許小紅

(南京金陵船廠有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

為了降低船舶營(yíng)運(yùn)成本，主機(jī)作為船舶主要燃油消耗設(shè)備，提高其效率，降低其油耗成為重要的研究目標(biāo)。越來(lái)越多的船舶將主機(jī)最大持續(xù)功率(MCR)趨向部分負(fù)荷設(shè)計(jì)，持續(xù)服務(wù)工況點(diǎn)更趨向主機(jī)最經(jīng)濟(jì)的油耗點(diǎn)。但是，隨著主機(jī)油耗的降低，主機(jī)的排氣溫度會(huì)大幅下降，從而導(dǎo)致廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量也越來(lái)越低，使得船舶在營(yíng)運(yùn)過程中需要頻繁的使用燃油鍋爐來(lái)彌補(bǔ)所需蒸汽量的不足，實(shí)際上增加了全船的綜合油耗，最終增加了船舶的實(shí)際營(yíng)運(yùn)成本。本文在分析廢氣鍋爐蒸發(fā)量現(xiàn)狀和燃油輸送加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過增加SHIFTER系統(tǒng)和修改燃油儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少儲(chǔ)存艙加熱和保溫的蒸汽使用量的目的，從而降低鍋爐燃油消耗量。

1 廢氣鍋爐蒸發(fā)量的現(xiàn)狀

隨著主機(jī)效率的提高和油耗的降低，排氣溫度大幅降低，使得主機(jī)排氣中可利用的廢熱量大幅下降，造成廢氣產(chǎn)生的鍋爐蒸發(fā)量也大幅下降。82 000載重噸散貨船改型前后鍋爐蒸發(fā)量相關(guān)參數(shù)的對(duì)比見表1。從表1發(fā)現(xiàn)，改型后的82 000載重噸散貨船主機(jī)產(chǎn)生的廢氣量減少了約16%，廢氣溫度降低了27 ℃。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),鍋爐最低的廢氣出口溫度一般在184 ℃左右，因此可利用的溫差從39 ℃左右降低到僅有12 ℃左右，可利用的溫差減少了近69%。廢氣量和廢氣溫度兩者疊加，主機(jī)廢氣中可利用的廢熱量共計(jì)降低了約74%。

表1 82 000載重噸散貨船改型前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比

從表中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，廢氣鍋爐可以產(chǎn)生的最大蒸汽量從遠(yuǎn)高于正常航行所需的蒸汽量，變得無(wú)法滿足船舶日常航行所需，因此船舶營(yíng)運(yùn)過程中需要頻繁的使用燃油鍋爐來(lái)彌補(bǔ)所需蒸汽量的不足，反而增加了船舶的實(shí)際營(yíng)運(yùn)成本。為了節(jié)約能耗，通過燃油輸送加熱系統(tǒng)可以減少儲(chǔ)存艙加熱和保溫的蒸汽使用量，很大程度地緩解了廢氣鍋爐蒸發(fā)量不足的現(xiàn)狀。

2 目前燃油儲(chǔ)存艙的加熱系統(tǒng)

某82 000載重噸散貨船現(xiàn)有5個(gè)燃油儲(chǔ)存艙，分別為NO.1燃料油儲(chǔ)存艙(左)，NO.1燃料油儲(chǔ)存艙(右)，NO.2燃料油儲(chǔ)存艙(左)，NO.2燃料油儲(chǔ)存艙(右)，NO.3低硫燃料油儲(chǔ)存艙(右)。燃料油儲(chǔ)存艙需要加熱并保溫，但是因與油艙和壓載艙以及貨艙相鄰，大量的熱量被海水帶走，造成了極大的浪費(fèi)。根據(jù)規(guī)格書要求，燃油儲(chǔ)存艙的加熱方式為加熱盤管加熱。燃料油儲(chǔ)存艙的加熱盤管面積比為0.06 m2/m3,各艙布置的加熱盤管見表2。

