運輸船燃油艙加熱系統優化設計研究

陳　聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設計股份有限公司, 上海 201612)

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運輸船燃油艙加熱系統優化設計研究

陳聰， 吉桂軍

(上海佳豪船舶工程設計股份有限公司, 上海 201612)

摘要針對運輸船燃油艙加熱系統，優化設計了一種新型燃油轉駁加熱系統，可降低系統燃油加熱過程中的蒸汽消耗量和節約投資維護成本，以達到提高船舶節能減排的目的。

關鍵詞運輸船散貨船集裝箱船燃油轉駁加熱系統節能減排

1引言

當前，運輸船為減少排放降低油耗，除了一些常規性能優化和增加節能措施外，還多采用降低主機功率的方式，由此導致主機廢氣溫度較低引起廢氣鍋爐蒸汽產量不足，甚至船舶正常航行工況下還須啟動燃油鍋爐補充蒸汽。為解決此問題并進一步降低運輸船綜合能源消耗，針對燃油艙加熱系統進行優化設計研究，從而減少蒸汽消耗，使船舶更節能、更環保。

2燃油艙加熱系統優化

2.1系統原理

常規運輸船上通常設有燃油日用艙和沉淀艙，艙內設有加熱盤管，利用蒸汽加熱艙內燃油。本系統利用燃油轉駁泵將燃油日用艙或沉淀艙內的熱油駁運至燃油儲存艙，與吸口處冷油混合，從而達到加熱所需量燃油的目的。與傳統燃油艙加熱系統相比：取消了燃油儲存艙內蒸汽加熱盤管，只對其駁出吸口處部分燃油進行加熱，避免了儲存艙通過油艙表面向周圍環境散發熱量[1]，從而實現運輸船節能減排的目的。

2.2系統基本構成

系統基本原理及構成圖如圖1所示。

2.3系統工作流程

系統工作基本流程圖如圖2所示。

燃油轉駁加熱系統主要包括加熱和輸送兩個工作工程。加熱工作過程：燃油沉淀艙或日用艙內熱油利用燃油轉駁泵吸出，并通過燃油加熱器繼續加熱至所需溫度后駁運至燃油儲存艙，與吸口處冷油混合，以達到加熱燃油的目的。輸送工作過程：燃油轉駁泵停止運行，燃油輸送泵將燃油儲存艙內混合加熱后的燃油駁運至燃油沉淀艙。整個系統中依靠

圖1　燃油轉駁加熱系統基本原理圖

圖2　系統工作基本流程圖

兩個工作過程交替進行，從而實現燃油儲存艙內不設蒸汽盤管而能夠持續供應燃油的目的。

燃油轉駁加熱系統的一個循環周期一般設定為1 h，加熱模式工作45 min，輸送模式工作≤15 min。

系統正常開始運作前，燃油沉淀艙內燃油溫度需要滿足系統要求(一般情況下加熱至60℃)。隨后系統開始運行，燃油轉駁泵和燃油輸送泵交替工作。

在船舶停航以后再次開航前，可通過燃油轉駁泵持續對儲存艙加熱3～6 h，然后再轉入正常的工作模式。

2.4系統設計要點

2.4.1燃油儲存艙內吸口附近的結構設計

運輸船燃油儲存艙多為深艙，深度可達十幾米，為防止燃油熱量出現大量損失，保證吸口周圍冷油加熱至所需可泵溫度，通常需要在吸入口周圍設計一個相對獨立的空間，其容積大約為系統1 h內燃油輸送泵在運行時間內輸油量的2～5倍。空間的結構設計根據實際儲存艙的結構具體考慮，需便于燃油的透氣和流動。

2.4.2燃油沉淀艙出油管高度設計

燃油儲存艙燃油溫度低于沉淀艙的溫度，儲存艙內冷油輸送至沉淀艙后會沉入沉淀艙艙底，沉淀艙內熱油則會上升，為避免發生剛進沉淀艙的冷油被重新駁回燃油儲存艙的情況，燃油沉淀艙出油管的吸口高度處艙容需大于燃油輸送泵在1 h內的輸油量。

