82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許小紅

(南京金陵船廠有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

為了降低船舶營運(yùn)成本，主機(jī)作為船舶主要燃油消耗設(shè)備，提高其效率，降低其油耗成為重要的研究目標(biāo)。越來越多的船舶將主機(jī)最大持續(xù)功率(MCR)趨向部分負(fù)荷設(shè)計(jì)，持續(xù)服務(wù)工況點(diǎn)更趨向主機(jī)最經(jīng)濟(jì)的油耗點(diǎn)。但是，隨著主機(jī)油耗的降低，主機(jī)的排氣溫度會大幅下降，從而導(dǎo)致廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量也越來越低，使得船舶在營運(yùn)過程中需要頻繁的使用燃油鍋爐來彌補(bǔ)所需蒸汽量的不足，實(shí)際上增加了全船的綜合油耗，最終增加了船舶的實(shí)際營運(yùn)成本。本文在分析廢氣鍋爐蒸發(fā)量現(xiàn)狀和燃油輸送加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過增加SHIFTER系統(tǒng)和修改燃油儲存結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少儲存艙加熱和保溫的蒸汽使用量的目的，從而降低鍋爐燃油消耗量。

1 廢氣鍋爐蒸發(fā)量的現(xiàn)狀

隨著主機(jī)效率的提高和油耗的降低，排氣溫度大幅降低，使得主機(jī)排氣中可利用的廢熱量大幅下降，造成廢氣產(chǎn)生的鍋爐蒸發(fā)量也大幅下降。82 000載重噸散貨船改型前后鍋爐蒸發(fā)量相關(guān)參數(shù)的對比見表1。從表1發(fā)現(xiàn)，改型后的82 000載重噸散貨船主機(jī)產(chǎn)生的廢氣量減少了約16%，廢氣溫度降低了27 ℃。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),鍋爐最低的廢氣出口溫度一般在184 ℃左右，因此可利用的溫差從39 ℃左右降低到僅有12 ℃左右，可利用的溫差減少了近69%。廢氣量和廢氣溫度兩者疊加，主機(jī)廢氣中可利用的廢熱量共計(jì)降低了約74%。

表1 82 000載重噸散貨船改型前后相關(guān)參數(shù)對比

從表中的數(shù)據(jù)對比可以看出，廢氣鍋爐可以產(chǎn)生的最大蒸汽量從遠(yuǎn)高于正常航行所需的蒸汽量，變得無法滿足船舶日常航行所需，因此船舶營運(yùn)過程中需要頻繁的使用燃油鍋爐來彌補(bǔ)所需蒸汽量的不足，反而增加了船舶的實(shí)際營運(yùn)成本。為了節(jié)約能耗，通過燃油輸送加熱系統(tǒng)可以減少儲存艙加熱和保溫的蒸汽使用量，很大程度地緩解了廢氣鍋爐蒸發(fā)量不足的現(xiàn)狀。

2 目前燃油儲存艙的加熱系統(tǒng)

某82 000載重噸散貨船現(xiàn)有5個燃油儲存艙，分別為NO.1燃料油儲存艙(左)，NO.1燃料油儲存艙(右)，NO.2燃料油儲存艙(左)，NO.2燃料油儲存艙(右)，NO.3低硫燃料油儲存艙(右)。燃料油儲存艙需要加熱并保溫，但是因與油艙和壓載艙以及貨艙相鄰，大量的熱量被海水帶走，造成了極大的浪費(fèi)。根據(jù)規(guī)格書要求，燃油儲存艙的加熱方式為加熱盤管加熱。燃料油儲存艙的加熱盤管面積比為0.06 m2/m3,各艙布置的加熱盤管見表2。

表2 加熱盤管材料明細(xì)表

3 燃油輸送加熱系統(tǒng)特點(diǎn)

燃油輸送加熱系統(tǒng)是在儲存艙沒有蒸汽加熱的情況下,基于熱消耗的分析及計(jì)算，將澄清艙/日用艙內(nèi)適量較高溫度的燃油抽吸至儲存艙，通過混合存儲艙吸口井的冷油，從而使吸口井的燃油溫度提升到合適的溫度后再抽吸到澄清艙，如此循環(huán)的一個過程。

燃油輸送加熱系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1)安裝有燃油輸送加熱系統(tǒng)的船舶，不需加熱盤管或者僅需在燃油儲存艙吸口井處布置蒸汽加熱盤管即可，整艙已不再需要布置額外的蒸汽加熱盤管。

(2)燃油儲存輸送加熱系統(tǒng)縮短了熱油停留在儲存艙的時間，減少了船體結(jié)構(gòu)和海水接觸帶來的熱損失，從而獲得更高的熱循環(huán)效率。

(3)燃油輸送加熱系統(tǒng)僅僅加熱需要輸送的燃油，將加熱的容積最小化而不是用加熱盤管加熱整艙，最大化節(jié)約能源，并且該系統(tǒng)是直接用熱油加熱，比傳統(tǒng)的加熱盤管加熱效果更好更快。

(4)因系統(tǒng)不再需要對燃油儲存艙整艙加熱，從而減少了燃油儲存艙壁與貨艙間的凝水產(chǎn)生，有效地降低了對船舶裝載貨品的損失。同樣，也增加了對鄰近水艙(壓載艙)涂層的保護(hù)， 減少因儲存艙加熱帶來的結(jié)構(gòu)涂裝破壞的損失。

