楊興林，金東鴿，程建強(qiáng)，薛 勇

（1．江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2．江蘇兆勝空調(diào)有限公司，江蘇 泰州 200031）

遠(yuǎn)洋船舶低低硫燃油冷卻系統(tǒng)研究

楊興林1，金東鴿1，程建強(qiáng)2，薛 勇2

（1．江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2．江蘇兆勝空調(diào)有限公司，江蘇 泰州 200031）

介紹了一種船舶低低硫燃油冷卻系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)組成。最后制作了樣機(jī)，進(jìn)行模擬驗(yàn)證，繪制了燃油進(jìn)出口的溫度變化曲線。

船舶；低低硫燃油；冷卻系統(tǒng)

0 引言

根據(jù)歐盟2005/33/EC法令規(guī)定：2010年1月1日起，在歐盟港口停泊超過2 h的船舶不得使用硫含量超過0.1% m/m的燃油（該要求不適用于停掉所有機(jī)器而使用岸電的船舶）。自2012年1月1日起，美國加利福尼亞州對(duì)距加州岸線 24海里內(nèi)水域不得使用硫含量超過 0.1%的燃油。MARPOL公約附則Ⅵ修正案明確要求：自2015年1月1日起硫排放控制區(qū)域船舶所用燃油硫含量不得超過0.1%[1-2]。

由于燃油含硫量限制的的相關(guān)法令和公約生效，所有?？繗W盟或者加州港口的現(xiàn)有船舶或新造船舶都面臨主輔機(jī)及鍋爐燃油轉(zhuǎn)換改造的需要。然而，由于低硫燃油的黏度太低，無法滿足現(xiàn)有船舶主輔機(jī)的要求。目前采用的方法為通過海水降低低硫燃油的溫度，使黏度達(dá)到 2 cst以上，達(dá)到船舶主輔機(jī)用燃油的要求。然而，燃油在采用海水冷卻時(shí)，其溫度的控制精確度上無法得到保證，例如，在不同海域中，海水溫度是不相同的，如果某海域的海水溫度較高，就會(huì)造成低低硫燃油的溫度無法降低到需要的溫度，造成燃油粘度無法滿足要求。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 原理

船舶主輔機(jī)的燃油除了滿足其動(dòng)力需求外，還需要滿足其潤滑需求，即對(duì)燃油粘度的要求。雖然船舶主輔機(jī)因制造商的不同、機(jī)型的不同對(duì)燃油粘度的要求有些差異，但必須滿足最低燃油粘度為2 cst的要求，推薦正常運(yùn)行工況的粘度為3 cst。

船用燃料油中含有氧化硫(SOx)的成分，由于相關(guān)法令和公約對(duì)其含硫量的限制，現(xiàn)需使用氧化硫含量較低的燃油。然而，含硫量較低的燃油，其粘度較低。

如圖1所示，橫向軸表示油的粘度，縱向軸表示油的溫度。據(jù)ISO8217 DMA/X標(biāo)準(zhǔn)，40℃時(shí)為2cSt的船用輕柴油（即MGO: Marine Gas Oil，其硫含量不超過0.1%）必須降溫到18℃才能達(dá)到3cst的粘度要求。

圖1 燃油溫度和粘度的關(guān)系

通常發(fā)動(dòng)機(jī)入口的溫度可能高達(dá)60 ℃，要保持燃油低溫和粘度，唯一措施就是在燃油系統(tǒng)中增加燃油冷卻裝置，確保低硫燃油的粘度及正常燃燒。 燃油冷卻裝置可安裝在供油單元循環(huán)泵前或主、輔機(jī)前，方便與燃油單元對(duì)接。

考慮到船用輕柴油(MGO)在降溫后粘度上升特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的燃油冷卻系統(tǒng)，稱之為低低硫燃油冷卻系統(tǒng)。

