船舶油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計(jì)算的軟件實(shí)現(xiàn)

1 研發(fā)背景

目前,國(guó)內(nèi)有關(guān)燃油或滑油加熱僅有的計(jì)算程序，一為油輪加熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，一為管式加熱爐傳熱計(jì)算程序。前者確立了用大蒸汽量短時(shí)快速加熱，是貨油加熱最佳節(jié)能方式，編制用計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確計(jì)算加熱時(shí)間及控制加熱溫度的計(jì)算程序和原油油輪貨油自然冷卻平均溫降表和加熱時(shí)間表，建立了用數(shù)值方法計(jì)算油輪貨油艙溫度場(chǎng)方程式。后者適用于煉油廠(chǎng)各種燃油燃?xì)夤苁郊訜釥t的傳熱及受熱面各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，并可有效地模擬煉油廠(chǎng)常用加熱爐的實(shí)際情況[1]。這兩個(gè)加熱程序，與船舶燃油艙及滑油艙的加熱計(jì)算均無(wú)關(guān)聯(lián)?；诖朔N現(xiàn)狀，我們自主開(kāi)發(fā)了油艙蒸汽加熱計(jì)算程序。

2 程序概述

油艙加熱計(jì)算程序適合于船舶燃油艙、滑油艙及其它液艙的蒸汽加熱系統(tǒng)計(jì)算，尤其適合于液艙眾多、形狀各異的大型水面船舶的相關(guān)計(jì)算。它根據(jù)“油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計(jì)算方法”(CB/T3373-91)，利用Visual Basic 6.0編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]，采用“事件驅(qū)動(dòng)”編程機(jī)制，支持動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對(duì)象的連接和嵌入(OLE)、ActiveX Automation，以及可在應(yīng)用程序中訪(fǎng)問(wèn)和控制具有標(biāo)準(zhǔn)COM接口的其他應(yīng)用程序，如Office等[3]。

本程序?qū)Y(jié)構(gòu)變化復(fù)雜的油艙具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，給出的油艙圖例有19種，對(duì)于程序中未曾涉及到的復(fù)雜油艙結(jié)構(gòu)，使用者也可以通過(guò)程序設(shè)置的“其他油艙結(jié)構(gòu)”窗口進(jìn)行操作，并更加貼合實(shí)際地設(shè)置油艙周?chē)h(huán)境，然后進(jìn)行加熱時(shí)間、蒸汽流量以及蒸汽管道(加熱盤(pán)管)的計(jì)算等后續(xù)計(jì)算。

每次計(jì)算的管件的具體參數(shù)，最后都會(huì)以Excel表格的形式，詳盡地展示給用戶(hù)，便于用戶(hù)進(jìn)行多步計(jì)算后，對(duì)所輸入的參數(shù)以及相應(yīng)的結(jié)果一目了然[4]。

另外，為了方便用戶(hù)的使用，本軟件還添加了水及水蒸氣熱力性質(zhì)的計(jì)算子程序，免去了用戶(hù)在使用水及水蒸氣熱力性質(zhì)參數(shù)時(shí)查表的不便。用戶(hù)還可以自行擴(kuò)充蒸汽管道數(shù)據(jù)庫(kù)，在實(shí)際工作中，通過(guò)工作積累不斷地完善蒸汽管道的相關(guān)參數(shù)。

3 程序功能介紹

油艙加熱程序主要包括油艙結(jié)構(gòu)計(jì)算、加熱時(shí)間計(jì)算、蒸汽流量計(jì)算以及蒸汽管道設(shè)計(jì)計(jì)算四大部分，如圖1所示。

圖1 油艙加熱計(jì)算子程序界面

3.1 油艙結(jié)構(gòu)計(jì)算

在油艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里，使用者首先根據(jù)油艙的結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)所輸入的值進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，給出油艙的總表面積以及總?cè)莘e等相關(guān)的參數(shù)，為下一步的計(jì)算設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。其界面見(jiàn)圖2。

圖2 油艙結(jié)構(gòu)計(jì)算界面

根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有船舶的油艙結(jié)構(gòu)，本程序提供了18種不同的油艙結(jié)構(gòu)供用戶(hù)依照實(shí)際情況進(jìn)行選擇計(jì)算。

