4 900 t瀝青船貨物加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

芮曉松， 馮國(guó)增

(1.中航鼎衡造船有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225217； 2.江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

瀝青來(lái)源廣泛，是道路建筑、房屋建筑、水工建筑、化工建筑、防腐防濕、涂料工業(yè)以及碳石墨材料等領(lǐng)域的重要材料和原料。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)正在快速進(jìn)行，作為高速公路的主要原材料，瀝青的需求也在不斷攀升。受技術(shù)條件限制，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)瀝青的質(zhì)量很大部分達(dá)不到高等級(jí)公路的要求，國(guó)外的優(yōu)質(zhì)廉價(jià)瀝青開(kāi)始受到追捧。國(guó)外的瀝青生產(chǎn)大多集中在北美、中東等地區(qū)，為滿足瀝青運(yùn)輸，瀝青船被廣泛使用[1-2]。

瀝青船的貨物加熱有導(dǎo)熱油加熱和蒸汽加熱兩種方式[3]。

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)與蒸汽加熱系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)工作系統(tǒng)壓力低；(2)系統(tǒng)效率高；(3)導(dǎo)熱油對(duì)系統(tǒng)能起到一定保護(hù)作用，因?yàn)閷?dǎo)熱油對(duì)管路內(nèi)壁無(wú)腐蝕；(4)導(dǎo)熱油具有抗熱裂化和抗化學(xué)氧化的性能，傳熱效率佳，散熱快，熱穩(wěn)定性好；(5)導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，溫度控制精度高，可以在更寬的溫度范圍內(nèi)滿足不同溫度加熱、冷卻的工藝需求，或在同一個(gè)系統(tǒng)中用同一種導(dǎo)熱油同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫加熱和低溫冷卻的工藝要求；(6)導(dǎo)熱油可泵溫度很低，且無(wú)冰凍危險(xiǎn)；(7)設(shè)備少，減少加熱系統(tǒng)的初始投資和操作費(fèi)用。

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)與蒸汽加熱系統(tǒng)相比有以下缺點(diǎn)：(1) 導(dǎo)熱油溫度超過(guò)380 ℃時(shí)，穩(wěn)定性變差，易氧化分解；(2)導(dǎo)熱油有泄漏風(fēng)險(xiǎn)，易燙傷人員，更有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，因此系統(tǒng)對(duì)工藝要求高。

綜上所述，導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，因此4 900 t瀝青船的貨物加熱系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)。

瀝青船的貨物一般通過(guò)艙內(nèi)加熱盤管進(jìn)行加熱。介質(zhì)為導(dǎo)熱油。熱油鍋爐、熱油循環(huán)泵、加熱盤管以及連接管構(gòu)成導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)。熱油鍋爐將導(dǎo)熱油加熱到滿足最終加熱或保溫所需溫度，并用熱油循環(huán)泵輸送至各貨艙加熱盤管對(duì)貨物進(jìn)行加強(qiáng)，降溫后的熱油又回到熱油鍋爐，整個(gè)循環(huán)完成，貨物加熱系統(tǒng)不斷重復(fù)這種循環(huán)以達(dá)到貨物加熱和保溫的目的[4]。

1 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)主要設(shè)備

(1) 導(dǎo)熱油加熱鍋爐。船用導(dǎo)熱油加熱鍋爐大多以燃油為燃料。加熱鍋爐一般均配置能燃燒柴油和重燃油的雙燃料燃燒器。在海洋工程中加熱爐通常配置能燃燒柴油、重燃油和天然氣的三燃料燃燒器。

(2) 廢氣導(dǎo)熱油加熱鍋爐。廢氣導(dǎo)熱油加熱鍋爐按加熱方式可分為直接加熱式和間接加熱式：直接加熱式是導(dǎo)熱油直接與管內(nèi)廢氣進(jìn)行熱交換；而間接加熱式是廢氣先與中間加熱管進(jìn)行熱傳遞，然后中間加熱管再與導(dǎo)熱油進(jìn)行熱交換。

(3) 導(dǎo)熱油循環(huán)泵。循環(huán)泵常用轉(zhuǎn)子泵或離心泵，在大容量系統(tǒng)中離心泵居多。循環(huán)泵的材質(zhì)建議采用耐熱材料以滿足輸送高溫導(dǎo)熱油的需要。采用金屬端面密封對(duì)泵進(jìn)行密封。采用耐高溫軸承或水冷卻軸承作為循環(huán)泵的軸承。

