新型船舶燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)應(yīng)用分析

張曉榮，李博洋，管澤森

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新型船舶燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)應(yīng)用分析

張曉榮1，李博洋1，管澤森2

（1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東青島266071；2.山東海豐船舶管理有限公司，山東青島266071）

針對(duì)傳統(tǒng)船舶燃油加熱技術(shù)存在的一些問(wèn)題，介紹了一種新型燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)應(yīng)用原理，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了實(shí)用性分析，提出了新船加裝和老船改造該技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)考慮的相關(guān)問(wèn)題。最終得出結(jié)論：新型燃油預(yù)熱技術(shù)操作簡(jiǎn)捷，系統(tǒng)容易管理，實(shí)用性強(qiáng)，大大降低了蒸汽使用量，達(dá)到了節(jié)能減排雙重功效，是值得應(yīng)用于船舶的加熱技術(shù)，對(duì)航運(yùn)企業(yè)有一定借鑒意義和參考價(jià)值。

新型 燃油預(yù)熱 轉(zhuǎn)運(yùn)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)由“重碳經(jīng)濟(jì)”向“低碳經(jīng)濟(jì)”轉(zhuǎn)型，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要組成部分的航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放問(wèn)題日益受到國(guó)際社會(huì)關(guān)注。到2020年，全球航運(yùn)業(yè)預(yù)測(cè)將需要4億噸燃油，將排放14億噸CO2，約占全球總排放量的6%。[1]目前，世界航運(yùn)形勢(shì)走低，航運(yùn)公司經(jīng)濟(jì)效益下降，運(yùn)營(yíng)成本攀高，燃油成本所占總成本的比例大幅提高，這使得節(jié)能減排成為航運(yùn)界亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的出現(xiàn)，在技術(shù)方面所做的改進(jìn)，將會(huì)有效的解決這一問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)船舶燃油加熱方法的弊端

目前，現(xiàn)運(yùn)營(yíng)船舶燃油的傳統(tǒng)加熱方式是在燃油儲(chǔ)存艙布置蒸汽盤(pán)管，[2]通過(guò)蒸汽加熱燃油，[3]從而滿足油泵駁運(yùn)燃油的條件。在實(shí)船使用過(guò)程中，該加熱方式卻存在很多問(wèn)題：

1）能量利用率非常低，船體與海水之間的熱交換帶走了非常多的熱量。燃油儲(chǔ)存艙中的預(yù)熱溫度應(yīng)滿足燃油駁運(yùn)泵的運(yùn)送要求，為30～38℃。夏季最熱時(shí)，海水溫度一般在30℃以上，油艙將不用加熱就可以滿足泵送的需要，但是一年中絕大多數(shù)時(shí)間海水溫度都在30℃以下，冬季海水溫度甚至降到10℃以下，與駁運(yùn)燃油的溫度相比，溫差較大，而船體的材質(zhì)導(dǎo)致傳熱較快，且一般油艙多為雙層底，外面直接與海水接觸，油艙本身又沒(méi)有與外界隔絕的保溫材料，致使大量的熱能損失。

2）油艙預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，蒸汽消耗量較大，運(yùn)營(yíng)成本高。船舶錨泊時(shí)，一般停止油艙加熱，在備車前才打開(kāi)加熱閥為其加熱。如果錨泊時(shí)間長(zhǎng)，海水溫度低，將會(huì)造成油艙熱量損失嚴(yán)重，由于油艙容量較大，短時(shí)間加熱，使油艙溫度升高會(huì)很困難，要想滿足燃油駁運(yùn)要求，必須使油艙預(yù)熱很長(zhǎng)時(shí)間。這樣一來(lái)，要消耗大量的蒸汽，備車前只能多次點(diǎn)爐，備車后主機(jī)機(jī)動(dòng)航行不能滿足廢氣鍋爐產(chǎn)生大量蒸汽，因此頻繁點(diǎn)爐也不可避免。船舶航行中，傳統(tǒng)燃油加熱系統(tǒng)需要耗費(fèi)大量的蒸汽，只有時(shí)時(shí)向使用油艙加熱，才能保證正常駁運(yùn)。實(shí)際船舶運(yùn)營(yíng)中，在完成航運(yùn)任務(wù)的前提下，船舶降速航行，節(jié)省燃油，以此來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。但是主機(jī)降速帶來(lái)的卻是廢氣量的不足，導(dǎo)致鍋爐產(chǎn)生蒸汽量不足而不能滿足加熱需求，從而致使鍋爐在航行中頻繁點(diǎn)爐。以上事實(shí)均表明鍋爐耗油量增大。

