船用燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)剖析

賀立峰，王慶祥，張少亮

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津300452)

船用燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)剖析

賀立峰，王慶祥，張少亮

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司 天津300452)

對船舶傳統(tǒng)燃油的加熱方式進(jìn)行了介紹，并針對國外新型燃油加熱方式“燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)”的原理、功能、優(yōu)點等進(jìn)行了細(xì)致描述。同時，對該系統(tǒng)混油傳熱的基本設(shè)計理念、溫差燃油的駁運(yùn)布置要求做了系統(tǒng)化分析，并解析了難點和要點。

燃油 熱轉(zhuǎn)換 混油 加熱 駁運(yùn)

0 引 言

根據(jù)船東的要求和推薦，由天津新港船舶重工有限公司承建的中遠(yuǎn) 4萬噸系列散貨船安裝布置了燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)在國外造船的應(yīng)用程度較高，國內(nèi)應(yīng)用還比較有限。由于該公司之前也沒有設(shè)計和安裝該系統(tǒng)的經(jīng)驗，對其工作原理、設(shè)計特點、安裝要求、節(jié)能效果、經(jīng)濟(jì)效益等方面較為陌生，因此，其設(shè)計部門大量收集了該技術(shù)的國內(nèi)外資料，并邀請設(shè)備廠家進(jìn)行了深入和細(xì)致的研究。下文將針對該系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)和要求進(jìn)行分析和論述。

1 燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理及工作模式

1.1 系統(tǒng)原理

燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作過程是冷油和熱油的混合傳熱過程，其基本原理是通過燃油熱轉(zhuǎn)換泵(shifting pump)將熱油駁運(yùn)至冷油艙，熱油與部分冷油混合后，產(chǎn)生熱交換。該部分冷油得到了“一次升溫”，粘度下降，達(dá)到燃油駁運(yùn)泵(transfer pump)的駁運(yùn)粘度要求后，迅速通過燃油駁運(yùn)泵駁運(yùn)至熱油油艙，得到“二次升溫”后，可隨時供給到下一級用戶。

該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)船舶在各個燃油儲存艙大量加裝蒸汽盤管加熱，是一個局部快速加熱、隨時駁運(yùn)供給用戶的“小循環(huán)加熱”系統(tǒng)。系統(tǒng)大大縮短了冷油升溫時間，節(jié)省了盤管材料，降低了熱能損失。目前，國內(nèi)尚沒有此類系統(tǒng)和系統(tǒng)裝置的制造廠家。系統(tǒng)的基本原理[1]如圖1所示。

采用常規(guī)燃油加熱系統(tǒng)的船舶，通常在航行中燃油沉淀柜的油溫為 60,℃，燃油/低硫燃油儲存艙通過加熱盤管加熱后的溫度為 40,℃，燃油輸送泵的駁運(yùn)溫度為 36,℃，分油機(jī)的燃油進(jìn)口溫度為 55,℃。燃油/低硫燃油儲存艙的 H．F．O/LS．H．F．O.重燃油通過燃油輸送泵(A)，駁運(yùn)到燃油沉淀柜，再被燃油分油機(jī)吸走分油。為滿足燃油駁運(yùn)泵的駁運(yùn)粘度要求，燃油/低硫燃油儲存艙通常處于蒸汽加熱盤管加熱狀態(tài)，特別是冬季惡劣條件下，大量的蒸汽熱能通過船體外板散熱損失。[2]

圖1 常規(guī)燃油加熱系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of traditional vessel F.O. heating system

加裝燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，燃油/低硫燃油儲存艙不必再布置加熱盤管，燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本原理[1]如圖2所示：

圖2 燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)基本原理(未安裝電加熱器)Fig.2 Basic principle of F.O. thermal conversion system(without electric heater)

跟據(jù)圖 2，首先，燃油沉淀柜的熱油通過燃油熱轉(zhuǎn)換泵(B)被駁運(yùn)至燃油儲存艙或低硫燃油儲存艙的小隔艙內(nèi)，小隔艙內(nèi)的冷、熱油混合，達(dá)到燃油駁運(yùn)泵(A)的駁運(yùn)粘度要求后，該小隔艙內(nèi)的升溫油被燃油駁運(yùn)泵駁運(yùn)至燃油沉淀柜。新注入燃油沉淀柜的升溫油，較燃油沉淀柜原來的高溫油密度大，因此沉在柜體下部，繼續(xù)被沉淀柜的底部加熱盤管加熱，當(dāng)溫度升高到燃油沉淀柜的設(shè)定溫度時，燃油熱轉(zhuǎn)換泵再次啟動，第 2個燃油熱轉(zhuǎn)換循環(huán)開始。由于燃油/低硫燃油儲存艙不再布置加熱盤管，而是以儲存艙布置小隔艙的方式，通過與燃油沉淀柜的熱油混油達(dá)到燃油輸送泵的駁運(yùn)條件，因此，常規(guī)沉淀柜設(shè)定溫度不再滿足該工作要求，需要提高燃油沉淀柜的加熱設(shè)定溫度至 75～80,℃左右，為此，燃油沉淀柜的加熱盤管長度也將通過計算相應(yīng)增加。