(4) 導(dǎo)熱油膨脹柜。導(dǎo)熱油受熱后體積膨脹顯著，膨脹率遠(yuǎn)大于水。溫度升高100 ℃，體積膨脹率可達(dá)8%～10%。為滿足導(dǎo)熱油受熱膨脹、透氣、補(bǔ)油和溢流所需，導(dǎo)熱油膨脹柜滿足在冷卻狀態(tài)下其容積不小于系統(tǒng)內(nèi)所有導(dǎo)熱油體積的25%，且需設(shè)置在整個(gè)系統(tǒng)的最高位置[5]。

2 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)型式

2.1 循環(huán)回路型式

(1) 單循環(huán)系統(tǒng)。單循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，由導(dǎo)熱油加熱鍋爐、導(dǎo)熱油膨脹柜、導(dǎo)熱油循環(huán)泵、加熱盤管組成。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)及其操作簡(jiǎn)單，初始投資少，維護(hù)費(fèi)用低。

圖1 單循環(huán)系統(tǒng)

(2) 雙循環(huán)系統(tǒng)。雙循環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，由導(dǎo)熱油加熱鍋爐、導(dǎo)熱油膨脹柜、導(dǎo)熱油外循環(huán)泵、加熱盤管、熱交換器、導(dǎo)熱油內(nèi)循環(huán)泵組成。此系統(tǒng)可防止有毒物質(zhì)進(jìn)入機(jī)艙，載運(yùn)有毒化學(xué)品或閃點(diǎn)低于60 ℃的液貨船舶多采用雙循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 雙循環(huán)系統(tǒng)

內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)分開(kāi)，保證當(dāng)單個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)還能維持正常工作。外循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力相對(duì)較低，加熱盤管處出現(xiàn)泄漏的可能性降低。但系統(tǒng)初始投入費(fèi)用較大[6]。

2.2 導(dǎo)熱油循環(huán)泵布置型式

注入式熱油系統(tǒng)是在回油管路上設(shè)置導(dǎo)熱油循環(huán)泵，此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是泵內(nèi)的導(dǎo)熱油溫度較低，泵的密封性好，不易泄漏，但導(dǎo)熱油加熱鍋爐的出口管路上須裝有安全閥。吸出式導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)將導(dǎo)熱油循環(huán)泵設(shè)在導(dǎo)熱油鍋爐后，泵內(nèi)導(dǎo)熱油溫度較高，這種布置對(duì)泵的密封材料要求較高，但可以省掉安全閥。

為減少泄漏，通常采用注入式系統(tǒng)較多。每個(gè)導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)至少設(shè)有兩臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵和過(guò)濾器，以便互為備用。

3 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)原理

瀝青船導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)原理如圖3所示，在該循環(huán)回路中，導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)注入泵進(jìn)入導(dǎo)熱油鍋爐被加熱至工作溫度，然后輸送至貨艙，通過(guò)加熱盤管對(duì)瀝青進(jìn)行加熱。在回路中可利用閥件的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)流量，同時(shí)導(dǎo)熱油膨脹柜保證管路壓力在合理范圍內(nèi)。過(guò)濾器的作用是去除油內(nèi)雜質(zhì)，確保導(dǎo)熱油的導(dǎo)熱性良好，且可以防止管路內(nèi)熱阻增加[7]。

圖3 瀝青船導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)原理圖

4 加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型

4.1 導(dǎo)熱油的選擇

導(dǎo)熱油的選擇主要取決于：溫度范圍(最低、最高)、油膜溫度、使用工況、導(dǎo)熱油價(jià)格、環(huán)境條件和使用便利性。導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容高、熱效率高且經(jīng)濟(jì)效益好；擁有較長(zhǎng)的使用壽命；為避免引起火災(zāi)危險(xiǎn)，應(yīng)具有較高的閃點(diǎn)、自燃點(diǎn)和沸點(diǎn)，黏度及凝固點(diǎn)要低[8]。選擇導(dǎo)熱油參數(shù)如表1所示。

表1 導(dǎo)熱油參數(shù)

4.2 導(dǎo)熱油鍋爐的設(shè)計(jì)選型

要選擇合適的加熱鍋爐，需知貨艙所需的加熱量，加熱量可通過(guò)計(jì)算獲得[9]。

瀝青加熱所需熱量計(jì)算公式為

Q=Q1+Q2

(1)

式中：Q1為瀝青散熱的熱損耗；Q2為瀝青加熱升溫所需的熱量。

瀝青保溫時(shí)所需熱量Q1計(jì)算公式為

Q1=K·A·(Tm-Tn)

(2)

式中：K為艙壁傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為艙壁散熱面積，m2；Tm為貨艙溫度，℃；Tn為環(huán)境溫度，℃。

