某大型豪華郵輪蒸汽系統(tǒng)蒸汽環(huán)網(wǎng)管徑仿真優(yōu)化研究

白朝旭，尹奇志，袁裕鵬

(1.科學(xué)技術(shù)部國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；3.交通運(yùn)輸部船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)郵輪產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但國(guó)產(chǎn)大型郵輪的建造仍面臨諸多困境，大型豪華郵輪的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)是我國(guó)亟需發(fā)展的技術(shù)[1]。蒸汽系統(tǒng)是大型郵輪的重要系統(tǒng)之一，若設(shè)計(jì)不合理，將影響郵輪經(jīng)濟(jì)性、舒適性和安全性[2]，因此，對(duì)于大型豪華郵輪蒸汽系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證是十分重要的。仿真驗(yàn)證是現(xiàn)在主流的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法之一，但當(dāng)前蒸汽系統(tǒng)仿真的研究對(duì)象主要集中在蒸汽發(fā)電系統(tǒng)[3-4]以及建筑蒸汽供熱系統(tǒng)[5]方面，針對(duì)郵輪蒸汽系統(tǒng)蒸汽管網(wǎng)的研究非常少。這些研究對(duì)象在用途、蒸汽管網(wǎng)規(guī)模和運(yùn)行環(huán)境等方面與大型豪華郵輪蒸汽系統(tǒng)均有所不同。

本文以某大型豪華郵輪(以下簡(jiǎn)稱“某郵輪”)蒸汽系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用Flowmaster軟件建立蒸汽系統(tǒng)的仿真模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算、分析和優(yōu)化。

1 某郵輪蒸汽系統(tǒng)特點(diǎn)分析

1.1 某郵輪參數(shù)

某郵輪主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某郵輪主要參數(shù)

1.2 某郵輪蒸汽系統(tǒng)特點(diǎn)分析

某郵輪蒸汽系統(tǒng)由產(chǎn)汽設(shè)備、輸汽管路、用汽設(shè)備組成，蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)布置示意圖如圖1所示。各部分的功能、組成和工作原理如下。

1)產(chǎn)汽設(shè)備。產(chǎn)汽設(shè)備負(fù)責(zé)產(chǎn)生1 MPa飽和蒸汽，滿足全船用汽需求。某郵輪產(chǎn)汽設(shè)備由5臺(tái)廢氣鍋爐和2臺(tái)燃油鍋爐組成，其中5臺(tái)廢氣鍋爐共用1個(gè)汽包，燃油鍋爐配有獨(dú)立的汽包。廢氣鍋爐汽包的額定產(chǎn)汽量為12 000 kg/h，單臺(tái)燃油鍋爐的額定產(chǎn)汽量為8 000 kg/h，額定燃油消耗率為560 kg/h。

圖1 蒸汽系統(tǒng)管網(wǎng)布置示意圖

2)蒸汽管路。蒸汽管路負(fù)責(zé)將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽輸送到各用汽設(shè)備。該郵輪的蒸汽管路由蒸汽環(huán)網(wǎng)和枝狀管路組成。蒸汽環(huán)網(wǎng)由2條縱向管路與11條橫向管路組成，縱向管路指的是船舶縱軸走向的管路，長(zhǎng)約220 m，橫向管路指的是船舶橫軸走向的管路，橫向管路的兩端分別連接左右舷的縱向管路，每條橫向管路長(zhǎng)約30 m。管網(wǎng)的管路材料為低碳鋼，導(dǎo)熱系數(shù)為59.400 W/(m·℃)；管外的絕熱保溫材料為玻璃纖維，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/(m·℃)。蒸汽系統(tǒng)管道保溫層厚度見(jiàn)表2。

表2 蒸汽系統(tǒng)管道保溫層厚度 mm

3)用汽設(shè)備。該郵輪蒸汽系統(tǒng)用汽設(shè)備種類多，包括各類油艙加熱盤管、造水機(jī)、游泳池水加熱器和廚房烹飪?cè)O(shè)備等。用汽設(shè)備的用汽特點(diǎn)為：不同用汽設(shè)備用汽量具有差異性；用汽量受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度較低時(shí)，用汽設(shè)備數(shù)量增加，用汽量增大。

2 某郵輪蒸汽系統(tǒng)仿真計(jì)算

2.1 蒸汽系統(tǒng)建模

根據(jù)該郵輪蒸汽系統(tǒng)的設(shè)備、管網(wǎng)特點(diǎn)運(yùn)用Flowmaster軟件分別構(gòu)建了產(chǎn)汽設(shè)備模型、蒸汽管網(wǎng)模型和用汽設(shè)備模型。

