论文部分内容阅读
摘要： 船舶辅锅炉是船舶运行必不可少的能耗设备，本文在对辅锅炉运行过程能耗分布特点分析的基础上，基于余热利用原理，分别以辅锅炉排烟和富余蒸汽作为余热资源，提出两种切实可行的辅锅炉减排方案，可为船舶节能、船公司运营管理提供参考。
Abstract： Marine auxiliary boiler is an essential energy consumption equipment for ship operation. Based on the analysis of energy consumption distribution characteristics in the operation process of auxiliary boiler， two feasible emission reduction schemes for auxiliary boiler with exhaust gas and surplus steam as waste heat resources were proposed according to the principle of waste heat utilization in the paper， which can provide reference for ship energy saving and operation management of ship company.
關键词： 船舶;辅锅炉;余热利用;节能减排
Key words： ship;auxiliary boiler;waste heat utilization;energy saving and emission reduction
中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0092-02
0 引言
2020年9月，国家主席习近平提出我国实现碳达峰和碳中和目标的时间节点，使得节能减排已经成为我国经济发展的必须要考虑的因素。船舶航行作为碳排放的水上交通活动，目前，大多学者对船舶柴油机的节能减排进行了研究，而船舶辅锅炉，通过燃烧把化学能转化为热能，使给水变成蒸汽或热水的船上设备，用于预热燃油和滑油、为船员提供取暖、热水等，也是船上必不可少的耗能设
备[1]，相关学者对船舶辅锅炉的节能减排研究相对较。实际上，由于船舶辅锅炉主要以燃油作为燃料，其平均运行热效率比较低，造成大量能量没有被合理地利用，节能的潜力仍然较大，因此，本文结合船上实际工作经验，探讨船舶辅锅炉节能减排方案，可为船舶节省燃油，对船公司运营和环境保护均具有较大的参考价值。
1 辅锅炉运行过程的能耗分布
从辅锅炉运行过程的能量守恒来看，锅炉的实际运行效率可以表示为向锅炉供应的热量减去各种热量损失的差值与向锅炉供应热量的比值，即[2]：
式（1）中，B为每小时燃料消耗量，单位kg/h;QD为燃料的低热值，单位kJ/kg;Q1为排烟损失，单位kJ/kg;Q2为化学不完全燃烧损失，单位kJ/kg;Q3为机械不完全燃烧热损失，单位kJ/kg;Q4为散热损失，单位kJ/kg。q1、q2、q3和q4分别代表辅锅炉运行过程中的相对排烟损失、相对化学不完全燃烧损失、相对机械不完全燃烧热损失和相对散热损失。
对于排烟损失，是指辅锅炉燃烧燃油所产生的排烟而带走的热量损失，在辅锅炉热量损失中占比较大，约为10%～20%，其大小取决于排烟的数量和温度，一般可通过降低船舶辅锅炉排烟温度，或降低排烟处过量空气系数来减少锅炉的排烟损失[3]。对于化学不完全燃烧损失，是指辅锅炉的排烟中存在未能充分燃烧放热的气体，而引起的热量损失。一般情况下，该损失约为0.3%～0.5%。对于机械不完全燃烧损失，主要是指燃油未完全燃烧时形成的炭黑及油滴燃烧后残留的焦粒等构成的热损失，在燃烧不良时可达0.5%～1%。上述两种损失均称为不完全燃烧损失，可通过增大过量空气系数，保证足够的氧气参与燃烧，以减少不完全燃烧损失。对于散热损失，主要是指船舶辅锅炉温度高于周围环境而出现的热量损失，一般可通过优化锅炉炉墙材料或减少散热面积来降低散热损失。
