某大型豪華郵輪蒸汽系統蒸汽環網管徑仿真優化研究

白朝旭，尹奇志，袁裕鵬

(1.科學技術部國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063；2.武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；3.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063)

隨著國內經濟的發展，我國郵輪產業發展迅速，但國產大型郵輪的建造仍面臨諸多困境，大型豪華郵輪的設計、建造、運營和維護是我國亟需發展的技術[1]。蒸汽系統是大型郵輪的重要系統之一，若設計不合理，將影響郵輪經濟性、舒適性和安全性[2]，因此，對于大型豪華郵輪蒸汽系統的科學設計及驗證是十分重要的。仿真驗證是現在主流的設計驗證方法之一，但當前蒸汽系統仿真的研究對象主要集中在蒸汽發電系統[3-4]以及建筑蒸汽供熱系統[5]方面，針對郵輪蒸汽系統蒸汽管網的研究非常少。這些研究對象在用途、蒸汽管網規模和運行環境等方面與大型豪華郵輪蒸汽系統均有所不同。

本文以某大型豪華郵輪(以下簡稱“某郵輪”)蒸汽系統為研究對象，運用Flowmaster軟件建立蒸汽系統的仿真模型，并在此基礎上進行仿真計算、分析和優化。

1 某郵輪蒸汽系統特點分析

1.1 某郵輪參數

某郵輪主要參數見表1。

表1 某郵輪主要參數

1.2 某郵輪蒸汽系統特點分析

某郵輪蒸汽系統由產汽設備、輸汽管路、用汽設備組成，蒸汽系統管網布置示意圖如圖1所示。各部分的功能、組成和工作原理如下。

1)產汽設備。產汽設備負責產生1 MPa飽和蒸汽，滿足全船用汽需求。某郵輪產汽設備由5臺廢氣鍋爐和2臺燃油鍋爐組成，其中5臺廢氣鍋爐共用1個汽包，燃油鍋爐配有獨立的汽包。廢氣鍋爐汽包的額定產汽量為12 000 kg/h，單臺燃油鍋爐的額定產汽量為8 000 kg/h，額定燃油消耗率為560 kg/h。

圖1 蒸汽系統管網布置示意圖

2)蒸汽管路。蒸汽管路負責將鍋爐產生的蒸汽輸送到各用汽設備。該郵輪的蒸汽管路由蒸汽環網和枝狀管路組成。蒸汽環網由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，每條橫向管路長約30 m。管網的管路材料為低碳鋼，導熱系數為59.400 W/(m·℃)；管外的絕熱保溫材料為玻璃纖維，導熱系數為0.035 W/(m·℃)。蒸汽系統管道保溫層厚度見表2。

表2 蒸汽系統管道保溫層厚度 mm

3)用汽設備。該郵輪蒸汽系統用汽設備種類多，包括各類油艙加熱盤管、造水機、游泳池水加熱器和廚房烹飪設備等。用汽設備的用汽特點為：不同用汽設備用汽量具有差異性；用汽量受環境溫度影響較大，環境溫度較低時，用汽設備數量增加，用汽量增大。

2 某郵輪蒸汽系統仿真計算

2.1 蒸汽系統建模

根據該郵輪蒸汽系統的設備、管網特點運用Flowmaster軟件分別構建了產汽設備模型、蒸汽管網模型和用汽設備模型。

1)產汽設備建模。產汽設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。廢氣鍋爐自定義復合元件搭建過程中采用的數學模型為郵輪設計單位提供的廢氣鍋爐廢熱蒸汽量與發電機油耗數據的擬合曲線，廢熱蒸汽量與發電機燃油瞬時油耗之間的關系見表3。表3中，y為廢熱蒸汽量，kg/s；x為發電機瞬時油耗，kg/s。

表3 廢熱蒸汽量與發電機燃油瞬時油耗之間的關系

(2)燃油鍋爐建模。燃油鍋爐自定義復合元件搭建過程中采用的數學模型關系式[6]見公式(1)：

(1)

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

2)輸汽管路建模。根據圖1中搭建蒸汽環網模型，管路元件采用兩相流管路。參數設置為：壓降計算模型選用Muller Steinhagen Heck關系式[7]，管路換熱選用全換熱類型，管網的管徑、管材、保溫層材料等參數按表2設置。

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3)用汽設備建模。用汽設備采用流量源進行模擬。不同肋位號橫向管路的枝狀管路總流量見表4。

表4 不同肋位號橫向管路的枝狀管路總流量

2.2 蒸汽系統仿真計算和分析

為模擬郵輪在不同環境航行時蒸汽系統的運行工況，按照郵輪設計書中的2種典型工況(熱帶工況和ISO工況)開展仿真計算并得到仿真結果。仿真工況設置見表5。

表5 仿真工況設置

蒸汽環網的蒸汽干度不但影響到設備換熱效率，而且影響到管網的安全運行，故針對蒸汽環網干度的仿真計算結果進行了分析，表6為蒸汽環網的縱向管路干度統計。

由表6可知，當郵輪輔助蒸汽系統運行時，船首蒸汽干度高于船尾蒸汽干度。肋位號大于70的管網區域，管內蒸汽的干度均大于0.99，而在肋位號小于70的區域，蒸汽的平均干度僅為0.955。熱帶工況時，該現象愈發明顯，管段肋位號20-30區域，熱帶工況最低干度達到了0.875，增加了管網發生水錘的風險。

表6 蒸汽環網的縱向管路干度統計

出現該現象的主要原因是船尾管段肋位號20-30管路連接有2個游泳池換熱器以及6個燃油艙加熱盤管。在熱帶工況時，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較少，但設計管徑偏大，導致蒸汽流速偏低，單位質量的蒸汽的熱損失偏大，干度偏低[4]。