1)產(chǎn)汽設(shè)備建模。產(chǎn)汽設(shè)備建模分為廢氣鍋爐模塊建模和燃油鍋爐建模。

(1)廢氣鍋爐建模。廢氣鍋爐自定義復(fù)合元件搭建過(guò)程中采用的數(shù)學(xué)模型為郵輪設(shè)計(jì)單位提供的廢氣鍋爐廢熱蒸汽量與發(fā)電機(jī)油耗數(shù)據(jù)的擬合曲線，廢熱蒸汽量與發(fā)電機(jī)燃油瞬時(shí)油耗之間的關(guān)系見(jiàn)表3。表3中，y為廢熱蒸汽量，kg/s；x為發(fā)電機(jī)瞬時(shí)油耗，kg/s。

表3 廢熱蒸汽量與發(fā)電機(jī)燃油瞬時(shí)油耗之間的關(guān)系

(2)燃油鍋爐建模。燃油鍋爐自定義復(fù)合元件搭建過(guò)程中采用的數(shù)學(xué)模型關(guān)系式[6]見(jiàn)公式(1)：

(1)

式中，qmb為產(chǎn)生的蒸汽流量，kg/h；gb為燃油消耗量，kg/h；μL為燃油的低發(fā)熱值，kJ/kg；ηb為鍋爐效率；i2為鍋爐給水比焓值，kJ/kg；i1為鍋爐產(chǎn)生的蒸汽比焓值，kJ/kg。

2)輸汽管路建模。根據(jù)圖1中搭建蒸汽環(huán)網(wǎng)模型，管路元件采用兩相流管路。參數(shù)設(shè)置為：壓降計(jì)算模型選用Muller Steinhagen Heck關(guān)系式[7]，管路換熱選用全換熱類型，管網(wǎng)的管徑、管材、保溫層材料等參數(shù)按表2設(shè)置。

品牌經(jīng)濟(jì)在21世紀(jì)已經(jīng)成為衡量地區(qū)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志，農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌也是一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展程度的重要體現(xiàn)。農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競(jìng)爭(zhēng)力是農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力及品牌自身資產(chǎn)價(jià)值的體現(xiàn)，是區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力提升、農(nóng)民增收乃至新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體培育的重要抓手。新疆地域遼闊，農(nóng)業(yè)資源豐富，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件較好，是國(guó)家的糧食、棉花、林果、畜牧四大農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。提升新疆農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域品牌競(jìng)爭(zhēng)力，有利于新疆農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)資源轉(zhuǎn)化，有利于提高新疆農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)份額，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收具有重要而現(xiàn)實(shí)的意義。

3)用汽設(shè)備建模。用汽設(shè)備采用流量源進(jìn)行模擬。不同肋位號(hào)橫向管路的枝狀管路總流量見(jiàn)表4。

表4 不同肋位號(hào)橫向管路的枝狀管路總流量

2.2 蒸汽系統(tǒng)仿真計(jì)算和分析

為模擬郵輪在不同環(huán)境航行時(shí)蒸汽系統(tǒng)的運(yùn)行工況，按照郵輪設(shè)計(jì)書(shū)中的2種典型工況(熱帶工況和ISO工況)開(kāi)展仿真計(jì)算并得到仿真結(jié)果。仿真工況設(shè)置見(jiàn)表5。

表5 仿真工況設(shè)置

蒸汽環(huán)網(wǎng)的蒸汽干度不但影響到設(shè)備換熱效率，而且影響到管網(wǎng)的安全運(yùn)行，故針對(duì)蒸汽環(huán)網(wǎng)干度的仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，表6為蒸汽環(huán)網(wǎng)的縱向管路干度統(tǒng)計(jì)。

由表6可知，當(dāng)郵輪輔助蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，船首蒸汽干度高于船尾蒸汽干度。肋位號(hào)大于70的管網(wǎng)區(qū)域，管內(nèi)蒸汽的干度均大于0.99，而在肋位號(hào)小于70的區(qū)域，蒸汽的平均干度僅為0.955。熱帶工況時(shí)，該現(xiàn)象愈發(fā)明顯，管段肋位號(hào)20-30區(qū)域，熱帶工況最低干度達(dá)到了0.875，增加了管網(wǎng)發(fā)生水錘的風(fēng)險(xiǎn)。