2 关于船舶辅锅炉的两种节能减排的设计方案
余热开发与回收利用是目前节能减排的重要的途径和有效方式，对于船舶辅锅炉而言，排烟余热和富余蒸汽可以作为余热资源，为此，针对船舶辅锅炉的节能减排，提出基于排烟余热回收的热管换热器方案和基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式制冷空调方案。
2.1 基于排烟余热回收的热管换热器设计方案
热管换热器由于其高效的传热效果，已经成功应用在航空内燃发动机。虽然单根热管的传热量十分有限，但将多根热管集中形成热管组，并置于冷源、热源之间，将具有非常可观的传热效果。为此，针对排烟余热回收问题，设计了热管换热器方案，如图1所示。所设计的热管换热器方案包括热管组、烟气通道、进排水腔（汽包）以及管板组成。船舶辅锅炉排烟尾气用于加热底部的热管，热管经加热后，迅速将热量传导至上部的进排水腔（汽包），进而产生热水，可供船舶船员生活所用。 2.2 基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式空调设计方案
除锅炉排烟之外，富余蒸汽也是辅锅炉的重要的余热资源，可以作为吸附式制冷的低品位热源。吸附式制冷系统主要由吸附床、冷凝器和蒸发器三大部件组成，其工作循环如图2所示。
吸附式制冷的基本工作循环包括两个过程，分别是加热解吸过程（虚线）和吸附制冷过程（实线）。对于加热解吸过程，在加热作用下，吸附床受到加热作用下，吸附质，即制冷剂，产生解吸作用，从在吸附剂中脱附出来，当解吸出来的制冷剂蒸汽压力升高至环境温度的饱和压力，也就是冷凝压力时，蒸汽状态的制冷剂会在冷凝器中冷凝液化，随后进入蒸发器中。对于吸附制冷过程，吸附床受到冷却作用下，当达到吸附温度时，此时吸附床中的吸附剂又会重新吸附制冷剂的蒸汽，使得循环系统中的蒸汽压力降低，进而促使处于蒸发器中的液态制冷剂蒸发，因此，对于吸附式制冷，加热解吸过程和吸附制冷过程构成了一个完整的制冷工作循环，由于吸附式制冷方式是一种间歇式的制冷过程，而若要达到连续制冷的目的，则应采用两台以上吸附床，让其交错运行[4]。基于此原理，结合船舶辅锅炉的富余蒸汽，设计了一种船舶空调方案，如图3所示。
所设计的吸附式空调方案主要包括辅锅炉、气动换向阀、吸附发生器、压力继电器、单向阀、冷凝器、储液器、蒸發器以及需要接入的船舶中央空调。具体工作过程如下：
①首先，在压力继电器控制下，打开电磁阀，进而决定气动换向阀的工作位置，然后由船舶辅锅炉产生的富余饱和蒸汽经气动换向阀（以左位为例），对吸附发生器2进行加热，在加热作用下，吸附发生器内的压力升高，当达到制冷剂冷凝温度对应的饱和压力时，此时对应的下部单向阀关闭，经上部单向阀流入冷凝器，继而流入储液器进行储存。通过调节流量调节开度，可对进入蒸发器中的制冷剂流量进行控制。
②同时，由低温淡水泵提供的冷却水经气动换向阀，对吸附发生器1进行冷却，使得吸附发生器1内部的制冷剂压力不断下降，当下降到蒸发温度对应的饱和压力时，制冷剂随后进入蒸发器蒸发吸热，实现制冷，相应的蒸发气体又进入吸附发生器产生吸附作用，进而完成一次完成的制冷循环。
从上述工作过程可以看出，在整个制冷器过程中，需要两个吸附发生器交替工作，其相当于制冷压缩机在蒸汽压缩式制冷中的作用。对于吸附发生起的交替工作，可通过设计方案中的压力继电器控制气动换向阀予以实现。
3 结束语
本文针对辅锅炉运行的余热资源，提出了基于排烟余热回收的热管换热器方案、基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式空调方案，可为船舶节能、船公司运营管理提供参考。
参考文献：
[1]陈海泉.船舶辅机[M].大连海事大学出版社，2010.
[2]于洪涛.燃油锅炉系统节能方案设计与实施[D].大连理工大学，2013.