3）新船建造和舊船維修費(fèi)用太高。由于油艙容積較大，在艙壁上要安裝很長(zhǎng)的盤(pán)管才能滿足其加熱量，對(duì)盤(pán)管的安裝工藝要求較高，這樣會(huì)帶來(lái)很高的加裝費(fèi)用。而加熱盤(pán)管的加工工藝復(fù)雜，其材質(zhì)成本較高，需大批量定制，這樣會(huì)使新船建造成本大幅提高。加熱盤(pán)管的加工工藝，以及蒸汽長(zhǎng)期對(duì)加熱盤(pán)管的腐蝕，可能會(huì)帶來(lái)蒸汽的泄漏問(wèn)題。油艙重油會(huì)隨蒸汽回到熱水井，將會(huì)帶來(lái)鍋爐水側(cè)、熱水井等大量的后期清潔工作，勢(shì)必給船運(yùn)公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

4）由于燃油艙的加熱，高溫及結(jié)露等原因，極易造成對(duì)貨艙的貨物造成貨損，還容易造成船舶壓載水艙的腐蝕。油艙艙壁布滿加熱盤(pán)管，在加熱燃油的同時(shí)，也在向相鄰的貨艙或壓載水艙傳送熱量。尤其是散貨船更為明顯，由于高溫，造成化肥成團(tuán)、糧食自燃等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，需要長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)艙通風(fēng)，但海上空氣濕度較大或偶遇下雨，也勢(shì)必造成不必要的貨損。

5）傳統(tǒng)蒸汽加熱盤(pán)管管線較長(zhǎng)，熱量損失嚴(yán)重。加熱管線一般比較長(zhǎng)。雖然蒸汽管路外都包有隔熱材料，但也避免不了與外界換熱的問(wèn)題，熱量仍然會(huì)損失。

6）油艙清潔會(huì)帶來(lái)較大的工作量。采用蒸汽盤(pán)管加熱燃油，此種加熱方式屬于靜加熱方式，燃油沒(méi)有流動(dòng)，從而導(dǎo)致燃油中雜質(zhì)不斷沉積，形成難以除去的油渣和油泥，而且不能通過(guò)油泵抽出，長(zhǎng)時(shí)間使用勢(shì)必會(huì)堵塞油艙出口。因此，為了避免該故障，維護(hù)人員必須及時(shí)清潔油艙。此項(xiàng)工作包括：駁油轉(zhuǎn)艙、長(zhǎng)時(shí)間通風(fēng)、清潔、油渣油泥回收等繁雜的工作，會(huì)帶給船舶航運(yùn)公司不小的工作量和安全隱患。

根據(jù)上述分析，傳統(tǒng)的蒸汽盤(pán)管加熱方式存在頗多不易解決的難題，這就迫切需要一種安全性好、加熱速度快、能量利用率高、維修方便且費(fèi)用低的新型燃油預(yù)熱系統(tǒng)，以此改善船舶燃油加熱狀況，降低航運(yùn)公司運(yùn)營(yíng)成本和應(yīng)對(duì)世界海事組織出臺(tái)的嚴(yán)苛排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)概述

為有效地解決上述諸多難題，研制出一套燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用沉淀柜或日用柜的熱油來(lái)加熱燃油艙的燃油而不使用或減少使用燃油艙的加熱盤(pán)管，從而大大降低蒸汽的耗量和減低駁運(yùn)燃油而浪費(fèi)的熱量，來(lái)達(dá)到最大程度的節(jié)能減排。

2.1 燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)由沉淀柜（日用柜）、燃油預(yù)熱泵組、燃油輸油泵組、換熱器和控制系統(tǒng)組成。燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)如圖1所示。

沉淀柜（日用柜）用于儲(chǔ)存和加熱燃油，柜入口與輸油泵組相連，出口與預(yù)熱泵組相連。柜內(nèi)布置有蒸汽加熱盤(pán)管用以加熱燃油，設(shè)有溫度傳感器和高低液位報(bào)警器，分別與控制箱連接，還設(shè)有預(yù)熱泵和輸油泵啟停裝置，并裝有液位顯示計(jì)來(lái)有效監(jiān)測(cè)油位。此外，柜外附有隔熱材料，增強(qiáng)加熱效果，防止熱量外散。燃油預(yù)熱泵組用于駁運(yùn)沉淀柜中的熱油至油艙，其主要部件：預(yù)熱泵、濾器、預(yù)緊彈簧閥、截止閥及截止止回閥等。燃油輸油泵組用于輸送油艙燃油至沉淀柜，其主要設(shè)備：輸油泵、濾器、溫度傳感器、壓力傳感器、預(yù)緊彈簧閥、截止閥及截止止回閥等。換熱器用于提升沉淀柜（日用柜）的回油溫度，其相關(guān)部件：換熱器、自力式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、截止閥及截止止回閥等。控制系統(tǒng)的主要部件：PLC程控器、變頻器、變壓器、接觸器、斷路器等。

