貨油加熱與保溫的優(yōu)化研究

趙建華++李巖

摘 要：本文采用理論分析和實(shí)船驗(yàn)證相結(jié)合的方法，針對(duì)某遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司的六種型號(hào)的雙殼油輪的油艙貨油的溫度控制方式進(jìn)行了研究。應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱集總參數(shù)法建立了油艙的加熱和保溫的物理數(shù)學(xué)模型，并且研制出了油輪貨油溫度控制軟件。通過(guò)實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證了貨油溫度控制軟件建模的可靠性。將軟件計(jì)算結(jié)果和實(shí)船數(shù)據(jù)的校核，軟件計(jì)算得加熱工況下耗油量最大誤差在10.3%；恒溫工況下恒溫溫度最大誤差為3.7%

關(guān)鍵詞：油輪；集總參數(shù)法；貨油溫度控制

中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處在工業(yè)化的起飛時(shí)期，石油是中國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步快速發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口持續(xù)增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)總量迅速增加，端倪已露的石油供求矛盾將會(huì)更加嚴(yán)峻。2000至2009年，我國(guó)原油消費(fèi)量由2.41億噸上升到3.88億噸，年均增長(zhǎng)6.78%，原油凈進(jìn)口量由5969萬(wàn)噸上升至1.99億噸，對(duì)外依存度也由24.8%飆升到51.29%。隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展和人民生活水平的提高（家庭轎車數(shù)量的增加），中國(guó)原油的對(duì)外依存度將逐漸上升。在2010年原油進(jìn)口中，90%來(lái)自海上運(yùn)輸，達(dá)到2.1億噸。因此海上石油運(yùn)輸對(duì)于中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

原油是一種粘稠的液體，原油粘度大小取決于溫度、壓力、溶解氣量及其化學(xué)組成。當(dāng)原油溫度增高其粘度降低。在原油的運(yùn)輸途中必須對(duì)原油加溫，才能保證油輪到達(dá)目的港后能順利卸油?，F(xiàn)今油輪普遍采用的加熱方式是在油艙布置蒸汽管道加熱。從經(jīng)濟(jì)性考慮，貨油加熱的起始點(diǎn)過(guò)早那么鍋爐耗油越多經(jīng)濟(jì)性越差，但是加熱起始點(diǎn)過(guò)晚則到港后貨油粘度不能達(dá)到卸貨要求，也將延誤了航期?，F(xiàn)今大部分油船依靠船員的經(jīng)驗(yàn)控制加熱時(shí)間，但是船員為了不延誤航期寧可選擇過(guò)多的加熱貨油，致使貨油溫度過(guò)高，這樣不但不節(jié)能而且會(huì)延長(zhǎng)卸油時(shí)間甚至降低石油的品質(zhì)。本文根據(jù)非穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)法建立了油輪加熱保溫過(guò)程中的物理數(shù)學(xué)模型，研發(fā)油輪貨油加熱與保溫過(guò)程計(jì)算系統(tǒng)，并且通過(guò)實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證該計(jì)算軟件的可靠性。該貨油溫度管理軟件為油輪船員提供了操作指南，提高了船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，降低了船舶運(yùn)營(yíng)的污染性，在綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的道路上做出了一定的貢獻(xiàn)。

一、油輪貨油加熱保溫模型

（一）研究對(duì)象

本項(xiàng)目針對(duì)某遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司的60000DWT、65000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT七種船型18艘雙殼體油輪300多種貨油運(yùn)輸過(guò)程中，油艙貨油的加熱和保溫的經(jīng)濟(jì)方式進(jìn)行分析研究。

