陳　聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司, 上海 201612)

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運(yùn)輸船燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司, 上海 201612)

摘要針對(duì)運(yùn)輸船燃油艙加熱系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)，可降低系統(tǒng)燃油加熱過(guò)程中的蒸汽消耗量和節(jié)約投資維護(hù)成本，以達(dá)到提高船舶節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞運(yùn)輸船散貨船集裝箱船燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)節(jié)能減排

1引言

當(dāng)前，運(yùn)輸船為減少排放降低油耗，除了一些常規(guī)性能優(yōu)化和增加節(jié)能措施外，還多采用降低主機(jī)功率的方式，由此導(dǎo)致主機(jī)廢氣溫度較低引起廢氣鍋爐蒸汽產(chǎn)量不足，甚至船舶正常航行工況下還須啟動(dòng)燃油鍋爐補(bǔ)充蒸汽。為解決此問題并進(jìn)一步降低運(yùn)輸船綜合能源消耗，針對(duì)燃油艙加熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，從而減少蒸汽消耗，使船舶更節(jié)能、更環(huán)保。

2燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化

2.1系統(tǒng)原理

常規(guī)運(yùn)輸船上通常設(shè)有燃油日用艙和沉淀艙，艙內(nèi)設(shè)有加熱盤管，利用蒸汽加熱艙內(nèi)燃油。本系統(tǒng)利用燃油轉(zhuǎn)駁泵將燃油日用艙或沉淀艙內(nèi)的熱油駁運(yùn)至燃油儲(chǔ)存艙，與吸口處冷油混合，從而達(dá)到加熱所需量燃油的目的。與傳統(tǒng)燃油艙加熱系統(tǒng)相比：取消了燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)蒸汽加熱盤管，只對(duì)其駁出吸口處部分燃油進(jìn)行加熱，避免了儲(chǔ)存艙通過(guò)油艙表面向周圍環(huán)境散發(fā)熱量[1]，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸船節(jié)能減排的目的。

2.2系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)基本原理及構(gòu)成圖如圖1所示。

2.3系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作基本流程圖如圖2所示。

燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)主要包括加熱和輸送兩個(gè)工作工程。加熱工作過(guò)程：燃油沉淀艙或日用艙內(nèi)熱油利用燃油轉(zhuǎn)駁泵吸出，并通過(guò)燃油加熱器繼續(xù)加熱至所需溫度后駁運(yùn)至燃油儲(chǔ)存艙，與吸口處冷油混合，以達(dá)到加熱燃油的目的。輸送工作過(guò)程：燃油轉(zhuǎn)駁泵停止運(yùn)行，燃油輸送泵將燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)混合加熱后的燃油駁運(yùn)至燃油沉淀艙。整個(gè)系統(tǒng)中依靠

圖1　燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)基本原理圖

圖2　系統(tǒng)工作基本流程圖

兩個(gè)工作過(guò)程交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)不設(shè)蒸汽盤管而能夠持續(xù)供應(yīng)燃油的目的。

燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)的一個(gè)循環(huán)周期一般設(shè)定為1 h，加熱模式工作45 min，輸送模式工作≤15 min。

系統(tǒng)正常開始運(yùn)作前，燃油沉淀艙內(nèi)燃油溫度需要滿足系統(tǒng)要求(一般情況下加熱至60℃)。隨后系統(tǒng)開始運(yùn)行，燃油轉(zhuǎn)駁泵和燃油輸送泵交替工作。

在船舶停航以后再次開航前，可通過(guò)燃油轉(zhuǎn)駁泵持續(xù)對(duì)儲(chǔ)存艙加熱3～6 h，然后再轉(zhuǎn)入正常的工作模式。

2.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.4.1燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)吸口附近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)輸船燃油儲(chǔ)存艙多為深艙，深度可達(dá)十幾米，為防止燃油熱量出現(xiàn)大量損失，保證吸口周圍冷油加熱至所需可泵溫度，通常需要在吸入口周圍設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間，其容積大約為系統(tǒng)1 h內(nèi)燃油輸送泵在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)輸油量的2～5倍?？臻g的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)存艙的結(jié)構(gòu)具體考慮，需便于燃油的透氣和流動(dòng)。

2.4.2燃油沉淀艙出油管高度設(shè)計(jì)

燃油儲(chǔ)存艙燃油溫度低于沉淀艙的溫度，儲(chǔ)存艙內(nèi)冷油輸送至沉淀艙后會(huì)沉入沉淀艙艙底，沉淀艙內(nèi)熱油則會(huì)上升，為避免發(fā)生剛進(jìn)沉淀艙的冷油被重新駁回燃油儲(chǔ)存艙的情況，燃油沉淀艙出油管的吸口高度處艙容需大于燃油輸送泵在1 h內(nèi)的輸油量。