低低硫燃油冷卻系統(tǒng)是依據(jù)制冷降溫原理，以氟利昂為制冷工質(zhì)，制取低溫冷凍水，經(jīng)循環(huán)水泵送至水油換熱器，冷凍水與燃油進(jìn)行熱交換，將燃油的溫度降低到17℃左右，使其黏度達(dá)到3cst以上，以滿足現(xiàn)有船用主輔柴油機(jī)和供油系統(tǒng)的要求。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用船用冷水機(jī)組獲取的冷媒水來冷卻燃油，主要是因?yàn)槔渌畽C(jī)組可不受航區(qū)和季節(jié)的影響，獲取恒定溫度的冷媒水，使燃油溫度得到精的確控；冷水機(jī)組可長(zhǎng)期運(yùn)行于低負(fù)荷工況，可靠性好，即便發(fā)生泄漏，對(duì)燃油系統(tǒng)的影響也比較小；此外冷水機(jī)組安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單易行，特別適合現(xiàn)場(chǎng)施工和加裝改造。

低硫燃油冷卻系統(tǒng)由冷水機(jī)組模塊、冷媒水泵模塊和水油換熱器模塊組成。通過對(duì)冷水機(jī)組模塊、冷媒水泵模塊和水油換熱器模塊進(jìn)行優(yōu)化整合，采用 “電子膨脹閥控制器”和“具有能量自動(dòng)調(diào)節(jié)和PLC綜合控制的冷水機(jī)組”對(duì)整個(gè)低低硫燃油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到節(jié)能的效果。

設(shè)計(jì)過程中采用PLC控制技術(shù)，確保了冷媒水進(jìn)出溫度、燃油進(jìn)出溫度、冷媒水流量以及燃油的流量等測(cè)試的精確控制和顯示。通過電動(dòng)三通流量調(diào)節(jié)閥，可自動(dòng)比例調(diào)節(jié)冷媒水水量。由溫度傳感器檢測(cè)板式換熱器燃油出口溫度，將溫度模擬量輸入PLC控制器，PLC把模擬信號(hào)輸出給電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，根據(jù)燃油出口溫度的高低，自動(dòng)比例調(diào)節(jié)進(jìn)入水油板式交換器的冷媒水水量，從而使水油板式交換器燃油出口溫度保持在所要求的范圍內(nèi)，滿足供油單元對(duì)燃油的溫度要求。同時(shí)，冷水機(jī)組根據(jù)負(fù)荷變化，能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷運(yùn)行。

圖2為低低硫燃油冷卻系統(tǒng)，主要由以下三部分組成：船用冷水機(jī)組；冷媒水泵模塊；水油換熱系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)原理圖

船用冷水機(jī)組主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥及相應(yīng)的控制元器件組成；并為水油板式換熱器提供低溫冷媒水。

冷媒水泵模塊主要由冷媒水泵、閉式膨脹水箱、自動(dòng)補(bǔ)水閥、安全閥、水過濾器及閥件組成。所有零部件安裝在一個(gè)公共底座，用于冷卻系統(tǒng)的冷媒水輸送。

水油換熱器模塊主要由電動(dòng)三通流量調(diào)節(jié)閥、水油板式換熱器、溫度傳感器、溫度控制器及若干閥件和儀表組成，主要用于燃油的冷卻。

圖3為冷卻系統(tǒng)所選用的水油板式換熱器。它具有獨(dú)特的板形，耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、高效率，性價(jià)比高，可在長(zhǎng)期運(yùn)行條件下可靠工作，維護(hù)工作量小。

圖3 板式換熱器

1.3 樣機(jī)驗(yàn)證

圖4是模擬船舶柴油機(jī)和供油系統(tǒng)的使用工況，在陸上建立的試驗(yàn)裝置。其原理就是先將日用淡水加熱到65℃左右，通過板式換熱器將常溫條件下的超低硫燃油加熱到45 ℃左右；然后再利用冷水機(jī)組，通過板式換熱器，將超低硫燃油溫度降低到15 ℃左右，使其黏度增加到2 cst以上。冷水機(jī)組可根據(jù)負(fù)荷變化，能實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的能量調(diào)節(jié)，能夠長(zhǎng)期在低負(fù)荷工況下正常運(yùn)行，確保出油溫變化不超過2 ℃/min。達(dá)到實(shí)船安全使用超低硫燃油的目的。

圖4 低低硫燃油冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)裝置

圖5為樣機(jī)運(yùn)行過程中的燃油進(jìn)出口溫度變化曲線。MGO流量為11.4 m3/h。在15:44:29時(shí)，調(diào)整燃油進(jìn)口溫度，使負(fù)荷發(fā)生變化，溫度突然上升。這時(shí)出口溫度變化不大，仍然滿足要求。由此可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，能很好處理突發(fā)狀況。