2.2 燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的工作原理

在通常情況下，此系統(tǒng)采用沉淀柜的燃油作為預(yù)熱油，日用柜的燃油作為備用。首先，啟動(dòng)流量小且運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的燃油預(yù)熱泵組，將沉淀柜的高溫燃油駁至燃油儲(chǔ)存艙中，預(yù)熱油艙中的低溫燃油，再由流量大且運(yùn)行時(shí)間短的燃油輸油泵組從油艙中抽出高低溫混合燃油，送至沉淀柜。當(dāng)沉淀柜燃油液位達(dá)到“輸油泵停止”液位時(shí)，燃油輸油泵停止運(yùn)行。當(dāng)沉淀柜油位下降到“預(yù)熱泵啟動(dòng)”液位時(shí)，燃油預(yù)熱泵隨即啟動(dòng)。

燃油預(yù)熱泵組和燃油輸油泵組可以交替運(yùn)行，當(dāng)燃油輸油泵發(fā)生“過(guò)載、低溫、低壓”報(bào)警時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到“重載”模式，此模式下燃油預(yù)熱泵自動(dòng)運(yùn)行；當(dāng)燃油輸油泵運(yùn)行時(shí)，燃油預(yù)熱泵不停止運(yùn)行，目的是要降低燃油輸油泵的吸入黏度。當(dāng)然，兩種不同流量的燃油泵也可以同時(shí)運(yùn)行。

3 燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)分析

1）能量利用率較高。在加熱過(guò)程中，無(wú)需使用蒸汽加熱盤(pán)管，沉淀柜的燃油熱量完全被燃油艙的燃油所吸收，大幅減少燃油艙在加熱過(guò)程中與外界的熱交換損失。

2）通過(guò)節(jié)省鍋爐的燃油來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本。該系統(tǒng)使用沉淀柜或日用柜的高溫燃油來(lái)加熱燃油艙的低溫燃油，而避免使用或減少使用油艙加熱盤(pán)管，大大降低蒸汽消耗量，繼而降低鍋爐的使用頻率，直接為航運(yùn)公司節(jié)約成本。以下是冬季工況下，58000 DWT散貨船的兩種加熱系統(tǒng)的蒸汽消耗量對(duì)比和成本計(jì)算如表1所示。

由表1可以看出，3年多的時(shí)間就能收回成本，這還不包括其它季節(jié)工況的蒸汽消耗量，還有加熱盤(pán)管的減少、鍋爐選型減小所帶來(lái)的直接成本下降和加熱盤(pán)管以后的維修費(fèi)用等，這樣來(lái)看，必然會(huì)緩解航運(yùn)公司的收益壓力。

3）新造船和修船的成本降低。由燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，該系統(tǒng)僅由預(yù)熱泵組、輸油泵組、換熱器及相關(guān)閥件組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)新船來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)不使用或減少使用燃油艙的加熱盤(pán)管，安裝工藝簡(jiǎn)單，工程量較小，從而大大降低了安裝費(fèi)用；該系統(tǒng)所屬部件無(wú)需定制，泵、閥及管系均為常用船舶部件且造價(jià)低。

4）燃油艙附近的貨物不會(huì)因?yàn)闇囟雀叨軗p，不會(huì)因?yàn)槿加团摐囟雀叨斐蓧狠d艙的腐蝕。油艙不使用加熱盤(pán)管，熱量被燃油吸收，且受熱均勻，有效阻止熱量直接傳遞給貨艙或壓載艙，避免局部過(guò)熱造成貨損和壓載艙腐蝕。

5）油泵使用壽命延長(zhǎng)。該新型系統(tǒng)所駁運(yùn)油的溫度均大于最低駁油溫度，這樣就避免了駁運(yùn)涼油的可能性，從而降低了泵的負(fù)荷，減低了泵壓，間接保護(hù)油封、軸承等部件，延長(zhǎng)維護(hù)周期。

6）無(wú)需清潔燃油艙。燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)屬于動(dòng)加熱方式，在泵的作用下，燃油不斷流動(dòng)，使油中雜質(zhì)沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間沉積的可能，在駁運(yùn)過(guò)程中，被系統(tǒng)濾器吸收，因此油艙底部就不會(huì)存在厚重而難以清除的油渣和油泥了。這樣就避免了大量繁雜的工作，為航運(yùn)公司間接降低了成本。