瀝青加熱升溫所需的熱量Q2計(jì)算公式為

Q2=W·c·(Tr-T0)

(3)

式中：W為被加熱瀝青的質(zhì)量，kg；c為瀝青的比熱容，kJ/(kg·K)；Tr為瀝青的終溫，℃；T0為瀝青的初溫，℃。

左右貨艙容積相同，經(jīng)計(jì)算：貨艙加熱最大總負(fù)荷為734.632 kW，最大流量為23.508 m3/h?？紤]到導(dǎo)熱油鍋爐的供熱能力及整個(gè)系統(tǒng)的裕度，設(shè)計(jì)因數(shù)取1.5，選用鍋爐的功率至少為1 101.948 kW，最終選用功率為1 160 kW的鍋爐。選用鍋爐型號(hào)及參數(shù)如表2所示。

表2 鍋爐型號(hào)及參數(shù)

4.3 導(dǎo)熱油循環(huán)泵的設(shè)計(jì)選型

(1) 導(dǎo)熱油循環(huán)泵排量qv0可由下式估算：

(4)

式中：qv0循環(huán)泵總?cè)萘?m3/h；Φ為導(dǎo)熱油加熱所需總熱量，kJ/h；ρ為導(dǎo)熱油密度，kg/m3；c1為導(dǎo)熱油比熱容,kJ/(kg·K);Δt為導(dǎo)熱油加熱爐進(jìn)出口溫度差，K。

被加熱的貨艙對(duì)導(dǎo)熱油加熱鍋爐出口溫度有嚴(yán)格要求，而對(duì)回油溫度要求相對(duì)較松，只需達(dá)到加溫要求即可。在實(shí)際選取時(shí)綜合考慮運(yùn)行、工作要求，出油、回油溫差Δt選擇在40～55 ℃，以滿足各項(xiàng)性能要求。

(2) 導(dǎo)熱油循環(huán)泵出口壓力P估算式為

P=P1+P2+P3

(5)

式中：P1為導(dǎo)熱油加熱鍋爐內(nèi)壓力降，通常取0.2～0.3 MPa；P2為加熱盤管的最大壓力降，通常取0.12～0.25 MPa；P3為管路附件和總管的壓力降，通常取0.1～0.2 MPa。

(3) 導(dǎo)熱油循環(huán)泵數(shù)量。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，各船級(jí)社都要求備用1臺(tái)導(dǎo)熱油循環(huán)泵，因此系統(tǒng)采用2臺(tái)排量相同的導(dǎo)熱油循環(huán)泵，管路設(shè)計(jì)使其能互為備用。

綜上分析和計(jì)算，循環(huán)泵容量不小于25 m3/h，揚(yáng)程不小于70.3 m。

4.4 導(dǎo)熱油管系的設(shè)計(jì)與選型

(1) 管徑的基本設(shè)計(jì)[10]。確定介質(zhì)在管內(nèi)的流速是管路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。流速高則管徑小、管材省、成本低，而管徑小易引起阻力增加、腐蝕加快；流速低則管徑大、管材消耗多、成本高，但阻力小、泵的耗電低，當(dāng)流速過(guò)低時(shí)會(huì)引起腐蝕。因此，須根據(jù)具體情況合理選擇流速。

本船根據(jù)實(shí)際情況確定管內(nèi)導(dǎo)熱油流速為ν=0.5 m/s。

管徑基本計(jì)算公式為

(6)

式中：di為管子內(nèi)徑,m;qV為體積流量，m3/h；v為管內(nèi)流通流速，m/s。各艙室管內(nèi)流速、流量和管徑如表3所示。

表3 各艙室管內(nèi)流量、流速和管徑數(shù)據(jù)

(2) 加熱系統(tǒng)管路壁厚計(jì)算。管子的壁厚須保證管子具有必要的強(qiáng)度及腐蝕裕度。對(duì)于常規(guī)管路而言，常按經(jīng)驗(yàn)選取壁厚，而這些要求可作為校核之用；對(duì)于特殊的管路，在缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可用以下公式作設(shè)計(jì)依據(jù)。

鋼管最小壁厚計(jì)算式為

tm=t0+b+c0

(7)

式中：tm為鋼管最小壁厚，mm；t0為基本計(jì)算壁厚，mm；b為彎曲附加裕量，mm；c0為腐蝕裕量，按規(guī)定選取，mm。

鋼管基本計(jì)算壁厚t0為

(8)