圖5 燃油進(jìn)出口溫度變化曲線

2 系統(tǒng)創(chuàng)新

1)管道和設(shè)備采用了熱鍍鋅外殼黃銅內(nèi)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)低硫燃油冷卻系統(tǒng)在高溫潮濕環(huán)境下能夠高效運(yùn)行。

2)開發(fā)出基于智能模糊控制技術(shù)的電子膨脹閥與熱氣旁通組合控制方法，以適應(yīng)環(huán)保型遠(yuǎn)洋船舶低硫燃油供給的大范圍變化，并保障供油溫度波動(dòng)控制在 1℃以內(nèi)，該技術(shù)極大的提高了低硫燃油冷卻系統(tǒng)的控制精度。

3)開發(fā)出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的多變量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)壓縮機(jī)容量，冷凍水流量、冷卻水流量和燃油流量等參數(shù)的綜合控制，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效可靠運(yùn)行。

4)提出了一種實(shí)現(xiàn)梯級(jí)冷卻的遠(yuǎn)洋船舶低硫燃油冷卻方法，研制出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)洋船舶低低硫燃油系統(tǒng)的高效運(yùn)行和低硫排放。

5）建成了行業(yè)中唯一的遠(yuǎn)洋船舶低低硫燃油冷卻系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋氣候各種工況進(jìn)行模擬。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備外形尺寸小

低低硫燃油冷卻系統(tǒng)的機(jī)組和模塊外形尺寸小。現(xiàn)階段，低低硫燃油冷卻系統(tǒng)一般用于改裝的船舶，機(jī)艙內(nèi)空間有限。因此，對(duì)低低硫燃油冷卻系統(tǒng)的機(jī)組和模塊外形尺寸提出了較高的要求。然而，低低硫燃油冷卻系統(tǒng)設(shè)備及零部件較多，為此采用模塊化設(shè)計(jì)的理念，方便現(xiàn)場(chǎng)施工安裝。冷水機(jī)組模塊采用雙回路設(shè)計(jì)，兩路供液兩路回氣，零部件在設(shè)計(jì)選型時(shí)盡可能考慮小型化[3]。冷媒水泵模塊中水泵要求采用一用一備，選用CL型船用立式水泵，進(jìn)出水口方向成90°角，占地面積??；閥件盡可能選用蝶閥，布置盡可能緊湊。水油換熱器模塊的板式換熱器采用散供，這樣也可節(jié)約空間，便于船廠布置。

3.2 遠(yuǎn)洋船舶超低硫燃油冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性

系統(tǒng)為確保低低硫燃油冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用了較多的傳感器、控制器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這三者扮演的角色分別是測(cè)量并傳輸信號(hào)、接收、比較及反饋信號(hào)、接受反饋信號(hào)。通過對(duì)三者的連動(dòng)有效的操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷媒水量、燃油溫度的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)采用多級(jí)能量控制。

3.3 系統(tǒng)平衡

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，因存在多個(gè)不同的供油單元，板式換熱器所需冷媒水量必須在達(dá)額定的流量下，才能穩(wěn)定。因此，在冷媒水管路上設(shè)置水平衡閥，便于調(diào)節(jié)管路水量平衡。

4 結(jié)論

遠(yuǎn)洋船舶的低低硫燃油冷卻系統(tǒng)能精確控制出口燃油溫度，波動(dòng)在1℃以內(nèi)，同時(shí)能滿足不同出油溫度要求。同時(shí)創(chuàng)新性的開發(fā)了基于梯級(jí)冷卻的低硫燃油冷卻系統(tǒng)，彌補(bǔ)了以往海水直接冷卻控制精度不高且在部分海域無法正常工作的缺陷。

產(chǎn)品滿足船用低低硫燃油供油系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化將滿足相關(guān)法令和公約降低船舶用油的硫排放量的規(guī)定，減少對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行過程中的無污染化，在海洋運(yùn)輸過程中具有重要意義。

[1] Johnson Control. York MDO cooling system [R]. 2009.

[2] 江蘇兆勝空調(diào)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) Q/32 1283JkA 30-2012[S].

[3] 高岑, 鄭毅. 船用精餾燃油冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 柴油機(jī), 2010, 32(3): 32-36.