[3]苏振东.燃油锅炉系统节能降耗[J].大众科技，2013.
[4]刘林.锅炉的能效评价与影响因素分析[D].山东大学，2012.
Abstract： Marine auxiliary boiler is an essential energy consumption equipment for ship operation. Based on the analysis of energy consumption distribution characteristics in the operation process of auxiliary boiler， two feasible emission reduction schemes for auxiliary boiler with exhaust gas and surplus steam as waste heat resources were proposed according to the principle of waste heat utilization in the paper， which can provide reference for ship energy saving and operation management of ship company.
關键词： 船舶;辅锅炉;余热利用;节能减排
Key words： ship;auxiliary boiler;waste heat utilization;energy saving and emission reduction
中图分类号：F407.474 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0092-02
0 引言
2020年9月，国家主席习近平提出我国实现碳达峰和碳中和目标的时间节点，使得节能减排已经成为我国经济发展的必须要考虑的因素。船舶航行作为碳排放的水上交通活动，目前，大多学者对船舶柴油机的节能减排进行了研究，而船舶辅锅炉，通过燃烧把化学能转化为热能，使给水变成蒸汽或热水的船上设备，用于预热燃油和滑油、为船员提供取暖、热水等，也是船上必不可少的耗能设
备[1]，相关学者对船舶辅锅炉的节能减排研究相对较。实际上，由于船舶辅锅炉主要以燃油作为燃料，其平均运行热效率比较低，造成大量能量没有被合理地利用，节能的潜力仍然较大，因此，本文结合船上实际工作经验，探讨船舶辅锅炉节能减排方案，可为船舶节省燃油，对船公司运营和环境保护均具有较大的参考价值。
1 辅锅炉运行过程的能耗分布
从辅锅炉运行过程的能量守恒来看，锅炉的实际运行效率可以表示为向锅炉供应的热量减去各种热量损失的差值与向锅炉供应热量的比值，即[2]：
式（1）中，B为每小时燃料消耗量，单位kg/h;QD为燃料的低热值，单位kJ/kg;Q1为排烟损失，单位kJ/kg;Q2为化学不完全燃烧损失，单位kJ/kg;Q3为机械不完全燃烧热损失，单位kJ/kg;Q4为散热损失，单位kJ/kg。q1、q2、q3和q4分别代表辅锅炉运行过程中的相对排烟损失、相对化学不完全燃烧损失、相对机械不完全燃烧热损失和相对散热损失。
对于排烟损失，是指辅锅炉燃烧燃油所产生的排烟而带走的热量损失，在辅锅炉热量损失中占比较大，约为10%～20%，其大小取决于排烟的数量和温度，一般可通过降低船舶辅锅炉排烟温度，或降低排烟处过量空气系数来减少锅炉的排烟损失[3]。对于化学不完全燃烧损失，是指辅锅炉的排烟中存在未能充分燃烧放热的气体，而引起的热量损失。一般情况下，该损失约为0.3%～0.5%。对于机械不完全燃烧损失，主要是指燃油未完全燃烧时形成的炭黑及油滴燃烧后残留的焦粒等构成的热损失，在燃烧不良时可达0.5%～1%。上述两种损失均称为不完全燃烧损失，可通过增大过量空气系数，保证足够的氧气参与燃烧，以减少不完全燃烧损失。对于散热损失，主要是指船舶辅锅炉温度高于周围环境而出现的热量损失，一般可通过优化锅炉炉墙材料或减少散热面积来降低散热损失。