2.4.3沉淀艙液位控制開關設置

沉淀艙內輸送泵的啟停液位開關間距應足夠大，其間的艙容差應大于燃油輸送泵在1 h內的輸油量，且啟泵開關設置在轉駁泵吸油口高度之上。

2.4.4溫度控制

燃油儲存艙所需加熱量隨著周圍環境溫度的變化而變化，系統需設置溫度控制裝置。在燃油儲存艙吸入管設置溫度傳感器，當燃油輸送泵工作時，傳感器將管內燃油的溫度信號傳遞至燃油轉駁泵控制器。若燃油溫度低于系統的初始設定值(可高于泵溫度)，轉駁泵控制器收到信號后，會使其增速運行，增加從沉淀艙駁回的熱油量，保證儲存艙吸口處燃油加熱至所需溫度。

2.4.5彈簧預壓截止止回閥的設置

由于燃油轉駁泵排出端與燃油輸送泵吸入管相連，在轉駁泵工作時，加壓后的熱油除駁運至燃油儲存艙外，也可能通過輸送管路回流至沉淀艙；在燃油輸送泵工作時，其吸入端產生一定真空，除了能從燃油儲存艙抽吸燃油外，也可能通過燃油駁運管路從沉淀艙內抽吸熱油，排回沉淀艙。為避免這種情況發生，在燃油輸送泵和燃油駁運泵排出端設置1只彈簧預壓截止止回閥，由于打開此閥需要一定壓力，將會保證系統的正常運轉。

3燃油艙加熱系統方案優化對比

3.1節能情況

傳統蒸汽盤管加熱方式是將燃油艙內所有燃油加熱至可泵溫度，并對燃油進行保溫，燃油艙燃油通過燃油輸送泵輸送至燃油沉淀艙供船舶使用，如圖3所示。燃油轉駁加熱系統只混合加熱燃油儲存艙吸口周圍燃油，加熱燃油量僅為燃油日用系統1 h內的消耗量，如圖4所示。

圖3　燃油艙采用傳統蒸汽盤管加熱流程

圖4　燃油艙采用轉駁加熱系統加熱流程

蒸汽耗量所對應燃油消耗量計算公式:

式中：q為保溫蒸汽耗量，kg/h； uL為燃油低位發熱值，取40 350 kJ；i1為0.7 MPa下飽和蒸汽焓值[3]，取 i1=2 750 kJ；i2為60℃飽和水焓值，取250 kJ；ηs為燃油轉換為蒸汽效率，取85%。

2.5.3 搜集證據，設計實驗觀察 教師繼續追問： 如果莖中真的有管道，那么這些管道口分布莖橫切面的哪里？怎么樣才能讓我們觀察到它們？讓學生對導管分布有個預判，帶著問題去觀察。接下來教師現場拿來經過課前精心篩選的、便于觀察的一種木本植物枝條進行徒手切片，組織學生用顯微鏡低倍觀察莖的切片。學生很快看到了大量的小孔，并指出這些孔基本上分布在除了樹皮和中心外的區域。

電功率消耗量轉換為燃油消耗量計算公式:

式中：p為轉駁泵電功率，kW；ηe為發電機效率，取95%；ge為發電機組中柴油機燃油消耗率，192 g/(kW·h)。

圖5　燃油艙加熱系統優化方案原理圖

以39 000 dwt散貨船為例，假設主機正常航行時產生的廢氣能夠產生足夠蒸汽，分析兩種加熱系統方式能量消耗對比，燃油艙采用燃油轉駁加熱系統(見圖5)，與傳統蒸汽盤管加熱方式相比，可節省船舶燃油消耗量，如表1所示。

表1　39 000 dwt節能情況表

假如主機正常航行時產生的廢氣不能夠產生足夠蒸汽時，鍋爐還需啟動燃燒器，那么采用轉駁加熱方式則更能顯著節省燃油消耗量。

3.2成本對比

假定燃油轉駁加熱系統和蒸汽盤管加熱系統外圍管路、相關閥件、附件產生的費用以及系統的安裝費用相同，只比較兩種加熱系統中相對常規系統所增加設備的成本，如表2所示。

由表2可知，39 000 dwt散貨船燃油轉駁加熱系統初始投資成本要比傳統蒸汽盤管加熱方式高出不少，節約了船舶營運過程中的燃油成本，如表3所示。

表2　39 000 dwt散貨船加熱系統成本預測表

表3　39 000 dwt散貨船成本回收預測表

為保證船舶的正常浮態，在正常航行中通常需要同時使用左右對稱的一對燃油艙，這時節約的燃油成本約為理論值的2倍。而轉駁加熱系統采用溫度控制，其轉駁泵的運行狀態隨油艙中駁出燃油溫度的變化而實時調整，在實際運行中，轉駁泵電機的消耗功率要小于上述表中所列的最大值。因此，相比傳統的蒸汽盤管加熱，其所能節省的燃油成本約為上述表格中所列理論值的2～3倍。燃油轉駁加熱系統前期所增加的投資成本在一年內即可以收回。