表2 加熱盤管材料明細(xì)表

3 燃油輸送加熱系統(tǒng)特點(diǎn)

燃油輸送加熱系統(tǒng)是在儲(chǔ)存艙沒有蒸汽加熱的情況下,基于熱消耗的分析及計(jì)算，將澄清艙/日用艙內(nèi)適量較高溫度的燃油抽吸至儲(chǔ)存艙，通過混合存儲(chǔ)艙吸口井的冷油，從而使吸口井的燃油溫度提升到合適的溫度后再抽吸到澄清艙，如此循環(huán)的一個(gè)過程。

燃油輸送加熱系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1)安裝有燃油輸送加熱系統(tǒng)的船舶，不需加熱盤管或者僅需在燃油儲(chǔ)存艙吸口井處布置蒸汽加熱盤管即可，整艙已不再需要布置額外的蒸汽加熱盤管。

(2)燃油儲(chǔ)存輸送加熱系統(tǒng)縮短了熱油停留在儲(chǔ)存艙的時(shí)間，減少了船體結(jié)構(gòu)和海水接觸帶來(lái)的熱損失，從而獲得更高的熱循環(huán)效率。

(3)燃油輸送加熱系統(tǒng)僅僅加熱需要輸送的燃油，將加熱的容積最小化而不是用加熱盤管加熱整艙，最大化節(jié)約能源，并且該系統(tǒng)是直接用熱油加熱，比傳統(tǒng)的加熱盤管加熱效果更好更快。

(4)因系統(tǒng)不再需要對(duì)燃油儲(chǔ)存艙整艙加熱，從而減少了燃油儲(chǔ)存艙壁與貨艙間的凝水產(chǎn)生，有效地降低了對(duì)船舶裝載貨品的損失。同樣，也增加了對(duì)鄰近水艙(壓載艙)涂層的保護(hù)， 減少因儲(chǔ)存艙加熱帶來(lái)的結(jié)構(gòu)涂裝破壞的損失。

4 實(shí)船燃油輸送加熱系統(tǒng)分析

4.1 燃油輸送加熱系統(tǒng)概要

(1)82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)如圖1所示。圖中，在原燃油輸送系統(tǒng)中增加了燃油澄清艙和燃油日用艙出口閥、輸送加熱泵、燃油輸送泵及輸送加熱泵出口預(yù)載荷彈簧閥、壓力開關(guān)、溫度傳感器以及輸送加熱系統(tǒng)控制器；調(diào)整燃油儲(chǔ)存艙的結(jié)構(gòu)，在儲(chǔ)存艙內(nèi)設(shè)計(jì)足夠大小容積的吸口井(吸口井的容積通常為每小時(shí)消耗量和回油量之和的2～5倍)，該吸口井用于儲(chǔ)存艙內(nèi)的局部加熱，便于燃油輸送泵將燃油從儲(chǔ)存艙抽吸至澄清艙。

圖1 82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)圖

(2)燃油輸送加熱系統(tǒng)就是將燃油澄清艙或燃油日用艙內(nèi)已經(jīng)加熱的燃油吸至燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)吸口井進(jìn)行加熱，分為“加熱”和“輸送”兩個(gè)過程自動(dòng)輪流交替進(jìn)行。

加熱過程：燃油澄清艙或燃油日用艙內(nèi)已經(jīng)加熱的燃油通過輸送加熱泵吸至燃油儲(chǔ)存艙內(nèi)吸口井進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為每小時(shí)運(yùn)行45 min。在自動(dòng)(時(shí)間 & 流量自動(dòng))模式下, 輸送加熱泵的排量根據(jù)油溫自動(dòng)調(diào)節(jié)，加熱時(shí)間也是可以控制的。

輸送過程：輸送泵從儲(chǔ)存艙到澄清艙的輸送量一般為每小時(shí)的燃油消耗量及回油量之和。燃油輸送泵通常每小時(shí)運(yùn)行15 min，輸送時(shí)間是會(huì)隨流量的變化而變化的。