2 关于船舶辅锅炉的两种节能减排的设计方案
余热开发与回收利用是目前节能减排的重要的途径和有效方式，对于船舶辅锅炉而言，排烟余热和富余蒸汽可以作为余热资源，为此，针对船舶辅锅炉的节能减排，提出基于排烟余热回收的热管换热器方案和基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式制冷空调方案。
2.1 基于排烟余热回收的热管换热器设计方案
热管换热器由于其高效的传热效果，已经成功应用在航空内燃发动机。虽然单根热管的传热量十分有限，但将多根热管集中形成热管组，并置于冷源、热源之间，将具有非常可观的传热效果。为此，针对排烟余热回收问题，设计了热管换热器方案，如图1所示。所设计的热管换热器方案包括热管组、烟气通道、进排水腔（汽包）以及管板组成。船舶辅锅炉排烟尾气用于加热底部的热管，热管经加热后，迅速将热量传导至上部的进排水腔（汽包），进而产生热水，可供船舶船员生活所用。 2.2 基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式空调设计方案
除锅炉排烟之外，富余蒸汽也是辅锅炉的重要的余热资源，可以作为吸附式制冷的低品位热源。吸附式制冷系统主要由吸附床、冷凝器和蒸发器三大部件组成，其工作循环如图2所示。
吸附式制冷的基本工作循环包括两个过程，分别是加热解吸过程（虚线）和吸附制冷过程（实线）。对于加热解吸过程，在加热作用下，吸附床受到加热作用下，吸附质，即制冷剂，产生解吸作用，从在吸附剂中脱附出来，当解吸出来的制冷剂蒸汽压力升高至环境温度的饱和压力，也就是冷凝压力时，蒸汽状态的制冷剂会在冷凝器中冷凝液化，随后进入蒸发器中。对于吸附制冷过程，吸附床受到冷却作用下，当达到吸附温度时，此时吸附床中的吸附剂又会重新吸附制冷剂的蒸汽，使得循环系统中的蒸汽压力降低，进而促使处于蒸发器中的液态制冷剂蒸发，因此，对于吸附式制冷，加热解吸过程和吸附制冷过程构成了一个完整的制冷工作循环，由于吸附式制冷方式是一种间歇式的制冷过程，而若要达到连续制冷的目的，则应采用两台以上吸附床，让其交错运行[4]。基于此原理，结合船舶辅锅炉的富余蒸汽，设计了一种船舶空调方案，如图3所示。
所设计的吸附式空调方案主要包括辅锅炉、气动换向阀、吸附发生器、压力继电器、单向阀、冷凝器、储液器、蒸發器以及需要接入的船舶中央空调。具体工作过程如下：
①首先，在压力继电器控制下，打开电磁阀，进而决定气动换向阀的工作位置，然后由船舶辅锅炉产生的富余饱和蒸汽经气动换向阀（以左位为例），对吸附发生器2进行加热，在加热作用下，吸附发生器内的压力升高，当达到制冷剂冷凝温度对应的饱和压力时，此时对应的下部单向阀关闭，经上部单向阀流入冷凝器，继而流入储液器进行储存。通过调节流量调节开度，可对进入蒸发器中的制冷剂流量进行控制。
②同时，由低温淡水泵提供的冷却水经气动换向阀，对吸附发生器1进行冷却，使得吸附发生器1内部的制冷剂压力不断下降，当下降到蒸发温度对应的饱和压力时，制冷剂随后进入蒸发器蒸发吸热，实现制冷，相应的蒸发气体又进入吸附发生器产生吸附作用，进而完成一次完成的制冷循环。
从上述工作过程可以看出，在整个制冷器过程中，需要两个吸附发生器交替工作，其相当于制冷压缩机在蒸汽压缩式制冷中的作用。对于吸附发生起的交替工作，可通过设计方案中的压力继电器控制气动换向阀予以实现。
3 结束语
本文针对辅锅炉运行的余热资源，提出了基于排烟余热回收的热管换热器方案、基于辅锅炉富余蒸汽的吸附式空调方案，可为船舶节能、船公司运营管理提供参考。
参考文献：
[1]陈海泉.船舶辅机[M].大连海事大学出版社，2010.
[2]于洪涛.燃油锅炉系统节能方案设计与实施[D].大连理工大学，2013.
[3]苏振东.燃油锅炉系统节能降耗[J].大众科技，2013.
[4]刘林.锅炉的能效评价与影响因素分析[D].山东大学，2012.