3 蒸汽環網船尾管徑優化

由仿真分析可知，船尾蒸汽干度偏低，熱帶環境中該現象尤為明顯，故針對船尾蒸汽環網干度進行優化。

3.1 優化思路

由上文分析可知，船尾管路中蒸汽干度較低是由于設計的管徑偏大造成的。結合該郵輪輔助蒸汽系統設計圖紙，在不改變管網布置的前提下，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，從而達到減少單位質量蒸汽的散熱損失、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量蒸汽的熱損失，提高蒸汽干度，但也會增大管路壓降，故不能無限制縮小管徑，設計合適的管徑至關重要。考慮到縮小管徑對蒸汽品質的影響無法用熱損失或壓力降作為評價標準，而火用表示在環境條件下可轉化為有用功的最高能量，可作為評價蒸汽品質好壞的標準[4]。

因此，可以采用縮小管徑的方法對管網進行優化，并以比火用值為評價標準，探討得出本系統的最優管徑。

3.2 仿真計算

根據以上優化思路開展了仿真計算。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，即肋位號小于105的蒸汽環網管路管徑。由于蒸汽管道的管徑具有固定的尺寸規格，因此先設定2個管徑優化方案，再根據這2個方案的計算結果來判定是否需要進一步優化。方案一：按照設計規格減小1個規格的尺寸，將蒸汽環網的管徑由原有設計的DN80～DN300，對應縮小為DN65～DN250。方案二：按照設計規格減小2個規格的尺寸，將蒸汽環網的管徑由原有設計的DN80～DN300，對應縮小為DN50～DN200。

依照以上2種方案分別計算了熱帶和ISO 2種工況的仿真結果。

3.3 優化結果及分析

1)熱帶工況管徑優化運行結果。

(1)熱帶工況方案一優化運行結果。采用方案一對管網優化后，該系統在熱帶工況船尾蒸汽環網縱向管路干度統計見表7。

表7 熱帶工況船尾蒸汽環網縱向管路干度統計

由表6、表7對比可知，采用方案一優化后，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，用汽設備蒸汽輸入端蒸汽參數的變化。選取管段肋位號20-30的2個設備仿真結果進行了分析，熱帶工況用汽設備蒸汽輸入端參數見表8。

表8 熱帶工況用汽設備蒸汽輸入端參數

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

經統計，主環網總冷凝水量由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，相當于鍋爐可以少產汽 0.007 6 kg/s，結合鍋爐的額定產汽參數計算得出，每天節省燃油45.9 kg。

(2)熱帶工況方案二優化運行結果。采用方案二對管網優化后，得到的結果顯示，熱帶工況下蒸汽干度有明顯提升，但是對用汽設備蒸汽輸入端蒸汽品質的影響與方案一不同，并不是所有的用汽設備輸入端蒸汽品質都得到了優化，如燃油分雜機等設備處的蒸汽品質并未得到優化，不同方案下熱帶工況燃油分雜機蒸汽輸入端參數見表9。方案二下燃油分雜機蒸汽入口蒸汽比火用降低0.1 kJ/kg，蒸汽品質變差。

表9 不同方案下熱帶工況燃油分雜機蒸汽輸入端參數

由表9知，采用方案一優化后，蒸汽管路中蒸汽干度增加，蒸汽比火用值得到提高；采用方案二優化后，部分設備蒸汽輸入端蒸汽比火用值下降，雖然下降幅度不大，但蒸汽品質并沒有原設計方案好。因此，放棄方案二，停止進一步減小管徑，在ISO工況下也只對方案一進行仿真分析。

2)ISO工況管徑優化運行結果。ISO工況下，方案一計算結果顯示：蒸汽環網蒸汽最低干度由0.979提升為0.982。蒸汽輸送到用汽設備輸入端的參數變化與熱帶工況時方案一優化效果相同，所有用汽設備蒸汽入口蒸汽干度、比火用得到優化，干度平均上升0.008，比火用平均上升1.8 kJ/kg；壓力比優化前略微變差，壓力平均下降0.002 2 MPa。由此可知，優化后蒸汽品質得到提升，且對壓力降影響較小。

經統計，冷凝水量由原設計的0.067 5 kg/s降低為0.061 3 kg/s，疏水量降低了9.18%，相當于每天節省燃油37.5 kg。

綜上所述，本系統蒸汽環網經過優化，采用方案一，將船尾主環網管徑縮小一個規格尺寸后，熱帶工況和ISO工況下蒸汽環網及蒸汽設備輸入端蒸汽的品質都得到了提升，減少了燃油消耗，且減少了管路所占艙容，節約了建造成本。節約的管網建造成本可通過蒸汽環網船尾管路優化前后管材質量對比計算得出，船尾管路優化前后管材對比見表10。由表10知，采用方案一優化后總共可節省管道鋼材2 456 kg，按低碳鋼管市場均價5 000 元/噸進行計算，即節省原材料成本12 280 元。

表10 船尾管路優化前后管材對比

4 結束語

研究結果表明：原設計方案下，船尾蒸汽干度較低。通過優化，將船尾蒸汽環網管徑在原設計的基礎上減小一個尺寸，該蒸汽系統的蒸汽干度和品質得到有效提升。蒸汽平均干度由0.955提升為0.976，冷凝水量減少了9.18%，降低了水錘發生的可能性。同時，每天節省燃油的消耗37.5 kg，減少管路所占艙容，降低管材成本12 280元。