運輸船燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

陳　聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司, 上海 201612)

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運輸船燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

陳聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司, 上海 201612)

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

關(guān)鍵詞運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

當前，運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，還多采用降低主機功率的方式，由此導致主機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燃油鍋爐補充蒸汽。為解決此問題并進一步降低運輸船綜合能源消耗，針對燃油艙加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計研究，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)的熱油駁運至燃油儲存艙，與吸口處冷油混合，從而達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：取消了燃油儲存艙內(nèi)蒸汽加熱盤管，只對其駁出吸口處部分燃油進行加熱，避免了儲存艙通過油艙表面向周圍環(huán)境散發(fā)熱量[1]，從而實現(xiàn)運輸船節(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工作工程。加熱工作過程：燃油沉淀艙或日用艙內(nèi)熱油利用燃油轉(zhuǎn)駁泵吸出，并通過燃油加熱器繼續(xù)加熱至所需溫度后駁運至燃油儲存艙，與吸口處冷油混合，以達到加熱燃油的目的。輸送工作過程：燃油轉(zhuǎn)駁泵停止運行，燃油輸送泵將燃油儲存艙內(nèi)混合加熱后的燃油駁運至燃油沉淀艙。整個系統(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

兩個工作過程交替進行，從而實現(xiàn)燃油儲存艙內(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，可通過燃油轉(zhuǎn)駁泵持續(xù)對儲存艙加熱3～6 h，然后再轉(zhuǎn)入正常的工作模式。

2.4系統(tǒng)設(shè)計要點

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

運輸船燃油儲存艙多為深艙，深度可達十幾米，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)計一個相對獨立的空間，其容積大約為系統(tǒng)1 h內(nèi)燃油輸送泵在運行時間內(nèi)輸油量的2～5倍?？臻g的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)實際儲存艙的結(jié)構(gòu)具體考慮，需便于燃油的透氣和流動。

2.4.2燃油沉淀艙出油管高度設(shè)計

燃油儲存艙燃油溫度低于沉淀艙的溫度，儲存艙內(nèi)冷油輸送至沉淀艙后會沉入沉淀艙艙底，沉淀艙內(nèi)熱油則會上升，為避免發(fā)生剛進沉淀艙的冷油被重新駁回燃油儲存艙的情況，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。在燃油儲存艙吸入管設(shè)置溫度傳感器，當燃油輸送泵工作時，傳感器將管內(nèi)燃油的溫度信號傳遞至燃油轉(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后，會使其增速運行，增加從沉淀艙駁回的熱油量，保證儲存艙吸口處燃油加熱至所需溫度。

2.4.5彈簧預壓截止止回閥的設(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，加壓后的熱油除駁運至燃油儲存艙外，也可能通過輸送管路回流至沉淀艙；在燃油輸送泵工作時，其吸入端產(chǎn)生一定真空，除了能從燃油儲存艙抽吸燃油外，也可能通過燃油駁運管路從沉淀艙內(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泵排出端設(shè)置1只彈簧預壓截止止回閥，由于打開此閥需要一定壓力，將會保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

3燃油艙加熱系統(tǒng)方案優(yōu)化對比

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，并對燃油進行保溫，燃油艙燃油通過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)只混合加熱燃油儲存艙吸口周圍燃油，加熱燃油量僅為燃油日用系統(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

蒸汽耗量所對應(yīng)燃油消耗量計算公式:

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)計實驗觀察 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？讓學生對導管分布有個預判，帶著問題去觀察。接下來教師現(xiàn)場拿來經(jīng)過課前精心篩選的、便于觀察的一種木本植物枝條進行徒手切片，組織學生用顯微鏡低倍觀察莖的切片。學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)換為燃油消耗量計算公式:

式中：p為轉(zhuǎn)駁泵電功率，kW；ηe為發(fā)電機效率，取95%；ge為發(fā)電機組中柴油機燃油消耗率，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)主機正常航行時產(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

假如主機正常航行時產(chǎn)生的廢氣不能夠產(chǎn)生足夠蒸汽時，鍋爐還需啟動燃燒器，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)生的費用以及系統(tǒng)的安裝費用相同，只比較兩種加熱系統(tǒng)中相對常規(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)約了船舶營運過程中的燃油成本，如表3所示。

表2　39 000 dwt散貨船加熱系統(tǒng)成本預測表

表3　39 000 dwt散貨船成本回收預測表

為保證船舶的正常浮態(tài)，在正常航行中通常需要同時使用左右對稱的一對燃油艙，這時節(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)駁泵的運行狀態(tài)隨油艙中駁出燃油溫度的變化而實時調(diào)整，在實際運行中，轉(zhuǎn)駁泵電機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]

表7　直接計算剪力值與規(guī)范計算值的比較

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算值大約13%；而SEC105、SEC119兩個剖面剪力的規(guī)范計算值比直接計算值分別小17.5%和9.6%。

4結(jié)論

(1) 計算得到的超越概率10-8下的預報極值大于重現(xiàn)期20年的預報極值，甚至大于重現(xiàn)期25年的預報極值，取該值作為長期預報的極值能夠滿足設(shè)計要求；

(2) 對于在同一重現(xiàn)期和超越概率下的載荷參數(shù)預報極值，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報值在迎浪和順浪時最大，并隨浪向趨近橫浪時逐漸減小；

(4) 壓載狀態(tài)下，本船在橫浪航行時扭轉(zhuǎn)問題最嚴重；滿載狀態(tài)下本船在斜浪航行時，扭轉(zhuǎn)問題最嚴重。對于此類船舶的扭轉(zhuǎn)強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)范中的波浪剪力計算公式并不適用于本船。對于江海直達散貨船，波浪載荷計算采用直接計算法較為合適。江海直達散貨船的剪力值高于海船規(guī)范計算值，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(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U672

文獻標志碼A

作者簡介：陳聰(1981-)，男，工程師。