量都很大。油船主要用于运输原油，为了防止原油的凝固不能卸油，则需要大量的热量对原油加热，也对能量有大量的需求，因此双热源锅炉最适用于油船、客船、客货船等船舶。

加热后的锅炉水被间接作为船舶耗能的热源，加热燃油、滑油和锅炉给水，燃油舱(或燃油柜)，同时可为生活用水及舱室供暖，或作吸收式制冷装置的热源等[2]。

3.2 双热源热水锅炉装置工作原理

如图1所示为新型双热源热水锅炉装置的结构及组成部件。本热水锅炉能在航行中有效利用主机缸套高温淡水，通过热水锅炉内部高温淡水热交换器10使热水锅炉水温加热到60 ℃～70℃，为各耗能设备提供热源。

在停航时，该装置还能通过燃油燃烧器9点火升温使热水锅炉为耗能设备供热，因此有了双热源热水锅炉装置还可以省掉主机暖缸系统。在停航中通过热水锅炉高温淡水热交换器为主机暖缸。该装置对于每个耗能设备加热器采用管式离心泵3强制循环，回水管安装钢化玻璃观察镜6可以方便检测耗能设备加热器是否破损，回水管安装温度传感器可以通过检测回水温度控制管式离心泵3的转速，从而控制加热温度。

图1 双热源热水锅炉装置图

3.3 双热源热水锅炉装置存在的问题

由于新型双热源热水锅炉尚处于研发状态，因此在自动控制、管理和操作方面存在以下问题。

(1) 在主机缸套高温淡水循环管路中，不能够有效控制温度，主机缸套进出水温差不同，导致缸套内部产生热应力，影响其稳定性。

(2) 在锅炉淡水循环使用过程中，当船舶耗能设备耗水量较大时，出水管内的水来不及补充，会导致水压降低，使溶于水中的空气析出形成空泡，于是在管道内壁会产生严重的空泡腐蚀，致使管壁以及锅炉腐蚀。长时间出现空泡腐蚀会引起管壁破裂，甚至损坏锅炉，影响到整个装置的正常运作。

(3) 流过耗能设备后的低温淡水，会导致空气中的杂质或者污染物质进入水中。如果没有经过处理就让水进入锅炉或长时间在管道中流动，将影响整个锅炉中的淡水水质，从而影响整个装置的可靠性。

(4) 对于锅炉本体，其压力和水位不能有效控制。在长期使用过程中，锅炉内部环境条件也会变差，如不能及时对其内部环境进行清理，则会存在很多安全隐患。因此，有必要对其进行优化设计。

4 双热源热水锅炉装置的优化设计

为了使新型锅炉更好、更安全、更稳定地应用在船舶上，对其结构和装置的功能做了简要分析，并对装置进行了优化设计。

4.1 主机缸套高温淡水管路的优化设计

如图2所示，经过三通阀11流过热交换器17之后通过回水阀16进入主机，温度需要控制在特定温度，由此在出口联箱14处设置一个温度感应器，控制旁通阀13以及高温热水泵12的流量。使主机高温淡水与流过热交换器后的淡水混合，以达到特定温度，自动控制出水阀排水，在流量过大致使出口联箱膨胀时，立即开启安全阀15泄流，确保管路正常运行。

图2 优化后的主机缸套高温淡水循环管路

4.2 锅炉水流道管路的优化设计

如图3所示，在锅炉使用中，当船舶耗能设备需要大量水时，出水管内的水来不及补充，会导致水压降低，使溶于水中的空气析出形成空泡，从而管道内壁会产生严重的空泡腐蚀，长时间的腐蚀会引起管壁破裂，甚至损坏锅炉，影响到整个装置正常运作。因此，在管壁上设置一个钢化玻璃观察镜20，并附装一个压强感应器，通过观察掌握淡水的循环量，达到控制高温淡水泵的目的。

图3 优化后的锅炉出水管系

出水阀18处设有温度感应器和锅炉水位控制装置，当温度低于设定出口温度或锅炉水位低于设定最低水位时，出水阀自动关闭。

优化后的锅炉回水管系如图4所示，流过耗能设备后的低温淡水，有可能使空气中的杂质或者污染物进入水中，杂质进入锅炉或长时间在管道中流动，就会影响整个锅炉水的水质。因此，在这个管道上设置一个水处理器21，用于处理回流的低温淡水。

图4 优化后的锅炉回水管系

水处理器后的自动控制玻璃观察器22用于观察处理过的低温淡水的品质。若经过处理的淡水水质符合标准，则回流三通阀23自动打开。若经过处理后的低温淡水质不符合标准，则说明未处理干净，此时通过旁通阀24再通过水处理器21处理。合格的淡水，则通过回流三通阀23回到锅炉中，仍不合格则通过排污阀25排出装置。

4.3 锅炉本体的优化设计

如图5所示，在锅炉下端用法兰连接管道，并在管道上接上截止止回阀26，管道通向锅炉顶端，同时连接排污阀27和安全阀28，并将管道固定在锅炉的外壁上。排污阀能起到定期检查和更换锅炉水的作用，安全阀28控制锅炉内的压强。

在锅炉的上端接另一管道，管道仍固定于锅炉外壁上，管道上连接排水阀29，同时管道上设置旁通阀30，管道上平管道处接安全阀，下端接补水阀31。汽水筒前端的专用管道上安装两个水位表32，左右各一个用于观察锅炉内的水位，同时起到水位预警的作用。

船舶停航过程中，采用蒸汽机械式喷油器33替换喷油燃烧器，以提高燃油的适应性，增大调节比，使运行更安全可靠，而且不需要经常清洗，其火焰也更易于控制。

4.4 优化后的双热源热水锅炉装置

图5 锅炉本体的优化设计

优化后的双热源热水锅炉装置如图6所示，该装置主要由柴油机缸套高温淡水管路、锅炉进出口淡水管路及锅炉本体组成，具体组成及工作原理如前文所述。

图6 优化后的双热源热水锅炉装置

5 结论

文章以船舶主柴油机缸套高温淡水余热利用，提高柴油机的热效率，改善船舶动力装置的经济性为目的，分析了船舶上常用的中央冷却系统的组成及工作原理，并针对中央冷却系统存在的船舶柴油机的热效率较低、设备腐蚀损坏、淡水污染与浪费等缺点与不足，介绍了新型双热源热水锅炉装置的组成及工作原理。由于双热源热水锅炉在船舶上仍使用不多，还处于试验开发阶段，从结构上分析了双热源热水锅炉装置存在的问题，并对其进行了优化设计。

[1] 吴舟超.船舶起货机液压系统可靠性分析机优化设计研究[J].中国水运，2012,2：89-90.

[2] 刘世杰.高温热泵回收船舶柴油机余热的应用分析[J].集美大学学报，2010,2：133-136.

[3] 马量.船舶主机缸套冷却水温度前馈——反馈控制的研究[J].船舶工程，2009,4：20-23.

[4] 王宏智.船舶柴油机冷却水温度控制系统的设计[J].青岛远洋船员学院学报，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年浙江省自然科学基金项目，编号Q14E090003；2013年浙江省高等教育课堂教学改革项目，编号kg2013196；2013年浙江海洋学院大学生科技创新重点培育项目(船舶新型双热源热水锅炉研究与应用)。

贺银根(1993-)，男，大学本科。

U664

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