表6 蒸汽環(huán)網(wǎng)的縱向管路干度統(tǒng)計(jì)

出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因是船尾管段肋位號(hào)20-30管路連接有2個(gè)游泳池?fù)Q熱器以及6個(gè)燃油艙加熱盤管。在熱帶工況時(shí)，游泳池水不需要加熱，而燃油艙也僅需要少量熱量，故蒸汽量使用量相對(duì)較少，但設(shè)計(jì)管徑偏大，導(dǎo)致蒸汽流速偏低，單位質(zhì)量的蒸汽的熱損失偏大，干度偏低[4]。

3 蒸汽環(huán)網(wǎng)船尾管徑優(yōu)化

由仿真分析可知，船尾蒸汽干度偏低，熱帶環(huán)境中該現(xiàn)象尤為明顯，故針對(duì)船尾蒸汽環(huán)網(wǎng)干度進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化思路

由上文分析可知，船尾管路中蒸汽干度較低是由于設(shè)計(jì)的管徑偏大造成的。結(jié)合該郵輪輔助蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙，在不改變管網(wǎng)布置的前提下，選擇更小的管路管徑可以縮小蒸汽在管路中的流通面積，提高蒸汽流速，從而達(dá)到減少單位質(zhì)量蒸汽的散熱損失、提升蒸汽干度的目的[8]。

值得注意的是，縮小管徑雖然可以降低單位質(zhì)量蒸汽的熱損失，提高蒸汽干度，但也會(huì)增大管路壓降，故不能無(wú)限制縮小管徑，設(shè)計(jì)合適的管徑至關(guān)重要?？紤]到縮小管徑對(duì)蒸汽品質(zhì)的影響無(wú)法用熱損失或壓力降作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而火用表示在環(huán)境條件下可轉(zhuǎn)化為有用功的最高能量，可作為評(píng)價(jià)蒸汽品質(zhì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

因此，可以采用縮小管徑的方法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，并以比火用值為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，探討得出本系統(tǒng)的最優(yōu)管徑。

3.2 仿真計(jì)算

根據(jù)以上優(yōu)化思路開(kāi)展了仿真計(jì)算。由于船尾的蒸汽干度較低，故只縮小船尾部分蒸汽管路管徑，即肋位號(hào)小于105的蒸汽環(huán)網(wǎng)管路管徑。由于蒸汽管道的管徑具有固定的尺寸規(guī)格，因此先設(shè)定2個(gè)管徑優(yōu)化方案，再根據(jù)這2個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果來(lái)判定是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。方案一：按照設(shè)計(jì)規(guī)格減小1個(gè)規(guī)格的尺寸，將蒸汽環(huán)網(wǎng)的管徑由原有設(shè)計(jì)的DN80～DN300，對(duì)應(yīng)縮小為DN65～DN250。方案二：按照設(shè)計(jì)規(guī)格減小2個(gè)規(guī)格的尺寸，將蒸汽環(huán)網(wǎng)的管徑由原有設(shè)計(jì)的DN80～DN300，對(duì)應(yīng)縮小為DN50～DN200。

依照以上2種方案分別計(jì)算了熱帶和ISO 2種工況的仿真結(jié)果。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及分析

1)熱帶工況管徑優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。

(1)熱帶工況方案一優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。采用方案一對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化后，該系統(tǒng)在熱帶工況船尾蒸汽環(huán)網(wǎng)縱向管路干度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。

表7 熱帶工況船尾蒸汽環(huán)網(wǎng)縱向管路干度統(tǒng)計(jì)

由表6、表7對(duì)比可知，采用方案一優(yōu)化后，熱帶工況下船尾蒸汽干度有明顯提升，最低干度由0.875提升為0.922，平均干度由0.955提升為0.976。為了了解采用方案一后，用汽設(shè)備蒸汽輸入端蒸汽參數(shù)的變化。選取管段肋位號(hào)20-30的2個(gè)設(shè)備仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，熱帶工況用汽設(shè)備蒸汽輸入端參數(shù)見(jiàn)表8。

表8 熱帶工況用汽設(shè)備蒸汽輸入端參數(shù)

