貨油加熱系統(tǒng)節(jié)能減排的探討與應(yīng)用

,何熾

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000； 2.浙江省船舶檢驗(yàn)局舟山檢驗(yàn)處，浙江 舟山316000)

目前油船設(shè)計(jì)多考慮貨油加熱系統(tǒng)的功能性，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能性則考慮不足，船級(jí)社有關(guān)法規(guī)、規(guī)范對(duì)這方面均未有任何強(qiáng)制性要求。從節(jié)能的角度考慮，有必要對(duì)貨油加熱系統(tǒng)的性能與功能進(jìn)行分析。

1 加強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與改進(jìn)施工工藝

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)選型計(jì)算與分析

通過熱力學(xué)計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。熱力學(xué)計(jì)算主要考慮貨油需熱量、鍋爐供熱量、加熱盤管的長(zhǎng)度與換熱面積幾者之間的相互匹配與平衡，盡可能發(fā)揮貨油加熱系統(tǒng)的有效熱效率，減少無效熱損耗[1]。

1) 貨油需熱量與鍋爐供熱量。

(1)貨油每小時(shí)吸熱量Q1。

Q1=W×c(t終-t初)×103/t

(1)

式中：W——貨油量，t；

t——加熱總時(shí)間，h；

c——貨油相應(yīng)溫度下比熱容；

t終、t初——加熱終了與開始時(shí)溫度。

(2)貨油每小時(shí)損失的熱量Q2。

Q2=3 600[F1K1(tm-t1)+F2K2(tm-t1)+

F3K3(tm-t2)+F4K4(tm-t2)+

F5K5(tm-t3)]

(2)

式中：tm——貨油的平均溫度，

tm=2/3t終+1/3t初;

t1、t2、t3——艙外水、空氣以及鄰艙貨油的溫度；

F1～F5——貨油接觸水線下舷板、船底板、水線上舷板、貨油甲板以及與鄰艙接觸面積；

K1～K5——貨油接觸水線下舷板、船底板、水線上舷板、貨油甲板以及與鄰艙壁接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

(3)貨油加熱所需總熱量Q。

Q=Q1+Q2

(3)

(4)若采用蒸汽加熱，加熱蒸汽消耗量為G。

G=Q/0.95(H1-H2)

(4)

式中：H1、H2——加熱蒸汽以及凝水的熱焓。

(5)若采用熱媒油加熱，加熱媒油流量為G。

G=3 600Q/CTΔt

(5)

式中：CT——熱媒油比熱;

Δt——加熱對(duì)象熱媒油進(jìn)出口溫差。

上述計(jì)算是對(duì)貨油加熱用鍋爐選型的主要依據(jù)。因目前的法規(guī)對(duì)這方面的計(jì)算沒有明確的規(guī)定，圖紙審核批準(zhǔn)部門也沒有強(qiáng)制要求設(shè)計(jì)單位提交鍋爐選型計(jì)算，使得很多油船在設(shè)計(jì)中對(duì)鍋爐憑經(jīng)驗(yàn)直接選型。若選用蒸發(fā)量小的鍋爐，則加熱時(shí)間加長(zhǎng)，熱損失Q2增加，總需熱增加，最終導(dǎo)致蒸汽消耗量增加，必然引發(fā)鍋爐燃油量消耗增加，致使廢氣排放量增加，鍋爐經(jīng)濟(jì)性降低。若選用蒸發(fā)量大的鍋爐，由于貨油加熱所需總熱量在初溫與終溫不變時(shí)總量一定，一旦貨油卸載速率與加熱速度不匹配，為了貨油保溫，則必須對(duì)貨油繼續(xù)加熱，使鍋爐燃燒系統(tǒng)在低負(fù)荷狀態(tài)下燃燒，燃燒不完善，熱效率低，最終也會(huì)導(dǎo)致總耗油增加，廢氣排放量增加，鍋爐經(jīng)濟(jì)性降低。

2) 加熱盤管的換熱面積與長(zhǎng)度。

(1)加熱盤管換熱面積S。

S=Q/0.9h0(ts-tm)×3 600

(6)

式中：h0——加熱盤管傳熱系數(shù)，對(duì)于無縫鋼管，h0推薦取值范圍為100～120；

ts——加熱蒸汽與凝水溫度的平均值。

(2)加熱盤管長(zhǎng)度L。

L=S/πd0

(7)