考慮到計(jì)算油艙的各艙壁周?chē)沫h(huán)境不同，如有的艙壁周?chē)鸀楹Ｋh(huán)境，有的為空氣，還有的為隔壁油艙。在不同的情況下，艙壁傳熱系數(shù)不同，而傳熱是計(jì)算加熱時(shí)間時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，因此在計(jì)算油艙結(jié)構(gòu)時(shí)，程序設(shè)有“油艙環(huán)境設(shè)置”這一功能。點(diǎn)擊此功能出現(xiàn)如圖3所示界面。

圖3 油艙環(huán)境設(shè)置

從界面上可以看出，油艙的周?chē)h(huán)境可能處于與海水、大氣、水艙、油艙以及機(jī)艙五種中的一種或幾種。針對(duì)每一油艙壁，選擇其所處的環(huán)境，然后分別點(diǎn)擊界面左側(cè)的5個(gè)功能鍵，從而顯示出與相應(yīng)環(huán)境條件相鄰的油艙壁面積。

界面下端的功能鍵有分別連接油艙加熱時(shí)間計(jì)算、蒸汽流量計(jì)算以及蒸汽管道設(shè)計(jì)計(jì)算，點(diǎn)擊后便會(huì)進(jìn)入所提示界面，數(shù)據(jù)會(huì)隨之導(dǎo)入，以便進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

3.2 蒸汽流量計(jì)算

蒸汽流量計(jì)算中用到蒸汽及管道參數(shù)(進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長(zhǎng)度、盤(pán)管排數(shù)等)、燃油參數(shù)(燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫)、油艙參數(shù)(與周?chē)h(huán)境接觸面積、周?chē)h(huán)境溫度、預(yù)設(shè)加熱時(shí)間等)和環(huán)境參數(shù)(大氣溫度、海水溫度)。

其中已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油參數(shù)、油艙參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、預(yù)設(shè)加熱時(shí)間。需經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算得出且具可改性的有：燃油體積、油艙參數(shù)(圖4)。

圖4 蒸汽流量計(jì)算界面

3.3 蒸汽管道設(shè)計(jì)計(jì)算

蒸汽管道的計(jì)算是在已知蒸汽管道部分參數(shù)、蒸汽參數(shù)、油艙及環(huán)境參數(shù)以及預(yù)設(shè)加熱時(shí)間的前提下進(jìn)行的，目的是為了計(jì)算加熱管道總長(zhǎng)度，見(jiàn)圖5。

圖5 蒸汽管道設(shè)計(jì)計(jì)算界面

此計(jì)算中用到蒸汽及管道參數(shù)(進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長(zhǎng)度、盤(pán)管排數(shù)等)、燃油參數(shù)(燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫)、油艙參數(shù)(與周?chē)h(huán)境接觸面積、周?chē)h(huán)境溫度、預(yù)設(shè)加熱時(shí)間等)和環(huán)境參數(shù)(大氣溫度、海水溫度)。

其中已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油參數(shù)、油艙參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、預(yù)設(shè)加熱時(shí)間。需經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算得出且具可改性的有：油艙參數(shù)。

3.4 加熱時(shí)間及管道膨脹量計(jì)算

加熱時(shí)間的計(jì)算分為兩種情況，一種是在蒸汽量一定(即輸入蒸汽參數(shù)一定，如進(jìn)口蒸汽、出口凝水的物性參數(shù)、蒸汽需求量等)時(shí)計(jì)算燃油達(dá)到指定溫度所需的加熱時(shí)間；另一種是在加熱面積一定(即盤(pán)管的加熱面積一定)時(shí)計(jì)算加熱時(shí)間。兩種計(jì)算的前提不一樣，為操作者提供可選性，見(jiàn)圖6。

圖6 加熱時(shí)間及管道膨脹量計(jì)算界面

加熱計(jì)算的同時(shí)伴有管道膨脹量的計(jì)算。用到的參數(shù)為：盤(pán)管橫向長(zhǎng)度、盤(pán)管縱向長(zhǎng)度、鋼材單位線(xiàn)膨脹量，其中盤(pán)管橫向長(zhǎng)度和盤(pán)管縱向長(zhǎng)度為已知且具可選性。鋼材單位線(xiàn)膨脹量可查相關(guān)資料。

