貨油加熱系統節能減排的探討與應用

,何熾

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316000； 2.浙江省船舶檢驗局舟山檢驗處，浙江 舟山316000)

目前油船設計多考慮貨油加熱系統的功能性，對其經濟性與節能性則考慮不足，船級社有關法規、規范對這方面均未有任何強制性要求。從節能的角度考慮，有必要對貨油加熱系統的性能與功能進行分析。

1 加強優化設計與改進施工工藝

1.1 優化設計選型計算與分析

通過熱力學計算進行設計選型。熱力學計算主要考慮貨油需熱量、鍋爐供熱量、加熱盤管的長度與換熱面積幾者之間的相互匹配與平衡，盡可能發揮貨油加熱系統的有效熱效率，減少無效熱損耗[1]。

1) 貨油需熱量與鍋爐供熱量。

(1)貨油每小時吸熱量Q1。

Q1=W×c(t終-t初)×103/t

(1)

式中：W——貨油量，t；

t——加熱總時間，h；

c——貨油相應溫度下比熱容；

t終、t初——加熱終了與開始時溫度。

(2)貨油每小時損失的熱量Q2。

Q2=3 600[F1K1(tm-t1)+F2K2(tm-t1)+

F3K3(tm-t2)+F4K4(tm-t2)+

F5K5(tm-t3)]

(2)

式中：tm——貨油的平均溫度，

tm=2/3t終+1/3t初;

t1、t2、t3——艙外水、空氣以及鄰艙貨油的溫度；

F1～F5——貨油接觸水線下舷板、船底板、水線上舷板、貨油甲板以及與鄰艙接觸面積；

K1～K5——貨油接觸水線下舷板、船底板、水線上舷板、貨油甲板以及與鄰艙壁接觸面傳熱系數。

(3)貨油加熱所需總熱量Q。

Q=Q1+Q2

(3)

(4)若采用蒸汽加熱，加熱蒸汽消耗量為G。

G=Q/0.95(H1-H2)

(4)

式中：H1、H2——加熱蒸汽以及凝水的熱焓。

(5)若采用熱媒油加熱，加熱媒油流量為G。

G=3 600Q/CTΔt

(5)

式中：CT——熱媒油比熱;

Δt——加熱對象熱媒油進出口溫差。

上述計算是對貨油加熱用鍋爐選型的主要依據。因目前的法規對這方面的計算沒有明確的規定，圖紙審核批準部門也沒有強制要求設計單位提交鍋爐選型計算，使得很多油船在設計中對鍋爐憑經驗直接選型。若選用蒸發量小的鍋爐，則加熱時間加長，熱損失Q2增加，總需熱增加，最終導致蒸汽消耗量增加，必然引發鍋爐燃油量消耗增加，致使廢氣排放量增加，鍋爐經濟性降低。若選用蒸發量大的鍋爐，由于貨油加熱所需總熱量在初溫與終溫不變時總量一定，一旦貨油卸載速率與加熱速度不匹配，為了貨油保溫，則必須對貨油繼續加熱，使鍋爐燃燒系統在低負荷狀態下燃燒，燃燒不完善，熱效率低，最終也會導致總耗油增加，廢氣排放量增加，鍋爐經濟性降低。

2) 加熱盤管的換熱面積與長度。

(1)加熱盤管換熱面積S。

S=Q/0.9h0(ts-tm)×3 600

(6)

式中：h0——加熱盤管傳熱系數，對于無縫鋼管，h0推薦取值范圍為100～120；

ts——加熱蒸汽與凝水溫度的平均值。

(2)加熱盤管長度L。

L=S/πd0

(7)

式中:d0——加熱盤管內徑。

加熱盤管只能采用無縫鋼管，且直徑×壁厚為60 mm×5 mm，故d0應取50 mm[2]。

目前國內絕大多數油船缺乏對貨油加熱系統進行熱力學計算，加熱管系也僅以原理圖形式提交審核，這樣貨油艙究竟需要多少面積以及多長的加熱盤管，則難于控制。若加熱盤管換熱面積或長度不足，必然導致貨油艙換熱量減少，貨油向外熱損失的量仍存在，致使貨油的有效吸熱量少，升溫難。若加熱盤管換熱面積或長度過大，鍋爐的能力沒有改變，使得加熱介質在管內流動阻力增加，流速下降，壓力降低，最終導致傳熱效率降低。這些都會導致系統經濟性下降，不符合低碳環保要求。

1.2 改進加熱盤管安裝施工工藝

加熱盤管應均勻布置在艙底，最下一層盤管應盡量靠近艙底，為了便于檢修、更換，加熱盤管中心線距內底高度一般可取100～150 mm。貨油艙內的加熱盤管應采用焊接方式連接，原則上不應采用法蘭聯接，但為便于進行檢查和維修，可以采用有限而必要的法蘭接頭。加熱盤管相鄰兩管段之間間距不宜過大，否則，加熱效果差，加熱時間長；加熱間距也不可過密，否則，加熱管過長，加熱介質流動阻力增加，傳熱效率降低。按照上述計算公式分別算出各艙的加熱盤管換熱面積與長度，再根據各艙加熱盤管的總長度與艙底表面積大小進行綜合測算并合理分組，最后依據各分段的長度與艙底表面積確定同一層相鄰管段之間的間距。同時，上下兩層盤管各對應管段在空間不應處于同一平面內，應錯位布置，這樣加熱時各管段周圍的貨油與加熱盤管內的加熱介質溫差相對較大，有利于改善換熱效果。因此，有必要改變通常為安裝方便將各層對應管段布置在同一方向上的做法[3-4]。