2.4.3沉淀艙液位控制開關(guān)設(shè)置

沉淀艙內(nèi)輸送泵的啟停液位開關(guān)間距應(yīng)足夠大，其間的艙容差應(yīng)大于燃油輸送泵在1 h內(nèi)的輸油量，且啟泵開關(guān)設(shè)置在轉(zhuǎn)駁泵吸油口高度之上。

2.4.4溫度控制

燃油儲(chǔ)存艙所需加熱量隨著周圍環(huán)境溫度的變化而變化，系統(tǒng)需設(shè)置溫度控制裝置。在燃油儲(chǔ)存艙吸入管設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)燃油輸送泵工作時(shí)，傳感器將管內(nèi)燃油的溫度信號(hào)傳遞至燃油轉(zhuǎn)駁泵控制器。若燃油溫度低于系統(tǒng)的初始設(shè)定值(可高于泵溫度)，轉(zhuǎn)駁泵控制器收到信號(hào)后，會(huì)使其增速運(yùn)行，增加從沉淀艙駁回的熱油量，保證儲(chǔ)存艙吸口處燃油加熱至所需溫度。

2.4.5彈簧預(yù)壓截止止回閥的設(shè)置

由于燃油轉(zhuǎn)駁泵排出端與燃油輸送泵吸入管相連，在轉(zhuǎn)駁泵工作時(shí)，加壓后的熱油除駁運(yùn)至燃油儲(chǔ)存艙外，也可能通過(guò)輸送管路回流至沉淀艙；在燃油輸送泵工作時(shí)，其吸入端產(chǎn)生一定真空，除了能從燃油儲(chǔ)存艙抽吸燃油外，也可能通過(guò)燃油駁運(yùn)管路從沉淀艙內(nèi)抽吸熱油，排回沉淀艙。為避免這種情況發(fā)生，在燃油輸送泵和燃油駁運(yùn)泵排出端設(shè)置1只彈簧預(yù)壓截止止回閥，由于打開此閥需要一定壓力，將會(huì)保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3燃油艙加熱系統(tǒng)方案優(yōu)化對(duì)比

3.1節(jié)能情況

傳統(tǒng)蒸汽盤管加熱方式是將燃油艙內(nèi)所有燃油加熱至可泵溫度，并對(duì)燃油進(jìn)行保溫，燃油艙燃油通過(guò)燃油輸送泵輸送至燃油沉淀艙供船舶使用，如圖3所示。燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)只混合加熱燃油儲(chǔ)存艙吸口周圍燃油，加熱燃油量?jī)H為燃油日用系統(tǒng)1 h內(nèi)的消耗量，如圖4所示。

圖3　燃油艙采用傳統(tǒng)蒸汽盤管加熱流程

圖4　燃油艙采用轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)加熱流程

蒸汽耗量所對(duì)應(yīng)燃油消耗量計(jì)算公式:

式中：q為保溫蒸汽耗量，kg/h； uL為燃油低位發(fā)熱值，取40 350 kJ；i1為0.7 MPa下飽和蒸汽焓值[3]，取 i1=2 750 kJ；i2為60℃飽和水焓值，取250 kJ；ηs為燃油轉(zhuǎn)換為蒸汽效率，取85%。

2.5.3 搜集證據(jù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察 教師繼續(xù)追問： 如果莖中真的有管道，那么這些管道口分布莖橫切面的哪里？怎么樣才能讓我們觀察到它們？讓學(xué)生對(duì)導(dǎo)管分布有個(gè)預(yù)判，帶著問題去觀察。接下來(lái)教師現(xiàn)場(chǎng)拿來(lái)經(jīng)過(guò)課前精心篩選的、便于觀察的一種木本植物枝條進(jìn)行徒手切片，組織學(xué)生用顯微鏡低倍觀察莖的切片。學(xué)生很快看到了大量的小孔，并指出這些孔基本上分布在除了樹皮和中心外的區(qū)域。

電功率消耗量轉(zhuǎn)換為燃油消耗量計(jì)算公式:

式中：p為轉(zhuǎn)駁泵電功率，kW；ηe為發(fā)電機(jī)效率，取95%；ge為發(fā)電機(jī)組中柴油機(jī)燃油消耗率，192 g/(kW·h)。