4結論

參考文獻

[1]中國船舶工業總公司．船舶實用設計手冊輪機分冊[M]. 北京：國防工業出版社，2000．

[2]成春祥．一種新型船用燃油加熱和移駁系統[J]．天津航海，2001，1：13-20．

[上接第31頁]

表7　直接計算剪力值與規范計算值的比較

從表6和表7可以得到：采用規范算得的船舯剖面垂向波浪彎矩值比直接計算值大約13%；而SEC105、SEC119兩個剖面剪力的規范計算值比直接計算值分別小17.5%和9.6%。

4結論

(1) 計算得到的超越概率10-8下的預報極值大于重現期20年的預報極值，甚至大于重現期25年的預報極值，取該值作為長期預報的極值能夠滿足設計要求；

(2) 對于在同一重現期和超越概率下的載荷參數預報極值，滿載狀態都大于壓載狀態；

(3) 船舯剖面垂向波浪彎矩預報值在迎浪和順浪時最大，并隨浪向趨近橫浪時逐漸減小；

(4) 壓載狀態下，本船在橫浪航行時扭轉問題最嚴重；滿載狀態下本船在斜浪航行時，扭轉問題最嚴重。對于此類船舶的扭轉強度問題需要特別考慮。

(5) 雖然本船滿足海船規范的尺度要求，但海船規范中的波浪剪力計算公式并不適用于本船。對于江海直達散貨船，波浪載荷計算采用直接計算法較為合適。江海直達散貨船的剪力值高于海船規范計算值，在結構設計時應予以重視。

[ 1 ]鮑波，秦士元，程天柱.江海直達集裝箱船船型要素分析與經濟論證[J].船舶工程，1991(6)：4-9.

[ 2 ]李艷松，牛長永.長江中下游江海直達運輸的現狀及發展前景[J].交通運輸，2008，30(5)：46-47.

[ 3 ]陶秋霞.萬噸級江海直達肥大型散貨船線型優化設計[J].船海工程，2009，38(6)：1-5.

[ 4 ]吳光林，嚴謹，李芳成.江海直達船船型特征及設計要點探討[J].船海工程，2008，37(16):59-62.

[ 5 ]朱加剛，肖曙明，肖渤艦，等. 特定航線江海通航船波浪載荷研究[J].江蘇科技大學學報，2009,23(4)：283-286.

[ 6 ]中國船級社．特定航線江海通航船舶檢驗指南[M]．北京：人民交通出版社，2008.

[ 7 ]張小雅，金允龍，姜河蓉，等. 起重船波浪載荷直接計算與規范計算比較[J]. 中國航海，2011，34(4)：71-75.

[ 8 ]吳宗鐸，宗智，錢昆. 半潛船波浪載荷計算研究[J]. 造船技術，2010(4):1-4.

[ 9 ]徐敏，張世聯. 五體船波浪載荷計算研究[J]. 船海工程，2011，40(3)：14-17.

[10]戴仰山，沈進威，宋競正. 船舶波浪載荷[M]. 北京：國防工業出版社，2006.

[11]中國船級社．鋼質海船入級規范[M]．北京：人民交通出版社，2012.

Optimization of Fuel Oil Tank Heating System for Transport Ship

CHEN Cong, JI Gui-jun

(Shanghai Bestway Marine Engineering Design CO.,Ltd, Shanghai 201612, China)

AbstractThis paper mainly introduces the optimization design of a new fuel shifter heating system for the transport ship fuel oil tank heating system, to reduce the steam consumption and maintenance cost, and can help ship energy conservation and emission reduction.

KeywordsTransport shipBulk carrierContainer shipFuel shifter heating systemEnergy conservation and emission reduction

中圖分類號U672

文獻標志碼A

作者簡介：陳聰(1981-)，男，工程師。