圖2 中，在燃油輸送泵和燃油熱轉(zhuǎn)換泵的出口都布置了彈簧閥，該彈簧閥的布置是系統(tǒng)工作的要求。燃油輸送泵出口的彈簧閥可避免燃油熱轉(zhuǎn)換泵向燃油/低硫燃油儲存艙駁油時，熱油通過燃油輸送泵出口管路回油至燃油沉淀柜。燃油熱轉(zhuǎn)換泵出口彈簧閥可避免燃油輸送泵從燃油/低硫燃油儲存艙向燃油沉淀柜駁油時，燃油熱轉(zhuǎn)換泵被帶動自轉(zhuǎn)，而將燃油沉淀柜的熱油抽出。

由于燃油沉淀柜加熱盤管數(shù)量的增加，導(dǎo)致艙柜的清艙維護(hù)空間及通道布置困難，柜面吸口、報警點等的布置位置受到影響。為了避免這種問題的出現(xiàn)，也可以通過在燃油熱轉(zhuǎn)換泵進(jìn)口布置電加熱器的方式實現(xiàn)駁運(yùn)至燃油/低硫燃油儲存艙的熱油溫度。電加熱器的布置位置詳見圖3：

圖3 燃油熱轉(zhuǎn)換基本原理(已安裝電加熱器)Fig.3 Basic principle of F.O. thermal conversion system(with electric heater)

燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)布置了電加熱器后，燃油沉淀柜的加熱盤管數(shù)量可以按照傳統(tǒng)燃油加熱系統(tǒng)的要求布置，不必再增加。但是，由于電加熱器的市場價格較高，很多船廠、船東并未選擇安裝電加熱器。

1.2 工作模式

燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作模式[1]大致包括：

1.2.1 手動模式

燃油輸送泵根據(jù)燃油沉淀柜柜面上布置的“低液位自動啟動”“高液位自動停泵”液位開關(guān)控制信號，自動啟停；變頻式燃油熱轉(zhuǎn)換泵始終運(yùn)行。燃油輸送泵的排量大小可隨時調(diào)整。冬季排量比夏季排量大。

1.2.2 自動模式

①時間-自動模式。燃油輸送泵與燃油熱轉(zhuǎn)換泵按設(shè)定的時間比例自動運(yùn)行，以 1,h為一個運(yùn)行周期，燃油輸送泵運(yùn)行時間約為 15,min，燃油熱轉(zhuǎn)換泵運(yùn)行時間約為 45,min。運(yùn)行時間比例約為 1∶3或1∶4。當(dāng)壓力出現(xiàn)高值或溫度出現(xiàn)低值時，調(diào)整燃油熱轉(zhuǎn)換泵的排量。②時間&流量-自動模式。燃油輸送泵與燃油熱轉(zhuǎn)換泵按設(shè)定的時間比例自動運(yùn)行，運(yùn)行時長比例約為1∶3或1∶4。當(dāng)壓力出現(xiàn)高值或溫度出現(xiàn)低值時，自動切換到“減少燃油輸送泵負(fù)載”模式。③減少燃油輸送泵負(fù)載模式。燃油輸送泵根據(jù)燃油沉淀柜柜面上布置的“低液位自動啟動”“高液位自動停泵”液位開關(guān)控制信號，自動啟停；變頻式燃油熱轉(zhuǎn)換泵始終運(yùn)行，且排量自動調(diào)整。當(dāng)壓力或溫度恢復(fù)正常后，切換為“時間&流量-自動模式”。

船舶航行狀態(tài)通常采用自動模式，方便簡單。在冬季極端惡劣條件下，需轉(zhuǎn)換為“手動模式”，適當(dāng)調(diào)節(jié)燃油熱轉(zhuǎn)換泵的排量大小。

2 燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計及布置

根據(jù)上文描述，多數(shù)船廠或船東并不愿意在燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)內(nèi)布置電加熱器，因此，下文針對無電加熱器情況下的系統(tǒng)設(shè)計和布置進(jìn)行介紹。

2.1 燃油儲存艙小隔艙的布置

前文已經(jīng)闡述，除非船舶需要在極冷海域航行或船東堅決要求，否則該燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的燃油/低硫燃油儲存艙不必布置加熱盤管，但為滿足燃油/低硫燃油儲存艙內(nèi)冷、熱油的混合油溫，需在燃油沉淀柜增加布置加熱盤管。