2 研發并使用先進環保的節能技術

2.1 開發并采用貨油艙保溫涂層

貨油艙無論處于加溫模式還是保溫模式，貨油通過貨艙鋼質壁面都將與四周接觸的介質進行傳熱，故貨油熱損失Q2始終存在，且環境溫度越低其熱損失越大，這必然影響整個系統的熱效率，使得鍋爐燃料消耗與排放增加，導致環境成本與資源成本增加。為此可以考慮開發并使用貨油艙保溫涂層，該保溫涂層最好具備以下3個關鍵特性：①較高的隔熱系數；②較高的防腐性；③與貨油接觸的不粘性或少粘性。若如此，可達到減少貨油熱損失，同時也可以對貨油艙壁面進行保護，減少貨油對其腐蝕，延長使用壽命，降低維護成本，更可以減少因貨油粘附在艙壁上洗艙時對能源的消耗以及對環境的污染。

2.2 貨控臺中央處理自動控制系統

研發并使用貨控臺中央處理自動控制系統，可以根據貨油艙貨油裝載量以及溫度變化情況，將探測信號傳輸到中央處理器，再通過中央處理器控制各貨油艙流量自動控制閥的開度來調控各貨油加熱量，同時向鍋爐報警控制中心傳輸一個相對應的控制信號以改變鍋爐燃燒系統的供油量，達到節能降耗的目的。其基本控制原理見圖1。

圖1 自動控制原理

圖1中貨油艙內需加裝液位以及溫度感應探頭，為方便控制，降低成本，減少系統的復雜性，流量自動控制閥①應按照圖2所示的方法加裝。

圖2 流量控制閥位置示意

因目前油船上各貨油艙加熱支管基本都是直接連接到加熱總管上，這樣就造成各貨油艙難以根據不同的裝載量而自動調節其加熱量，更難控制當加熱溫度達到設定溫度時對貨油進行保溫的供熱量，從而造成大量的熱損失，使整個系統的效率降低。因此，建議在各貨油艙上增設加熱介質分配匯集管，并在加熱總管與分配匯集管之間加裝流量自動控制閥。

由于目前還沒有專門針對油船貨油加熱系統自動控制的貨控臺中央處理控制系統，這就需要研發一個中央處理器并將其安裝在貨控臺上對整個貨油加熱系統進行自動控制。

3 采用先進的操作與管理技術

貨油加熱系統除了按照常規的操作規程以及船檢部門要求定期進行清潔、維修、保養并調試外，還應研究并采用先進的操作與管理技術，以保證貨油加熱系統高效運作。

1) 加強貨油加熱過程的調控與監管。每種油品都有一個最佳的卸載粘度，如果貨油加熱的溫度高于其最佳卸載粘度所對應的溫度時，必然造成整個系統能源浪費，使其經濟性下降，排放增加，不符合節能減排的理念；如果加熱溫度達不到所需溫度，則導致貨油裝卸困難，時間成本增加，靠泊等費用上升，船舶的利潤降低。因此，為解決這些矛盾，應綜合考慮各貨油艙卸載順序，各艙加熱到最佳溫度的時間，船舶在碼頭卸油時間，以確定各艙最合適加溫的時間點。這樣可以減少貨油艙加熱到最佳溫度需保溫所消耗的熱能。再者，在卸油過程中根據各艙貨油的變化以及溫度的變化及時操作各加熱控制閥，調控其加熱量并同步調整鍋爐的負荷。使整個系統始終處于最佳的工作狀態，也可以彌補部分船舶在鍋爐設計選型時造成的先天不足。

2) 編制并使用貨油加溫手冊。為了發揮貨油加熱系統的最佳效率，減少船員操作誤差，更為減少船舶在不同的裝載量、不同卸載環境以及所需的不同加熱量時對系統操作和控制的難度，建議編制并使用貨油加溫手冊。加溫手冊的編制應借助計算機將熱力學計算編制成計算機應用程序。該應用程序既可用到前面中央處理器中，也可應用到船舶貨油加熱系統設計中，該程序可編制船舶在各種工況條件下的加熱量以及保溫量，這樣既可做到節能減排，又可以減少船員操作的難度。

4 結論

對貨油加熱系統采取優化設計，改進加熱盤管安裝工藝，開發并采用貨油艙保溫涂層，研制貨控臺中央處理自動控制系統，加強貨油加熱過程的管控，編制并使用貨油加溫手冊等方法與措施可以減少該系統的排放并降低對能源的消耗。

[1] 陳可越.船舶設計實用手冊[M].北京:中國交通科技出版社，2007.

[2] 《輪機工程手冊》編委會.輪機工程手冊[M].北京:人民交通出版社，1992.

[3] 國家質量技術監督局.中國造船質量技術標準[M].北京:人民交通出版社，2006.

[4] 中國船級社.國內航行海船建造規范[M].北京:人民交通出版社，2006.