式中：Pd為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D0為鋼管外徑，mm；[σ]為鋼管許用應(yīng)力，N/mm2；e為焊接有效因數(shù)，對(duì)無(wú)縫鋼管、電阻焊和高頻焊鋼管，e=1。

彎曲附加裕量b應(yīng)不小于：

(9)

式中：R為平均彎曲半徑，通常R不小于3D0,mm。

鋼管許用應(yīng)力[σ]應(yīng)取下列公式計(jì)算的最小值：

(10)

式中：σb為常溫下的最小抗拉強(qiáng)度,MPa；σT,s為設(shè)計(jì)溫度下的最小屈服強(qiáng)度，MPa；σT,D為設(shè)計(jì)溫度下100 000 h內(nèi)產(chǎn)生破斷的平均應(yīng)力，MPa；σT,C為設(shè)計(jì)溫度下105h內(nèi)產(chǎn)生蠕變的平均應(yīng)力,MPa。

綜合上述分析及相關(guān)公式的計(jì)算，結(jié)合船用無(wú)縫鋼管選取標(biāo)準(zhǔn)及船舶無(wú)縫鋼管系列尺寸，得出本船導(dǎo)熱油管系參數(shù)如下：加熱盤管外徑×壁厚為60.0 mm×6.5 mm,使用Ⅱ級(jí)管；導(dǎo)熱油管外徑×壁厚為60 mm×4 mm，使用Ⅱ級(jí)管；總管外徑×壁厚為168 mm×7 mm,使用Ⅱ級(jí)管。

4.5 加熱盤管的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

貨艙加熱盤管面積[11]按照以下步驟計(jì)算：

(1) 已知原始數(shù)據(jù):瀝青加熱至規(guī)定溫度所需熱量、導(dǎo)熱油在管內(nèi)的流量、導(dǎo)熱油流出的溫度以及一定溫度下導(dǎo)熱油物性數(shù)據(jù)、瀝青的參數(shù)。

(2) 計(jì)算管內(nèi)放熱系數(shù)h1。依據(jù)管內(nèi)放熱準(zhǔn)則計(jì)算努賽爾數(shù)，再計(jì)算出管內(nèi)放熱系數(shù)h1。

管內(nèi)傳熱準(zhǔn)則公式為

(11)

式中：η為動(dòng)力黏度，kg/(m·h)，其下標(biāo)f、w分別表示以流體平均溫度及壁面溫度計(jì)算。該式應(yīng)用范圍: 雷諾數(shù)Re>104，普朗特?cái)?shù)Pr=0.7～16 700.0，管子長(zhǎng)度與管徑比L/d>60。

(3) 假設(shè)管外壁溫tw，按t=(tw-t∞)/2計(jì)算定性溫度，然后根據(jù)具體數(shù)據(jù)計(jì)算管外放熱系數(shù)h2。根據(jù)管子是水平管和豎直管采用不同的計(jì)算公式。

水平管管外放熱準(zhǔn)則公式為

Nu′=0.53 (GrPr)0.25

(12)

豎直管管外放熱準(zhǔn)則公式為

(13)

(4) 計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)h0。

總傳熱系數(shù)h0公式為

(14)

式中：h1為管內(nèi)放熱系數(shù),kJ/(m2·h·K)；h2為管外放熱系數(shù),kJ/(m2·h·K)；δ為管壁厚度，m；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m2·K)；b1為管內(nèi)壁污垢熱阻,m2·h·K/kJ;b2為管外壁污垢熱阻，m2·h·K/kJ。

(5) 計(jì)算加熱盤管的面積。

加熱盤管的面積計(jì)算式為

(15)

式中：h0為加熱盤管傳熱系數(shù)(對(duì)鋼管取h0=100～120 W/(m2·K)，對(duì)鋁黃銅管取h0=200～220 W/(m2·K)；Δt1為導(dǎo)熱油平均溫度與被加熱貨物溫度之差,℃。

如果管壁上的溫度相差較大就需要重新假定t0并且重復(fù)上面的步驟計(jì)算，直至計(jì)算值與管壁上溫度相差不大時(shí)，這時(shí)傳熱面積和總傳熱系數(shù)就是最后得出的結(jié)果。

計(jì)算得到各貨艙所需的加熱盤管面積如表4所示。根據(jù)計(jì)算得到的貨艙加熱盤管面積，并結(jié)合各艙加熱盤管的內(nèi)徑，可計(jì)算出該艙所需加熱管長(zhǎng)度。在計(jì)算值的基礎(chǔ)上給定10%的裕量，計(jì)算得到各貨艙加熱盤管的長(zhǎng)度。8個(gè)貨艙加熱盤管的總長(zhǎng)度為4 205.42 m。