4 計(jì)算原理

油艙加熱計(jì)算程序不僅可以對(duì)不同油艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行面積計(jì)算，還能計(jì)算出加熱時(shí)間、蒸汽流量并進(jìn)而進(jìn)行蒸汽管道的設(shè)計(jì)計(jì)算。由于算法眾多，相應(yīng)計(jì)算公式也就較多，本文僅以加熱面積一定時(shí)求取加熱時(shí)間為例，進(jìn)行計(jì)算原理說(shuō)明[5]，其余計(jì)算原理不再贅述。

加熱面積一定時(shí)求取加熱時(shí)間所用到的參數(shù)如下：

1) 蒸汽及管道參數(shù)，包括進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長(zhǎng)度、盤(pán)管排數(shù)、管道傳熱系數(shù)；

2) 油艙及環(huán)境參數(shù)，即油艙體積及艙壁面積、油艙外部介質(zhì)及溫度；

3) 燃油參數(shù)包括燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫；

4) 油艙參數(shù)是指與海水接觸面積、與大氣接觸面積、臨水艙接觸面積、臨油艙接觸面積、臨機(jī)艙接觸面積、隔壁水艙溫度、隔壁油艙溫度、隔壁機(jī)艙溫度，油艙滿(mǎn)度；

5) 環(huán)境參數(shù)，即大氣溫度、海水溫度；

以上參數(shù)中是已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫、隔壁水艙溫度、隔壁油艙溫度、隔壁機(jī)艙溫度、環(huán)境參數(shù)，燃油體積。需經(jīng)過(guò)測(cè)量計(jì)算得出且具可改性的有：油艙體積、與海水接觸面積、與大氣接觸面積、臨水艙接觸面積、臨油艙接觸面積、臨機(jī)艙接觸面積。

另外在加熱的同時(shí)還伴有管道膨脹量的計(jì)算。所用參數(shù)，如鋼材單位線(xiàn)膨脹量，鋼材單位線(xiàn)膨脹量可查相關(guān)資料[6]。

加熱面積一定時(shí)求取加熱時(shí)間計(jì)算公式如下：

式中

m0=md×ρ×v0

其中

Kh×Ah=Kh1×Ah1+Kh2×Ah2+Kh3×Ah3

Kh×Ah×θh=Kh1×Ah1×θh1+

Kh2×Ah2×θh2+Kh3×Ah3×θh3

式中，tr為所需加熱時(shí)間，h；m0為油的質(zhì)量，kg；c0為油的比熱容，J/kg·℃；Ks為加熱管道的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/m2·℃；As為加熱管道總表面積，m2；Kw為水線(xiàn)下與海水接觸散熱面的傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Aw為與海水接觸面積，m2；Ka為水線(xiàn)上外板傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Aa為水線(xiàn)上外板面積，m2；Kh1為臨艙(機(jī)艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah1為臨艙(機(jī)艙)隔壁面積，m2；Kh2為臨艙(水艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah2為臨艙(水艙)隔壁面積，m2；Kh3為臨艙(油艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah3為臨艙(油艙)隔壁面積，m2；L為加熱盤(pán)管總長(zhǎng)度，m；θ0為加熱前油溫，℃；θr為加熱后油溫，℃；θs為加熱蒸汽平均溫度，℃；θw為海水溫度，℃；θa為大氣溫度，℃；θh為臨艙溫度，℃；md為油艙滿(mǎn)度。

同時(shí)在此附有管道膨脹量的計(jì)算，鋼材的單位線(xiàn)膨脹量計(jì)算公式為：

et=0.001 28×(θ-100)+0.092

式中，et為鋼材的單位線(xiàn)膨脹量，cm/m。

整體膨脹量公式：

U=L×et

則管道的膨脹量在常溫下膨脹量為：

et1=0.001 28×(θ0-100)+0.092

加熱溫度下膨脹量為：

et2=0.001 28×(θr-100)+0.092

5 計(jì)算實(shí)例

計(jì)算實(shí)例仍以加熱面積一定(10×4.5×1.6 m3的矩形油艙)求取加熱時(shí)間為例。已知參數(shù)如下：

1) 油艙及環(huán)境參數(shù),包括燃油密度925 kg/m3、燃油比熱容800 J/kg·℃、加熱前溫度2℃、加熱后油溫20℃、海水溫度0℃、船外大氣溫度0℃、隔壁水艙溫度2℃、隔壁油艙溫度2℃、隔壁機(jī)艙溫度5℃、油艙滿(mǎn)度80%；