式中:d0——加熱盤管內(nèi)徑。

加熱盤管只能采用無縫鋼管，且直徑×壁厚為60 mm×5 mm，故d0應(yīng)取50 mm[2]。

目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)油船缺乏對(duì)貨油加熱系統(tǒng)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，加熱管系也僅以原理圖形式提交審核，這樣貨油艙究竟需要多少面積以及多長(zhǎng)的加熱盤管，則難于控制。若加熱盤管換熱面積或長(zhǎng)度不足，必然導(dǎo)致貨油艙換熱量減少，貨油向外熱損失的量仍存在，致使貨油的有效吸熱量少，升溫難。若加熱盤管換熱面積或長(zhǎng)度過大，鍋爐的能力沒有改變，使得加熱介質(zhì)在管內(nèi)流動(dòng)阻力增加，流速下降，壓力降低，最終導(dǎo)致傳熱效率降低。這些都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性下降，不符合低碳環(huán)保要求。

1.2 改進(jìn)加熱盤管安裝施工工藝

加熱盤管應(yīng)均勻布置在艙底，最下一層盤管應(yīng)盡量靠近艙底，為了便于檢修、更換，加熱盤管中心線距內(nèi)底高度一般可取100～150 mm。貨油艙內(nèi)的加熱盤管應(yīng)采用焊接方式連接，原則上不應(yīng)采用法蘭聯(lián)接，但為便于進(jìn)行檢查和維修，可以采用有限而必要的法蘭接頭。加熱盤管相鄰兩管段之間間距不宜過大，否則，加熱效果差，加熱時(shí)間長(zhǎng)；加熱間距也不可過密，否則，加熱管過長(zhǎng)，加熱介質(zhì)流動(dòng)阻力增加，傳熱效率降低。按照上述計(jì)算公式分別算出各艙的加熱盤管換熱面積與長(zhǎng)度，再根據(jù)各艙加熱盤管的總長(zhǎng)度與艙底表面積大小進(jìn)行綜合測(cè)算并合理分組，最后依據(jù)各分段的長(zhǎng)度與艙底表面積確定同一層相鄰管段之間的間距。同時(shí)，上下兩層盤管各對(duì)應(yīng)管段在空間不應(yīng)處于同一平面內(nèi)，應(yīng)錯(cuò)位布置，這樣加熱時(shí)各管段周圍的貨油與加熱盤管內(nèi)的加熱介質(zhì)溫差相對(duì)較大，有利于改善換熱效果。因此，有必要改變通常為安裝方便將各層對(duì)應(yīng)管段布置在同一方向上的做法[3-4]。

2 研發(fā)并使用先進(jìn)環(huán)保的節(jié)能技術(shù)

2.1 開發(fā)并采用貨油艙保溫涂層

貨油艙無論處于加溫模式還是保溫模式，貨油通過貨艙鋼質(zhì)壁面都將與四周接觸的介質(zhì)進(jìn)行傳熱，故貨油熱損失Q2始終存在，且環(huán)境溫度越低其熱損失越大，這必然影響整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，使得鍋爐燃料消耗與排放增加，導(dǎo)致環(huán)境成本與資源成本增加。為此可以考慮開發(fā)并使用貨油艙保溫涂層，該保溫涂層最好具備以下3個(gè)關(guān)鍵特性：①較高的隔熱系數(shù)；②較高的防腐性；③與貨油接觸的不粘性或少粘性。若如此，可達(dá)到減少貨油熱損失，同時(shí)也可以對(duì)貨油艙壁面進(jìn)行保護(hù)，減少貨油對(duì)其腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命，降低維護(hù)成本，更可以減少因貨油粘附在艙壁上洗艙時(shí)對(duì)能源的消耗以及對(duì)環(huán)境的污染。

2.2 貨控臺(tái)中央處理自動(dòng)控制系統(tǒng)

研發(fā)并使用貨控臺(tái)中央處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)貨油艙貨油裝載量以及溫度變化情況，將探測(cè)信號(hào)傳輸?shù)街醒胩幚砥鳎偻ㄟ^中央處理器控制各貨油艙流量自動(dòng)控制閥的開度來調(diào)控各貨油加熱量，同時(shí)向鍋爐報(bào)警控制中心傳輸一個(gè)相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)以改變鍋爐燃燒系統(tǒng)的供油量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。其基本控制原理見圖1。