如圖 2所示，為了提高減少燃油/低硫燃油儲存艙內(nèi)燃油的升溫速度和減少熱能損失，當(dāng)燃油/低硫燃油儲存艙的高度超過2,m時，該燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用了在燃油/低硫燃油儲存艙布置“小隔艙”的設(shè)計方案?！靶「襞摗钡拇笮⊥ǔ椤爸鳈C(jī)+主發(fā)電機(jī)+鍋爐”1,h燃油消耗總量的 4～10倍，具體大小可根據(jù)儲存艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和廠家建議予以確定。

“小隔艙”布置在燃油/低硫燃油儲存艙下部，由鋼板拼焊制作，并可借助儲存艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(加強(qiáng)筋、艙壁等)形成圍壁。儲存艙的燃油/低硫燃油排出管路必須在“小隔艙”內(nèi)，并布置在底部。

為保證儲存艙內(nèi)的油順暢補(bǔ)給“小隔艙”，“小隔艙”圍壁底部需開足夠數(shù)量的過流孔，底部需開足夠數(shù)量的空氣排出孔。為方便以后“小隔艙”的清理，需在小隔艙內(nèi)、外布置合適的梯臺，內(nèi)部布置防滑條，梯臺、防滑條需磷化處理。

2.2 燃油沉淀柜柜面各點位置的確定

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計原理及工作模式，對燃油沉淀柜的柜面各控制、報警、排出點的布置高度也提出了相應(yīng)要求，下面是各點相對位置的布置示意圖，[1]如圖4所示：

圖4 油柜各點相對位置布置示意圖Fig.4 Relative layout locations in oil tank

如圖4所示，油艙低位報警的布置位置為上下各點布置位置的分界點，且要求低位報警布置位置必須高于加熱盤管的頂部，防止加熱盤管干燒。C區(qū)域的燃油容積要求，決定了燃油熱轉(zhuǎn)換泵吸口的布置位置，要求 C區(qū)域燃油必須滿足燃油熱轉(zhuǎn)換泵 1,h(最少 45,min)的平均排量。B區(qū)域的燃油容積要求決定了燃油分油機(jī)吸口的布置位置，要求 C區(qū)域燃油必須滿足主機(jī)＋主發(fā)電機(jī)＋鍋爐的1,h燃油用量。A區(qū)域的燃油容積要求，是防止新注入燃油沉淀柜的36,℃燃油被燃油熱轉(zhuǎn)換泵和燃油分油機(jī)吸走，避免不滿足“小隔艙”的混油要求和分油機(jī)的燃油進(jìn)機(jī)溫度要求。D區(qū)域的燃油容積要求，是為了滿足“時間-自動”模式下燃油輸送泵的駁運(yùn)要求，如油柜容積不能滿足該要求，至少滿足主機(jī)＋主發(fā)電機(jī)＋鍋爐的1,h燃油總用量與燃油熱轉(zhuǎn)換泵1,h燃油駁運(yùn)量的總和。

上述各點的布置位置是根據(jù)該系統(tǒng)最常用模式“時間-自動模式”來進(jìn)行布置的，該布置不影響其他工作模式的使用。

2.3 燃油沉淀柜加熱盤管數(shù)量的確定

燃油沉淀柜的加熱盤管數(shù)量依據(jù)沉淀艙的設(shè)定溫度[1]來確定，而溫度的設(shè)定值是依據(jù)燃油分油機(jī)的進(jìn)機(jī)溫度要求、燃油/低硫燃油儲存艙混油加熱的溫升值和升溫時間確定的。

分油機(jī)的進(jìn)機(jī)溫度通常約為 55,℃，沉淀柜的傳統(tǒng)設(shè)定值約為 60,℃，[2]增加燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，沉淀艙的加熱盤管數(shù)量還將增加，必然滿足燃油分油機(jī)的進(jìn)機(jī)溫度要求。因此，目前只需考慮燃油/低硫燃油儲存艙混油加熱的溫升值和升溫時間因素。

由于燃油儲存艙采用了“小隔艙”的加熱設(shè)計方案，需要混油加熱的燃油容積將是“小隔艙”的容積。

極限考慮冬季海水溫度 T1為-15,℃，即是燃油/低硫燃油儲存艙的初始考慮溫度，而燃油輸送泵的燃油駁運(yùn)溫度約為 T2＝36,℃，得出燃油/低硫燃油儲存艙溫升要求為 36,℃-(-15,℃)＝51,℃。

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換泵工作約 45,min，燃油輸送泵運(yùn)行約 15,min的工作模式，保守要求“小隔艙”內(nèi)的燃油需1,h內(nèi)提升51,℃。

