船舶废气锅炉蒸发量的计算与分析

袁 鹤 黄信男

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

近年来，随着航运市场竞争的加剧，船东对船舶节能环保要求的提高，降低船舶的运营成本成为船舶设计领域非常关心的问题。目前，大型货轮通常采用低速柴油机作为推进主机。同时，为了降低油耗，大多数项目采用了部分负荷或低负荷优化，从而使主机在航行中长期处于中低负荷范围，降低了运营成本。废气锅炉主要是利用主机运行中排放的废气余热，加热水或是热油等媒介从而得到高温蒸汽或是高温热油来供船舶燃油系统、油渣系统、空调、分油机、供油单元等管路及设备加热。由于废气锅炉没有燃料成本，相比燃油锅炉，在大型船舶中已是标准配置。

在船舶设计中，废气锅炉的蒸发量要尽可能满足船舶在大部分工况下的蒸发量需求，以减少燃油锅炉的运行时间，从而降低油耗和设备维护成本。废气锅炉蒸发量取决于主机排放的废热量，随着主机运行功率的降低，主机的排气量和排气温度都有显著的减少和降低。因此，怎样最大化的利用主机排放的废热成为船舶界非常关注的问题。

1 锅炉蒸发量的计算原理及影响因素

1.1 锅炉蒸发量计算原理［1］

式中：Q——总换热量，kJ/h；

T1——锅炉废气进口温度（通常为主机排气出口温度-3℃），℃；

T2——锅炉出口温度（一般大于180℃），℃；

Cg——废气比热容（常规取1.06 kJ/kg·℃），kJ/kg·℃；

G——主机排气量，kg/h；

D——锅炉蒸发量，kg/h；

φ——锅炉热散失（一般常规取4%）；

is——饱和蒸汽焓（0.7 MPa：2768 kJ/kg，0.6 MPa：2757.7 kJ/kg），kJ/kg；

iw——给水温度下的饱和水焓值（60℃：251.09 kJ/kg，80℃：334.92 kJ/kg），kJ/kg；

G——主机排气量，kg/h

1.2 影响锅炉蒸发量的主要因素

从式（3）可以看出，影响锅炉蒸发量的主要参数为：主机排气量、主机排气温度、锅炉出口温度及蒸汽的焓差。

主机的排气量及排气温度是由主机的优化方式以及运行负荷等因素决定的，在项目设计初期就已经确定，因此一般是无法进行调整的。

关于蒸汽的焓差，由于常规船舶设计采用0.6MPa或是0.7 MPa蒸汽系统的比较多，给水温度通常为60℃或是80℃，其焓差变化范围非常有限，一般在4%以内，因此通过调节供水温度及蒸汽压力对锅炉蒸发量的影响非常有限，并不能起到决定性作用。与此同时，由于总的能量是守恒的，如果不考虑外界散热差异的因素，所以通过调节蒸汽压力及给水温度是无法得到收益的。

锅炉出口温度是唯一一个可以在设计中根据需要进行大范围调整的参数，但也受到露点温度、换热面积等条件的制约。

1.2.1 露点温度

由于燃料中含有硫元素，在燃烧过程中硫生成了二氧化硫及三氧化硫，三氧化硫与烟气中的水分结合形成硫酸。当换热面的外表面温度低于烟气硫化物的凝结温度时，在换热面上就会形成硫酸雾露珠，导致换热面腐蚀，称之为露点腐蚀。对应的硫化物凝结温度称之为露点温度。露点温度除了与含硫量有关，还与过剩空气系数和三氧化硫的生成量等因素有关。炉膛温度越高，过剩空气越少，则燃烧中的硫生成的二氧化硫被氧化的份额越小，露点温度越低。通常，我国燃料含硫量露点温度一般在105～130℃。

1.2.2 换热面积

由于换热面积直接影响锅炉的制造成本及锅炉的体积，对于实际项目而言，锅炉的设计势必受到成本及空间布置的限制，因此得到换热面积与锅炉蒸发量的量化关系对于确定锅炉的设计优化点尤为重要。从1.2中可知锅炉出口温度是影响锅炉蒸发量的主要因素，因此，论证换热面积与锅炉出口温度的关系是对锅炉最优化设计的理论基础。

根据流体换热计算原理，换热器换热方程为［2］：

式中：k——换热系数（常规取150 W/m2·K），

W/m2·K；

A——换热面积，m2；

Δtm——对数平均温差，K

由于锅炉的加热过程存在相变，因此对数平均温差需要按升温和蒸发两个部分分别计算，然后再将两个部分的结果进行加权平均。计算过程如下：

由式（3），得到蒸发量 D，然后有：

式中：i——饱和蒸汽温度下的饱和水焓（170℃：697.32 kJ/kg），kJ/kg

将式（3）代入式（7）得：

因此，可得升温段对数平均温差：

蒸发段对数平均温差：

式中：Q1——升温阶段换热量，kJ/h；

Q2——蒸发阶段换热量，kJ/h；

T——升温段与蒸发段临界点处排气温度，℃；

T3——给水温度（一般60℃或80℃），℃；

T4——饱和蒸汽温度（常规取170℃），℃；

Δtm1——升温段对数平均温差，K；

Δtm2——蒸发段对数平均温差，K

因此可得总的对数平均温差［3］：

最后将计算得到的结果代入式（4）中，即可以得到换热面积A与锅炉出口温度T2的关系式。

通常在设计中，为了得到较大的蒸发量，最有效的办法就是降低锅炉的出口烟气温度。然而根据上文的推导可知锅炉换热面积A与出口温度T2是相互影响、相互制约的。在降低锅炉出口温度，获得更大的蒸发量的同时，也需要考虑相应换热面积增大的比例，以得到项目设计中最合理、最有性价比的设计点。