4 實(shí)船燃油輸送加熱系統(tǒng)分析

4.1 燃油輸送加熱系統(tǒng)概要

(1)82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)如圖1所示。圖中，在原燃油輸送系統(tǒng)中增加了燃油澄清艙和燃油日用艙出口閥、輸送加熱泵、燃油輸送泵及輸送加熱泵出口預(yù)載荷彈簧閥、壓力開關(guān)、溫度傳感器以及輸送加熱系統(tǒng)控制器；調(diào)整燃油儲存艙的結(jié)構(gòu)，在儲存艙內(nèi)設(shè)計(jì)足夠大小容積的吸口井(吸口井的容積通常為每小時消耗量和回油量之和的2～5倍)，該吸口井用于儲存艙內(nèi)的局部加熱，便于燃油輸送泵將燃油從儲存艙抽吸至澄清艙。

圖1 82 000載重噸散貨船燃油輸送加熱系統(tǒng)圖

(2)燃油輸送加熱系統(tǒng)就是將燃油澄清艙或燃油日用艙內(nèi)已經(jīng)加熱的燃油吸至燃油儲存艙內(nèi)吸口井進(jìn)行加熱，分為“加熱”和“輸送”兩個過程自動輪流交替進(jìn)行。

加熱過程：燃油澄清艙或燃油日用艙內(nèi)已經(jīng)加熱的燃油通過輸送加熱泵吸至燃油儲存艙內(nèi)吸口井進(jìn)行加熱，加熱時間為每小時運(yùn)行45 min。在自動(時間 & 流量自動)模式下, 輸送加熱泵的排量根據(jù)油溫自動調(diào)節(jié)，加熱時間也是可以控制的。

輸送過程：輸送泵從儲存艙到澄清艙的輸送量一般為每小時的燃油消耗量及回油量之和。燃油輸送泵通常每小時運(yùn)行15 min，輸送時間是會隨流量的變化而變化的。

當(dāng)燃油輸送泵運(yùn)行時，輸送加熱泵停止；當(dāng)燃油輸送泵停止時，輸送加熱泵運(yùn)行并開始加熱過程，輪流替換。

(3)該系統(tǒng)燃油輸送泵吸口管路上安裝有溫度傳感器和壓力傳感器監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況，并有應(yīng)急情況時給予系統(tǒng)的保護(hù)。

4.2 燃油輸送加熱系統(tǒng)節(jié)能分析

以某82 000載重噸散貨船為例，對于燃油輸送加熱系統(tǒng)的節(jié)能量進(jìn)行估算。

船舶正常航行時，蒸汽耗量可以按照NO.1燃料油儲存艙(左)進(jìn)行保溫和NO.3低硫燃料油儲存艙(右)間歇加熱進(jìn)行考慮。

(1)保溫狀態(tài)下蒸汽耗量：

式中：Sk為單位時間內(nèi)保溫艙柜內(nèi)油所消耗的蒸汽量，kg/h；K為各表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，kJ/(K·m2·h)；F為各表面的表面積，m2；TA為艙柜初始溫度，℃；TC為環(huán)境溫度，℃；IS為一定工作壓力下的蒸汽焓，J/g；ID為一定工作壓力下的凝水焓，J/g。

(2)加熱狀態(tài)下蒸汽耗量：

式中：SH為一定單位時間內(nèi)加熱艙柜內(nèi)油所消耗的蒸汽量，kg/h；TB為艙柜終止溫度，℃；T為加熱時間，h；C為艙柜內(nèi)介質(zhì)的比熱， J/(g·K)；W0為艙柜內(nèi)介質(zhì)的總質(zhì)量，kg。

夏季工況下，環(huán)境溫度為25 ℃，艙柜終止溫度為45 ℃。經(jīng)計(jì)算，NO.1燃料油儲存艙(左)的蒸汽耗量SK=105.78 kg/h，負(fù)荷因素η=0.6，保溫蒸汽耗量為63.47 kg/h；NO.3低硫燃料油儲存艙(右)的蒸汽耗量SH=65.94 kg/h，負(fù)荷因素η=0.5，蒸汽耗量為32.97 kg/h。因此，夏季工況下儲存艙的總蒸汽耗量為96.44 kg/h。

冬季工況下的環(huán)境溫度為5 ℃。經(jīng)計(jì)算，儲存艙的蒸汽耗量為306.74 kg/h。

根據(jù)鍋爐廠家提供的資料，燃油消耗率每產(chǎn)生100 kg/h蒸汽所需燃燒燃油約7.5 kg/h。以船舶一年航行200 d計(jì)算，將節(jié)約燃油約72 t。目前該方案在實(shí)船應(yīng)用上取得了良好的效果，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

上述分析不難看出，僅僅是在燃油輸送系統(tǒng)上增加SHIFTER系統(tǒng)，以及對燃油儲存艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，就能減少燃油消耗。該方案不受船舶類型的限制，其應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。隨著市場對節(jié)能降耗的越來越重視，能通過少量的初始投入來降低日后長期營運(yùn)成本是非常值得的。

5 結(jié)語

燃油輸送加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及理念相當(dāng)簡單，僅僅是用局部加熱代替整艙加熱，輸送系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)快速循環(huán)代替保溫。雖然簡單，但是效率高并且操作起來穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯而易見，深受船東好評，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本的目的，為當(dāng)前廢氣鍋爐蒸汽量不足尋求了一個簡單易行的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 費(fèi)千,富貴根.船舶輔機(jī)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2008.