4.6 導(dǎo)熱油膨脹柜的設(shè)計(jì)選型

膨脹柜的理論容積V估算式[12]為

V=K1·V0·β·(Th-T0′)×10-3

(16)

式中：V為膨脹柜估算容積，m3；K1為儲(chǔ)存因數(shù)，約為1.5～2.0；V0為系統(tǒng)導(dǎo)熱油總?cè)莘e(導(dǎo)熱油儲(chǔ)存柜不計(jì)),m3;β為導(dǎo)熱油體膨脹系數(shù)，1/(m3·K)；Th為最高工作溫度，℃；T0′為加熱爐啟動(dòng)前導(dǎo)熱油起點(diǎn)溫度，℃。

根據(jù)計(jì)算，系統(tǒng)導(dǎo)熱油的總?cè)莘e約為10.5 m3。帶入式(16)，計(jì)算得V=3.23 m3。因此，膨脹柜的容積為3.23 m3。

表4 加熱盤管面積及長(zhǎng)度

4.7 導(dǎo)熱油管路的隔熱絕緣

為節(jié)約燃料、減少熱力設(shè)備的燃料消耗，同時(shí)也為改善甲板環(huán)境、勞動(dòng)條件，防止人員燙傷，需要在導(dǎo)熱油管路上包扎熱絕緣層以減少設(shè)備的散熱損失。絕緣層外表溫度不得超過(guò)50 ℃。

習(xí)慣上把常溫下導(dǎo)熱率小于0.2 W/ (m·K)的材料稱為熱絕緣材料或保溫材料、隔熱材料。大多數(shù)熱絕緣材料是經(jīng)過(guò)特殊加工后的產(chǎn)品，例如巖棉、礦渣棉、微孔硅酸鈣、膨脹珍珠巖、膨脹蛭石和泡沫塑料等。

(1) 導(dǎo)熱油管路隔熱絕緣的基本要求：①為起到良好的隔熱保溫作用，材料的導(dǎo)熱系數(shù)要小。②力學(xué)性能較好，有一定的抗壓和抗拉強(qiáng)度，易加工成型。③具有足夠的不吸水性和耐高溫能力。隔熱材料吸水后不應(yīng)改變?cè)行螤?，最好采用不吸濕及不吸水材料?/p>

為滿足以上基本要求，本船采用的管路隔熱絕緣材料由2部分組成：內(nèi)襯為微孔硅酸鈣，外套熱塑預(yù)絕緣材料。微孔硅酸鈣導(dǎo)熱系數(shù)低，但易吸濕；熱塑預(yù)絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，防水防濕性能好，在長(zhǎng)期日照下不變形。

(2) 隔熱層厚度估算。當(dāng)已確定管子包扎隔熱后表面溫度時(shí)，按下式計(jì)算：

(17)

式中：t1為隔熱包扎層厚度，m；D為隔熱包扎層外徑，m。

本船管路隔熱層選用的材料為微孔硅酸鈣，根據(jù)微孔硅酸鈣的性能參數(shù)，參考硅酸鈣隔熱套管厚度選用表以及估算圖表，確定隔熱層的厚度為30 mm。

5 結(jié) 論

本文從實(shí)船建造的角度出發(fā)，進(jìn)行一系列計(jì)算分析，闡述導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用，并通過(guò)計(jì)算對(duì)瀝青船所使用的導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的設(shè)備及附件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型,完成與船舶相匹配的一套導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 900 t瀝青船導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)采用兩鍋爐并聯(lián)式的加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)為注入式系統(tǒng)，即循環(huán)泵布置在回油管路：系統(tǒng)采用2臺(tái)1 160 kW的導(dǎo)熱油鍋爐，滿足滿載貨物所需加熱量；循環(huán)泵容量不小于25 m3/h，揚(yáng)程不小于70.3 m，雙泵一備一用；膨脹柜容積為3.23 m3；管路采用二級(jí)不銹鋼管，參數(shù)如下：加熱盤管外徑×壁厚為60 mm×6.5 mm，使用Ⅱ級(jí)管；導(dǎo)熱油支管外徑×壁厚為60 mm×4 mm，使用Ⅱ級(jí)管；導(dǎo)熱油總管外徑×壁厚為168 mm×7 mm，使用Ⅱ級(jí)管。露天區(qū)域?qū)嵊凸苈凡捎酶魺峤^緣材料進(jìn)行保溫，保溫層采用內(nèi)襯微孔硅酸鈣，外套熱塑預(yù)絕緣材料的雙層絕緣形式。