2) 蒸汽管道參數(shù)包括加熱管道進(jìn)口蒸汽溫度164℃、加熱管道進(jìn)口蒸汽壓力0.7 MPa、加熱管道出口凝水溫度60℃、加熱管道出口凝水壓力0.02 MPa、盤(pán)管長(zhǎng)度420 m；

3) 與環(huán)境接觸總傳熱系數(shù)包括隔壁為海水6.98 W/m2·℃、隔壁為油艙5.82 W/m2·℃、隔壁為大氣8.72 W/m2·℃、隔壁為機(jī)艙5.82 W/m2·℃、隔壁為水艙5.82 W/m2·℃。

雙擊圖標(biāo)進(jìn)入軟件首界面，選擇“油艙加熱計(jì)算”，進(jìn)入油艙蒸汽加熱計(jì)算程序。求取加熱時(shí)間時(shí)選擇“加熱時(shí)間的計(jì)算”，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入油艙加熱計(jì)算子程序的主要操作界面(圖7)。

圖7 加熱面積一定時(shí)加熱時(shí)間計(jì)算界面

輸入加熱面積時(shí)，油艙的體積點(diǎn)擊“鏈接油艙結(jié)構(gòu)計(jì)算”按鈕，進(jìn)入“油艙結(jié)構(gòu)計(jì)算界面”進(jìn)行油艙面積計(jì)算(圖8);點(diǎn)擊油艙環(huán)境設(shè)置，即可計(jì)算出油艙與各個(gè)環(huán)境接觸面積(圖9)。最后點(diǎn)擊“鏈接加熱時(shí)間計(jì)算”，油艙與各個(gè)環(huán)境接觸面積就會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入加熱時(shí)間計(jì)算界面中，見(jiàn)圖7。

圖8 油艙面積計(jì)算

遇到水及蒸汽熱力性質(zhì)的，如上所述可以鏈接水及蒸汽性質(zhì)軟件求解導(dǎo)入，在此計(jì)算中要求輸入管道的參數(shù)，可以點(diǎn)擊“鏈接管道材料選取”按鈕，鏈接管道參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)(圖10),鏈接后退出本界面。

圖10 管道材料選取界面

計(jì)算結(jié)果顯示：在上述已知的條件下，油艙內(nèi)燃油的質(zhì)量是53 280 kg，加熱管道的總膨脹量為9.667 cm(平均每米膨脹量為0.23 mm)，在給定所選管道參數(shù)時(shí)，所需加熱時(shí)間為0.439 h。

計(jì)算完成之后，點(diǎn)擊file輸出excel文件，即可將計(jì)算結(jié)果輸出存儲(chǔ)。

6 結(jié) 論

油艙加熱計(jì)算程序?yàn)橛脩?hù)提供了簡(jiǎn)潔的操作界面和完善的數(shù)據(jù)輸出接口，數(shù)據(jù)輸入清晰明了，操作使用方法簡(jiǎn)便，并具備了一定的計(jì)算參數(shù)擴(kuò)充能力，計(jì)算結(jié)果輸出完整詳實(shí)。油艙加熱計(jì)算程序能夠滿(mǎn)足船舶油艙蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算的要求，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

油艙加熱計(jì)算程序適用于船舶燃油艙、滑油艙及其它液艙的蒸汽加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，尤其適合于液艙眾多、形狀各異的大型水面艦船的相關(guān)計(jì)算。本油艙蒸汽加熱計(jì)算程序的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，把繁重的人工計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)程序計(jì)算，提高了計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，大大提高了油艙蒸汽加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作效率，有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社，1991.

[2] HERGERT D. Visual Basic 5寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社,1998.

[3] THAYER R. Visual Basic 6揭秘[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[4] 計(jì)算機(jī)現(xiàn)代數(shù)值方法.大連理工大學(xué)數(shù)學(xué)講義[G](研究生教材).

[5] 油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計(jì)算方法[S].北京：中國(guó)船舶工業(yè)總公司，1992.

[6] 劉志剛等.工質(zhì)熱物理性質(zhì)計(jì)算程序的編制及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1992.