由表8知，采用方案一優(yōu)化后，對(duì)用汽設(shè)備的蒸汽輸入端蒸汽品質(zhì)的影響為：系統(tǒng)中所有用汽設(shè)備蒸汽輸入端蒸汽品質(zhì)(比火用值)、干度都得到優(yōu)化，其中比火用值平均上升1.8 kJ/kg，干度平均上升0.011；壓力比優(yōu)化前略微變差，壓力平均下降0.003 5 MPa。優(yōu)化后，蒸汽比火用值和干度得到提升，且對(duì)壓力降影響較小。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，主環(huán)網(wǎng)總冷凝水量由0.064 0 kg/s降低為0.056 4 kg/s，疏水量降低了11.87%。由于減少冷凝水量為0.007 6 kg/s，相當(dāng)于鍋爐可以少產(chǎn)汽 0.007 6 kg/s，結(jié)合鍋爐的額定產(chǎn)汽參數(shù)計(jì)算得出，每天節(jié)省燃油45.9 kg。

(2)熱帶工況方案二優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。采用方案二對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化后，得到的結(jié)果顯示，熱帶工況下蒸汽干度有明顯提升，但是對(duì)用汽設(shè)備蒸汽輸入端蒸汽品質(zhì)的影響與方案一不同，并不是所有的用汽設(shè)備輸入端蒸汽品質(zhì)都得到了優(yōu)化，如燃油分雜機(jī)等設(shè)備處的蒸汽品質(zhì)并未得到優(yōu)化，不同方案下熱帶工況燃油分雜機(jī)蒸汽輸入端參數(shù)見(jiàn)表9。方案二下燃油分雜機(jī)蒸汽入口蒸汽比火用降低0.1 kJ/kg，蒸汽品質(zhì)變差。

表9 不同方案下熱帶工況燃油分雜機(jī)蒸汽輸入端參數(shù)

由表9知，采用方案一優(yōu)化后，蒸汽管路中蒸汽干度增加，蒸汽比火用值得到提高；采用方案二優(yōu)化后，部分設(shè)備蒸汽輸入端蒸汽比火用值下降，雖然下降幅度不大，但蒸汽品質(zhì)并沒(méi)有原設(shè)計(jì)方案好。因此，放棄方案二，停止進(jìn)一步減小管徑，在ISO工況下也只對(duì)方案一進(jìn)行仿真分析。

2)ISO工況管徑優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果。ISO工況下，方案一計(jì)算結(jié)果顯示：蒸汽環(huán)網(wǎng)蒸汽最低干度由0.979提升為0.982。蒸汽輸送到用汽設(shè)備輸入端的參數(shù)變化與熱帶工況時(shí)方案一優(yōu)化效果相同，所有用汽設(shè)備蒸汽入口蒸汽干度、比火用得到優(yōu)化，干度平均上升0.008，比火用平均上升1.8 kJ/kg；壓力比優(yōu)化前略微變差，壓力平均下降0.002 2 MPa。由此可知，優(yōu)化后蒸汽品質(zhì)得到提升，且對(duì)壓力降影響較小。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，冷凝水量由原設(shè)計(jì)的0.067 5 kg/s降低為0.061 3 kg/s，疏水量降低了9.18%，相當(dāng)于每天節(jié)省燃油37.5 kg。

綜上所述，本系統(tǒng)蒸汽環(huán)網(wǎng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，采用方案一，將船尾主環(huán)網(wǎng)管徑縮小一個(gè)規(guī)格尺寸后，熱帶工況和ISO工況下蒸汽環(huán)網(wǎng)及蒸汽設(shè)備輸入端蒸汽的品質(zhì)都得到了提升，減少了燃油消耗，且減少了管路所占艙容，節(jié)約了建造成本。節(jié)約的管網(wǎng)建造成本可通過(guò)蒸汽環(huán)網(wǎng)船尾管路優(yōu)化前后管材質(zhì)量對(duì)比計(jì)算得出，船尾管路優(yōu)化前后管材對(duì)比見(jiàn)表10。由表10知，采用方案一優(yōu)化后總共可節(jié)省管道鋼材2 456 kg，按低碳鋼管市場(chǎng)均價(jià)5 000 元/噸進(jìn)行計(jì)算，即節(jié)省原材料成本12 280 元。

表10 船尾管路優(yōu)化前后管材對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明：原設(shè)計(jì)方案下，船尾蒸汽干度較低。通過(guò)優(yōu)化，將船尾蒸汽環(huán)網(wǎng)管徑在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上減小一個(gè)尺寸，該蒸汽系統(tǒng)的蒸汽干度和品質(zhì)得到有效提升。蒸汽平均干度由0.955提升為0.976，冷凝水量減少了9.18%，降低了水錘發(fā)生的可能性。同時(shí)，每天節(jié)省燃油的消耗37.5 kg，減少管路所占艙容，降低管材成本12 280元。