圖5　燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化方案原理圖

以39 000 dwt散貨船為例，假設(shè)主機(jī)正常航行時(shí)產(chǎn)生的廢氣能夠產(chǎn)生足夠蒸汽，分析兩種加熱系統(tǒng)方式能量消耗對(duì)比，燃油艙采用燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)(見圖5)，與傳統(tǒng)蒸汽盤管加熱方式相比，可節(jié)省船舶燃油消耗量，如表1所示。

表1　39 000 dwt節(jié)能情況表

假如主機(jī)正常航行時(shí)產(chǎn)生的廢氣不能夠產(chǎn)生足夠蒸汽時(shí)，鍋爐還需啟動(dòng)燃燒器，那么采用轉(zhuǎn)駁加熱方式則更能顯著節(jié)省燃油消耗量。

3.2成本對(duì)比

假定燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)和蒸汽盤管加熱系統(tǒng)外圍管路、相關(guān)閥件、附件產(chǎn)生的費(fèi)用以及系統(tǒng)的安裝費(fèi)用相同，只比較兩種加熱系統(tǒng)中相對(duì)常規(guī)系統(tǒng)所增加設(shè)備的成本，如表2所示。

由表2可知，39 000 dwt散貨船燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)初始投資成本要比傳統(tǒng)蒸汽盤管加熱方式高出不少，節(jié)約了船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的燃油成本，如表3所示。

表2　39 000 dwt散貨船加熱系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)表

表3　39 000 dwt散貨船成本回收預(yù)測(cè)表

為保證船舶的正常浮態(tài)，在正常航行中通常需要同時(shí)使用左右對(duì)稱的一對(duì)燃油艙，這時(shí)節(jié)約的燃油成本約為理論值的2倍。而轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)采用溫度控制，其轉(zhuǎn)駁泵的運(yùn)行狀態(tài)隨油艙中駁出燃油溫度的變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)駁泵電機(jī)的消耗功率要小于上述表中所列的最大值。因此，相比傳統(tǒng)的蒸汽盤管加熱，其所能節(jié)省的燃油成本約為上述表格中所列理論值的2～3倍。燃油轉(zhuǎn)駁加熱系統(tǒng)前期所增加的投資成本在一年內(nèi)即可以收回。

4結(jié)論

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[上接第31頁(yè)]

表7　直接計(jì)算剪力值與規(guī)范計(jì)算值的比較

從表6和表7可以得到：采用規(guī)范算得的船舯剖面垂向波浪彎矩值比直接計(jì)算值大約13%；而SEC105、SEC119兩個(gè)剖面剪力的規(guī)范計(jì)算值比直接計(jì)算值分別小17.5%和9.6%。

4結(jié)論

(1) 計(jì)算得到的超越概率10-8下的預(yù)報(bào)極值大于重現(xiàn)期20年的預(yù)報(bào)極值，甚至大于重現(xiàn)期25年的預(yù)報(bào)極值，取該值作為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的極值能夠滿足設(shè)計(jì)要求；

(2) 對(duì)于在同一重現(xiàn)期和超越概率下的載荷參數(shù)預(yù)報(bào)極值，滿載狀態(tài)都大于壓載狀態(tài)；

(3) 船舯剖面垂向波浪彎矩預(yù)報(bào)值在迎浪和順浪時(shí)最大，并隨浪向趨近橫浪時(shí)逐漸減??；

(4) 壓載狀態(tài)下，本船在橫浪航行時(shí)扭轉(zhuǎn)問題最嚴(yán)重；滿載狀態(tài)下本船在斜浪航行時(shí)，扭轉(zhuǎn)問題最嚴(yán)重。對(duì)于此類船舶的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度問題需要特別考慮。

(5) 雖然本船滿足海船規(guī)范的尺度要求，但海船規(guī)范中的波浪剪力計(jì)算公式并不適用于本船。對(duì)于江海直達(dá)散貨船，波浪載荷計(jì)算采用直接計(jì)算法較為合適。江海直達(dá)散貨船的剪力值高于海船規(guī)范計(jì)算值，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

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Optimization of Fuel Oil Tank Heating System for Transport Ship

CHEN Cong, JI Gui-jun

(Shanghai Bestway Marine Engineering Design CO.,Ltd, Shanghai 201612, China)

AbstractThis paper mainly introduces the optimization design of a new fuel shifter heating system for the transport ship fuel oil tank heating system, to reduce the steam consumption and maintenance cost, and can help ship energy conservation and emission reduction.

KeywordsTransport shipBulk carrierContainer shipFuel shifter heating systemEnergy conservation and emission reduction

中圖分類號(hào)U672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

作者簡(jiǎn)介：陳聰(1981-)，男，工程師。