圖1 自動(dòng)控制原理

圖1中貨油艙內(nèi)需加裝液位以及溫度感應(yīng)探頭，為方便控制，降低成本，減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，流量自動(dòng)控制閥①應(yīng)按照?qǐng)D2所示的方法加裝。

圖2 流量控制閥位置示意

因目前油船上各貨油艙加熱支管基本都是直接連接到加熱總管上，這樣就造成各貨油艙難以根據(jù)不同的裝載量而自動(dòng)調(diào)節(jié)其加熱量，更難控制當(dāng)加熱溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)對(duì)貨油進(jìn)行保溫的供熱量，從而造成大量的熱損失，使整個(gè)系統(tǒng)的效率降低。因此，建議在各貨油艙上增設(shè)加熱介質(zhì)分配匯集管，并在加熱總管與分配匯集管之間加裝流量自動(dòng)控制閥。

由于目前還沒有專門針對(duì)油船貨油加熱系統(tǒng)自動(dòng)控制的貨控臺(tái)中央處理控制系統(tǒng)，這就需要研發(fā)一個(gè)中央處理器并將其安裝在貨控臺(tái)上對(duì)整個(gè)貨油加熱系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。

3 采用先進(jìn)的操作與管理技術(shù)

貨油加熱系統(tǒng)除了按照常規(guī)的操作規(guī)程以及船檢部門要求定期進(jìn)行清潔、維修、保養(yǎng)并調(diào)試外，還應(yīng)研究并采用先進(jìn)的操作與管理技術(shù)，以保證貨油加熱系統(tǒng)高效運(yùn)作。

1) 加強(qiáng)貨油加熱過程的調(diào)控與監(jiān)管。每種油品都有一個(gè)最佳的卸載粘度，如果貨油加熱的溫度高于其最佳卸載粘度所對(duì)應(yīng)的溫度時(shí)，必然造成整個(gè)系統(tǒng)能源浪費(fèi)，使其經(jīng)濟(jì)性下降，排放增加，不符合節(jié)能減排的理念；如果加熱溫度達(dá)不到所需溫度，則導(dǎo)致貨油裝卸困難，時(shí)間成本增加，靠泊等費(fèi)用上升，船舶的利潤(rùn)降低。因此，為解決這些矛盾，應(yīng)綜合考慮各貨油艙卸載順序，各艙加熱到最佳溫度的時(shí)間，船舶在碼頭卸油時(shí)間，以確定各艙最合適加溫的時(shí)間點(diǎn)。這樣可以減少貨油艙加熱到最佳溫度需保溫所消耗的熱能。再者，在卸油過程中根據(jù)各艙貨油的變化以及溫度的變化及時(shí)操作各加熱控制閥，調(diào)控其加熱量并同步調(diào)整鍋爐的負(fù)荷。使整個(gè)系統(tǒng)始終處于最佳的工作狀態(tài)，也可以彌補(bǔ)部分船舶在鍋爐設(shè)計(jì)選型時(shí)造成的先天不足。

2) 編制并使用貨油加溫手冊(cè)。為了發(fā)揮貨油加熱系統(tǒng)的最佳效率，減少船員操作誤差，更為減少船舶在不同的裝載量、不同卸載環(huán)境以及所需的不同加熱量時(shí)對(duì)系統(tǒng)操作和控制的難度，建議編制并使用貨油加溫手冊(cè)。加溫手冊(cè)的編制應(yīng)借助計(jì)算機(jī)將熱力學(xué)計(jì)算編制成計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序既可用到前面中央處理器中，也可應(yīng)用到船舶貨油加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該程序可編制船舶在各種工況條件下的加熱量以及保溫量，這樣既可做到節(jié)能減排，又可以減少船員操作的難度。

4 結(jié)論

對(duì)貨油加熱系統(tǒng)采取優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)加熱盤管安裝工藝，開發(fā)并采用貨油艙保溫涂層，研制貨控臺(tái)中央處理自動(dòng)控制系統(tǒng)，加強(qiáng)貨油加熱過程的管控，編制并使用貨油加溫手冊(cè)等方法與措施可以減少該系統(tǒng)的排放并降低對(duì)能源的消耗。

[1] 陳可越.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:中國(guó)交通科技出版社，2007.

[2] 《輪機(jī)工程手冊(cè)》編委會(huì).輪機(jī)工程手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，1992.

[3] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.中國(guó)造船質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:人民交通出版社，2006.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.國(guó)內(nèi)航行海船建造規(guī)范[M].北京:人民交通出版社，2006.