7）油柜循環(huán)加熱，確保沉淀柜、日用柜油溫正常。在熱交換器出口安裝有通往沉淀柜（日用柜）的循環(huán)管路，有利于提高油柜的升溫速度，從而縮短開(kāi)航前開(kāi)啟輔鍋爐的時(shí)間；如果外接加熱器選用電加熱器（可選），當(dāng)船舶靠港，輔機(jī)用重油時(shí)，便于對(duì)日用柜進(jìn)行保溫。

8）節(jié)能減排效果顯著。此系統(tǒng)使用鍋爐頻率大幅降低，排放廢氣量也明顯減少，消耗蒸汽量較少，通過(guò)減低駁運(yùn)燃油而浪費(fèi)的熱量來(lái)達(dá)到最大程度的節(jié)能減排。

4 燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)裝船問(wèn)題分析

4.1 檢驗(yàn)認(rèn)證

新船加裝和改造燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)之前，都必須將改造后的系統(tǒng)圖紙送至船級(jí)社審圖，得到船級(jí)社批準(zhǔn)后，才可以正式實(shí)施。由于該系統(tǒng)運(yùn)用優(yōu)勢(shì)明顯，發(fā)展前景廣闊，尤其是節(jié)能減排效果顯著，這也是船級(jí)社的初衷，勢(shì)必贏得船級(jí)社的認(rèn)可，得到船級(jí)社等相關(guān)部門(mén)的大力支持，批復(fù)進(jìn)程會(huì)大大加快。

4.2 系統(tǒng)布置與設(shè)計(jì)

對(duì)新船來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)不使用或減少使用燃油艙的加熱盤(pán)管，安裝工藝簡(jiǎn)單，工程量較小，從而大大降低了安裝費(fèi)用；該系統(tǒng)所屬部件無(wú)需定制，泵、閥及管系均為常用船舶部件且造價(jià)低。因此，裝船非常容易。

4.3 投資成本

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的成本大約為50,000.00美元，比傳統(tǒng)的蒸汽盤(pán)管加熱系統(tǒng)要高很多，但通過(guò)理論分析與計(jì)算，使用該新型加熱系統(tǒng)3年左右將回收全部成本，其中包括系統(tǒng)設(shè)備、附件費(fèi)用，管系費(fèi)用，船級(jí)社檢驗(yàn)認(rèn)證費(fèi)用和安裝系統(tǒng)費(fèi)用等。這對(duì)大型的航運(yùn)公司來(lái)說(shuō)，其所屬船隊(duì)規(guī)模較大，可以選定船廠批量建造，并指定設(shè)備供應(yīng)商大量制造，這樣形成規(guī)模化效應(yīng)后，會(huì)節(jié)省更多的成本，為企業(yè)帶來(lái)效益。

5 結(jié)論

隨著世界能源日趨短缺，國(guó)際海事組織通過(guò)《MARPOL 73/78公約》提高了節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)。因此，船舶節(jié)能減排是船舶下一步研究和應(yīng)用的重點(diǎn)之一。如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)蒸汽盤(pán)管加熱系統(tǒng)，將不會(huì)滿足節(jié)能減排需求，新型的船舶燃油預(yù)熱轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)用會(huì)解決傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)的諸多問(wèn)題。該系統(tǒng)使用沉淀柜的熱油給燃油儲(chǔ)存艙加熱，這樣可以有效減少鍋爐使用次數(shù)，節(jié)省燃油，降低排放。

[1] 楚大為. 供油船舶貨油加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].大連:大連海事大學(xué),2012.

[2] 周明順. 船舶柴油機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社, 2014.

[3] 于朋,李方晨,褚歡歡. 12800DWT石油瀝青/油船導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船舶工程, 2015, 37(2):64-68.

Application Analysis of New Type of Oil Fuel Preheating and Transportation Technology

Zhang Xiaorong1, Li Boyang1, Guan Zesen2

（1. Qingdao Ocean Shipping Mariners College, Qingdao 266071, Shandong, China；2. Shandong Haifeng Ship Management Co., Ltd, Qingdao 266071, Shandong, China）

U664

A

1003-4862（2017）07-0060-04

2017-03-15

山東省高等學(xué)校科技計(jì)劃項(xiàng)目(J16LB75)；中國(guó)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸(集團(tuán))總公司應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目（2015-1-H-010）

張曉榮(1980-)，男，講師，工程師。研究方向：現(xiàn)代輪機(jī)管理。