寧波市海洋高技術(shù)產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)“藍(lán)色經(jīng)濟(jì)”

規(guī)模質(zhì)量居浙江省第一、行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)較多、綜合競(jìng)爭(zhēng)力較強(qiáng)……新近出爐的《寧波市海洋高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃》提出海洋“智造”路線圖。到2015年，寧波市將海洋高技術(shù)產(chǎn)業(yè)打造成為引領(lǐng)寧波海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)極和重要的先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到250億元，其中規(guī)上產(chǎn)值200億元。

海洋高技術(shù)產(chǎn)業(yè)是寧波市重點(diǎn)培育的八大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。根據(jù)寧波市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)和發(fā)展?jié)摿Γ趯⒅攸c(diǎn)發(fā)展海洋高技術(shù)裝備、海洋生物育種及健康養(yǎng)殖兩大優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，培育發(fā)展海洋藥物及生物制品、現(xiàn)代海洋服務(wù)業(yè)兩大新興領(lǐng)域，努力形成“2+2”海洋高技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系。

瞄準(zhǔn)上述四大重點(diǎn)領(lǐng)域，寧波市海洋“智造”鼓點(diǎn)陣陣、路徑清晰。海洋高技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)容量大、技術(shù)含量高，今后三年，寧波市將培育一批具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的海洋高技術(shù)裝備企業(yè)，打造集設(shè)計(jì)、制造、銷售、維護(hù)于一體的海洋高技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)集群。力爭(zhēng)到2015年，全市海洋高技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過180億元。

圍繞海洋生物育種、現(xiàn)代海水健康養(yǎng)殖、海洋生物種質(zhì)資源開發(fā)和利用三大重點(diǎn)領(lǐng)域，突破關(guān)鍵技術(shù)，培育龍頭企業(yè)，延伸上下游產(chǎn)業(yè)鏈，壯大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，提升產(chǎn)品附加值。力爭(zhēng)到2015年，寧波市海洋生物育種及健康養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值突破10億元。

圍繞海洋生物制品、海洋藥物、低值海產(chǎn)品的高值化利用三大重點(diǎn)領(lǐng)域，加快開發(fā)海洋生物保健品和功能性食品，支持開發(fā)海洋生物基因資源，鼓勵(lì)開發(fā)藥用海洋活性物質(zhì)提取與利用。力爭(zhēng)到2015年，寧波市海洋藥物及生物制品產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值超過50億元。

圍繞海洋中介服務(wù)業(yè)、海洋科技服務(wù)業(yè)、航運(yùn)服務(wù)業(yè)三大重點(diǎn)領(lǐng)域，優(yōu)化發(fā)展環(huán)境、搭建公共平臺(tái)、完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，加快推動(dòng)現(xiàn)代海洋服務(wù)業(yè)高端化發(fā)展。力爭(zhēng)到2015年，基本建立較為完善的海洋高技術(shù)服務(wù)體系，現(xiàn)代海洋服務(wù)業(yè)產(chǎn)值在15億元左右。

高新技術(shù)人才是海洋“智造”的智力之源。今后三年，寧波市將加快引進(jìn)高端人才和團(tuán)隊(duì)，集聚一批高端領(lǐng)軍人才。深化實(shí)施海外高層次人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)“3315” 計(jì)劃，重點(diǎn)引進(jìn)攜帶技術(shù)、項(xiàng)目或資金在寧波創(chuàng)立公司的高端人才和團(tuán)隊(duì)，引進(jìn)在海洋高技術(shù)領(lǐng)域有長(zhǎng)期研發(fā)和管理工作經(jīng)驗(yàn)的高端人才。

MGO Cooling System of Ocean Vessel

YANG Xing-lin1, JIN Dong-ge1, CHENG Jian-qiang2, XUE Yong2
(1. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China; 2. Jinagsu Josun Air Conditioner Co., Ltd., Taizhou 225441,China)

An MGO cooling system for ocean vessel is introduced. The theory and structure is analyzed. Lastly, sample mechanism is used to verify its performance, and the variation curves of the inlet & outlet temperature of MGO are plotted.

vessel; MGO (Marine Gas Oil); cooling system

TB65

A

楊興林（1964-），教授，博士。從事船舶制冷相關(guān)方面的研究。