（二）假設(shè)條件

（1）把貨油與惰氣按照一個(gè)整體考慮，則二者同溫；

（2）運(yùn)用集總參數(shù)法，忽略油艙內(nèi)部貨油和惰氣的熱阻；

（3）貨油的熱力學(xué)參數(shù)變化取溫度變化的平均值；

（4）外界大氣溫度tair與海水溫度tsea取實(shí)測(cè)值的平均值；

（5）忽略貨油內(nèi)部因?yàn)槲锢砘瘜W(xué)變化的內(nèi)熱源，忽略邊界層原油和石蠟的凝固潛熱；

（6）對(duì)貨油進(jìn)行加熱的蒸汽溫度t0=（t出氣+t回氣）/2，其傳熱系數(shù)為K。；

（7）忽略貨油與油艙內(nèi)底殼的對(duì)流換熱熱阻，認(rèn)為油輪內(nèi)底殼溫度與油溫相等；

（8）側(cè)面雙層內(nèi)外殼之間的傳熱過(guò)程近似看成導(dǎo)熱過(guò)程。

圖1 油輪典型橫剖圖

二、油輪貨油溫度控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

油輪貨油加溫最佳方案操作系統(tǒng)是依據(jù)傳熱傳質(zhì)學(xué)、鍋爐工作原理及現(xiàn)代控制理論建立的油輪貨油加熱、保溫和恒溫計(jì)算模型而研制的。它適用于該遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司的66000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT六種船型16艘油輪。

該系統(tǒng)具有以下三項(xiàng)功能：（1）貨油加熱操作系統(tǒng)；（2）貨油保溫操作系統(tǒng)；（3）貨油恒溫操作系統(tǒng)。

（1）貨油加熱操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙的載貨情況及加溫要求，分別計(jì)算加熱蒸汽壓力值為0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa這九種情況下的加熱時(shí)間（鍋爐工作時(shí)間）、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計(jì)劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來(lái)，以方便進(jìn)行更直觀的比較、更準(zhǔn)確的選擇和更方便的操作。

（2）貨油保溫操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙的載貨情況及保溫要求，分別計(jì)算加熱蒸汽壓力值設(shè)定在0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa這九種情況下的加熱時(shí)間（鍋爐工作時(shí)間）、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計(jì)劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來(lái)，以方便進(jìn)行更直觀的比較、更準(zhǔn)確的選擇和更方便的操作。

（3）貨油恒溫操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙載貨情況及恒溫要求，計(jì)算加熱蒸汽壓力值、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計(jì)劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來(lái)，以方便船員的操作。

三、貨油溫度控制系統(tǒng)實(shí)船驗(yàn)證

將貨油溫度控制軟件應(yīng)用于油船運(yùn)輸中，結(jié)果如下表所示。

通過(guò)將貨油溫度軟件的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際數(shù)值進(jìn)行比較驗(yàn)證了該軟件的可靠性。

（1）由表1可知在設(shè)計(jì)工況和加熱工況下本軟件的計(jì)算的耗油量是準(zhǔn)確的。

（2）由表2和表3可知在保溫工況和恒溫工況下本軟件計(jì)算出的耗油量較少，這是因?yàn)樵诒毓r和恒溫工況下，油輪管理人員的經(jīng)驗(yàn)操作是將貨油一直加熱，但是本軟件所制訂的操作計(jì)劃比油輪管理人員的經(jīng)驗(yàn)操作要更科學(xué)，所以按照軟件的操作計(jì)劃操作能提高船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

（3）由表3可以看到恒溫工況下，恒溫溫度比要求溫度略低，符合恒溫要求。綜上所述將此油船貨油溫度控制軟件應(yīng)用于油船運(yùn)輸是可靠的。該軟件不但能夠?yàn)橛洼喆瑔T提供科學(xué)可靠的貨油溫度控制操作計(jì)劃，而且又能節(jié)油減排提高船舶運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低溫室氣體排放和改善環(huán)境污染。

四、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)非穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)法建立并改進(jìn)的油輪加熱和保溫的物理數(shù)學(xué)模型是科學(xué)的，對(duì)于貨油溫度的影響因素考慮更加周全，在改進(jìn)的油輪加熱保溫?cái)?shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的油輪貨油溫度控制軟件，準(zhǔn)確度高，操作性強(qiáng)。通過(guò)軟件計(jì)算時(shí)間和實(shí)船數(shù)比較，該軟件加熱工況下耗油量最大誤差在10.3%，保溫工況下該軟件提供了更科學(xué)的操作方案，比船員的經(jīng)驗(yàn)操作要節(jié)油。恒溫工況下軟件計(jì)算得溫度場(chǎng)和實(shí)際的溫度最大誤差為3.7%。

參考文獻(xiàn)：

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