2 基于2500 TEU集装箱船的锅炉蒸发量计算分析及优化

2.1 背景介绍

由于近年来大型、超大型集装箱船的蓬勃发展，在长距离及大批量运输上获得了明显的优势。但其弊端主要表现在这些大型集装箱船只能停泊在大型集装箱码头，大批量的货物需要很多中小型支线集装箱船进行转运，因此类似2500 TEU集装箱船项目的小型支线集装箱船近年来广泛受到了市场的追捧。小型支线集装箱船由于其主要以转运大箱船的货物为主，通常主机降功率使用的情况十分普遍，蒸发量不足的问题较多，因此，下文着重以2500 TEU集装箱船作为典型案例对锅炉蒸发量进行计算分析。

2.2 基于2500TEU项目的锅炉蒸发量计算与分析

该船主要参数：

主机：MAN 6G60ME-C 9.5 Tier II

CMCR：13000 kW×97 r/min

CSR：12060 kW×93.7 r/min

根据该船规格书，废气锅炉设计点为主机80%负荷，对应的ISO工况下主机废气参数如下：

主机排气出口温度：207℃

主机排气量：25 kg/s

因此有：

T1=207-3=204℃；

Cg=1.06 kJ/kg·℃；

G=25×3600=90000 kg/h；

T3=80℃；T4=170℃；k=150 W/m2·℃；

is=2768 kJ/kg；iw=334.92 kJ/kg；i=697.32 kJ/kg。

本算例T2的取值范围为170～240℃，将T2按1K步长进行枚举并根据式（1）～式（12）步骤计算得到锅炉换热面积A与排气出口温度T2的关系，见图1和表1。

图1 锅炉换热面积A与排气出口温度T2的关系

表1 锅炉换热面积A与排气出口温度T2的关系

从图1中可以看出，随着锅炉排气出口温度的降低，需要的换热面积增幅越来越大。而当排气温度低于180℃时，需要的换热面积增幅明显加快，当排气温度趋近于蒸汽温度170℃时，需要的换热面积趋近于无穷大。因此对于蒸汽废气锅炉，考虑到锅炉的成本及布置的空间，根据最优化设计理念，产生最大化蒸发量的排气温度设计点应维持在比饱和蒸汽温度高约10K。有条件的话，为了防止在恶劣工况下出现露点硫腐蚀，还应将废气锅炉的排气温度设计点适当提高。

本算例根据计算结果最终取锅炉排气温度181℃作为锅炉优化设计点。经锅炉厂家计算，去掉锅炉热散失等消耗以外，实际可获得蒸发量为860 kg/h。根据同工况下的蒸汽耗量计算结果，实耗蒸汽耗量约为1300 kg/h，蒸发量缺口约为440 kg/h。为此本项目利用类似方法对发电机废气侧的最优化蒸发量进行了计算评估，结果见表2。

表2 发电机组的最优蒸发量结果

根据表2的最终结果，考虑到组合锅炉的尺寸及发电机的运行数量要求，最终该项目选择将1大1小2台发电机的排气管组合接入废气锅炉的方案，在计算工况下最大蒸发量达到1460 kg/h，满足了全船蒸汽的需求量，最大化节约了成本及运行能耗。

3 结语

本文利用了换热器计算的相关原理，对废气锅炉蒸发量进行了计算与分析，阐明了影响废气锅炉蒸发量的因素及各因素相互之间的制约关系，尤其是推导了船舶蒸汽废气锅炉换热面积与排气出口温度的关系，这对锅炉的优化设计非常重要。最后通过实例计算并对结果进行了数据分析，得出了锅炉蒸发量的最优化设计理论，同时对锅炉设计进行了优化。

一般情况下，锅炉排气出口温度最低应高于饱和蒸汽温度10K，同时为了降低锅炉的建造成本、减小锅炉的外形尺寸以及防止露点硫腐蚀，在蒸发量允许范围内，排气出口温度应尽可能升高。

在计算蒸汽废气锅炉的对数平均温差时应将升温及蒸发分别计算，最后再加权平均。由于蒸发段消耗热量远高于升温段，因此如对计算精度要求不高，可直接将升温段忽略，利用蒸发段直接计算对数平均温差。

［1］中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册——轮机分册［M］.3版.北京：国防工业出版社，2013.

［2］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］史美中，王中铮.热交换器原理与设计［M］.南京：东南大学出版社，2009.