根據(jù)上例分析，可根據(jù)熱平衡和熱傳導(dǎo)公式，計算得出1,h內(nèi)“小隔艙”的換熱量要求，也是燃油沉淀柜1,h內(nèi)的熱量消耗值。

當(dāng)燃油輸送泵運(yùn)行 15,min，將 36,℃的儲存艙燃油駁運(yùn)至沉淀艙后，沉淀艙的加熱盤管需在 45,min內(nèi)將 36,℃的燃油加熱到沉淀艙的設(shè)定溫度，這是燃油沉淀柜的又一部分熱量要求。

綜上分析，燃油沉淀柜的盤管加熱能力需要滿足“小隔艙”燃油溫度提升所需熱能、新注入的 36,℃燃油溫度提升所需熱能、燃油分油機(jī)抽取燃油消耗熱能 3大部分的熱量要求。根據(jù)國內(nèi)外散貨船舶的實船經(jīng)驗和廠家計算要求，通常，燃油沉淀柜的設(shè)定溫度值約為75～80,℃。

根據(jù)燃油沉淀柜的設(shè)定溫度要求值、燃油沉淀柜的容積等參數(shù)，可推導(dǎo)計算出加熱盤管的加熱比β，從而得出加熱盤管長度L的計算公式：

L＝(V×β)/(3.14×φ)

式中，L為加熱盤管長度；V為燃油沉淀柜容積；β為加熱比；φ為加熱盤管外直徑。

2.4 穿甲板燃油管路的過艙要求

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理及設(shè)計要求，燃油熱轉(zhuǎn)換泵至燃油輸送泵進(jìn)口管路之間的管路需要穿甲板平臺時，不允許管路與甲板平臺直接接觸，需要在甲板平臺上開孔，并布置開孔圍板，管路還需包覆絕緣材料貫穿。這種布置要求的目的是防止管路與平臺接觸從而產(chǎn)生管路燃油的熱量損失。[2]

2.5 燃油熱轉(zhuǎn)換泵的布置要求

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理及設(shè)計要求，燃油熱轉(zhuǎn)換泵需布置在燃油沉淀柜附近，且需與燃油熱轉(zhuǎn)換泵吸口在同一平臺，該布置的要求是防止燃油輸送泵進(jìn)口產(chǎn)生過大負(fù)壓，影響駁運(yùn)效果。

2.6 燃油管路的保溫要求

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理及設(shè)計要求，燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)燃油管路必須包覆絕緣材料，尤其是燃油熱轉(zhuǎn)換泵至燃油輸送泵進(jìn)口管路和燃油輸送泵至燃油/低硫燃油儲存柜管路。該要求的目的是盡量降低燃油管路的熱量損失。

另外，燃油熱轉(zhuǎn)換泵至燃油輸送泵進(jìn)口管路應(yīng)盡可能短，以盡量減少管路熱量損失。[3]

2.7 燃油濾器的選擇要求

根據(jù)燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)原理及設(shè)計要求，燃油輸送泵進(jìn)口需布置 16目雙聯(lián)油濾器，燃油熱轉(zhuǎn)換泵的進(jìn)口配置 32目雙聯(lián)油濾器。該要求是為了保證燃油輸送管路的順暢和燃油熱轉(zhuǎn)換泵的良好運(yùn)行。[3]

3 燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功能優(yōu)勢

燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一項較為新穎的燃油加熱形式，該系統(tǒng)的設(shè)計制造還只停留在國外，國內(nèi)目前沒有相關(guān)的制造廠家。但采用該種燃油熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的船舶正在逐漸增加，預(yù)計未來會得到更多船東的認(rèn)可和使用?！?/p>

［1］ Hokushin Engineering. F. O. Shifter System Working Drawings[Z]. 1st ed，2014.

［2］ 中國船舶總公司. 船舶設(shè)計實用手冊(輪機(jī)分冊)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ 漢斯海因里·邁爾-彼得，佛蘭克·伯恩哈德. 船舶工程技術(shù)手冊 [M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1970.

Analysis of F.O．Heat Energy Shifting System

HE Lifeng，WANG Qingxiang，ZHANG Shaoliang
(Tianjin Xin’gang Shipbuilding Heavy Industry Co.，LTD.，Tianjin 300452，China)

Traditional vessel F.O. heating mode was introduced and details of the newly foreign vessel F.O. heating technology, F.O. Heat Energy Shifting System, such as principle, function and advantages were described. At the same time, the design concept and arrangement requirement for the transferring of F.O. with temperature difference of the system were analyzed and difficulties and key points of the system were pointed out.

F.O.；heat energy shifting；mixing oil；heating；oil transfer

U664.81

A

1006-8945(2016)10-0039-04

2016-10-09