當(dāng)燃油輸送泵運(yùn)行時(shí)，輸送加熱泵停止；當(dāng)燃油輸送泵停止時(shí)，輸送加熱泵運(yùn)行并開始加熱過程，輪流替換。

(3)該系統(tǒng)燃油輸送泵吸口管路上安裝有溫度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，并有應(yīng)急情況時(shí)給予系統(tǒng)的保護(hù)。

4.2 燃油輸送加熱系統(tǒng)節(jié)能分析

以某82 000載重噸散貨船為例，對(duì)于燃油輸送加熱系統(tǒng)的節(jié)能量進(jìn)行估算。

船舶正常航行時(shí)，蒸汽耗量可以按照NO.1燃料油儲(chǔ)存艙(左)進(jìn)行保溫和NO.3低硫燃料油儲(chǔ)存艙(右)間歇加熱進(jìn)行考慮。

(1)保溫狀態(tài)下蒸汽耗量：

式中：Sk為單位時(shí)間內(nèi)保溫艙柜內(nèi)油所消耗的蒸汽量，kg/h；K為各表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kJ/(K·m2·h)；F為各表面的表面積，m2；TA為艙柜初始溫度，℃；TC為環(huán)境溫度，℃；IS為一定工作壓力下的蒸汽焓，J/g；ID為一定工作壓力下的凝水焓，J/g。

(2)加熱狀態(tài)下蒸汽耗量：

式中：SH為一定單位時(shí)間內(nèi)加熱艙柜內(nèi)油所消耗的蒸汽量，kg/h；TB為艙柜終止溫度，℃；T為加熱時(shí)間，h；C為艙柜內(nèi)介質(zhì)的比熱， J/(g·K)；W0為艙柜內(nèi)介質(zhì)的總質(zhì)量，kg。

夏季工況下，環(huán)境溫度為25 ℃，艙柜終止溫度為45 ℃。經(jīng)計(jì)算，NO.1燃料油儲(chǔ)存艙(左)的蒸汽耗量SK=105.78 kg/h，負(fù)荷因素η=0.6，保溫蒸汽耗量為63.47 kg/h；NO.3低硫燃料油儲(chǔ)存艙(右)的蒸汽耗量SH=65.94 kg/h，負(fù)荷因素η=0.5，蒸汽耗量為32.97 kg/h。因此，夏季工況下儲(chǔ)存艙的總蒸汽耗量為96.44 kg/h。

冬季工況下的環(huán)境溫度為5 ℃。經(jīng)計(jì)算，儲(chǔ)存艙的蒸汽耗量為306.74 kg/h。

根據(jù)鍋爐廠家提供的資料，燃油消耗率每產(chǎn)生100 kg/h蒸汽所需燃燒燃油約7.5 kg/h。以船舶一年航行200 d計(jì)算，將節(jié)約燃油約72 t。目前該方案在實(shí)船應(yīng)用上取得了良好的效果，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

上述分析不難看出，僅僅是在燃油輸送系統(tǒng)上增加SHIFTER系統(tǒng)，以及對(duì)燃油儲(chǔ)存艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，就能減少燃油消耗。該方案不受船舶類型的限制，其應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。隨著市場(chǎng)對(duì)節(jié)能降耗的越來(lái)越重視，能通過少量的初始投入來(lái)降低日后長(zhǎng)期營(yíng)運(yùn)成本是非常值得的。

5 結(jié)語(yǔ)

燃油輸送加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及理念相當(dāng)簡(jiǎn)單，僅僅是用局部加熱代替整艙加熱，輸送系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)快速循環(huán)代替保溫。雖然簡(jiǎn)單，但是效率高并且操作起來(lái)穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯而易見，深受船東好評(píng)，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本的目的，為當(dāng)前廢氣鍋爐蒸汽量不足尋求了一個(gè)簡(jiǎn)單易行的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 費(fèi)千,富貴根.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2008.