船舶油舱蒸汽加热系统计算的软件实现

1 研发背景

目前,国内有关燃油或滑油加热仅有的计算程序，一为油轮加热系统节能技术，一为管式加热炉传热计算程序。前者确立了用大蒸汽量短时快速加热，是货油加热最佳节能方式，编制用计算机准确计算加热时间及控制加热温度的计算程序和原油油轮货油自然冷却平均温降表和加热时间表，建立了用数值方法计算油轮货油舱温度场方程式。后者适用于炼油厂各种燃油燃气管式加热炉的传热及受热面各项参数设计计算，并可有效地模拟炼油厂常用加热炉的实际情况[1]。这两个加热程序，与船舶燃油舱及滑油舱的加热计算均无关联。基于此种现状，我们自主开发了油舱蒸汽加热计算程序。

2 程序概述

油舱加热计算程序适合于船舶燃油舱、滑油舱及其它液舱的蒸汽加热系统计算，尤其适合于液舱众多、形状各异的大型水面船舶的相关计算。它根据“油舱蒸汽加热系统计算方法”(CB/T3373-91)，利用Visual Basic 6.0编程软件进行设计[2]，采用“事件驱动”编程机制，支持动态数据交换(DDE)、对象的连接和嵌入(OLE)、ActiveX Automation，以及可在应用程序中访问和控制具有标准COM接口的其他应用程序，如Office等[3]。

本程序对结构变化复杂的油舱具有较强的适应能力，给出的油舱图例有19种，对于程序中未曾涉及到的复杂油舱结构，使用者也可以通过程序设置的“其他油舱结构”窗口进行操作，并更加贴合实际地设置油舱周围环境，然后进行加热时间、蒸汽流量以及蒸汽管道(加热盘管)的计算等后续计算。

每次计算的管件的具体参数，最后都会以Excel表格的形式，详尽地展示给用户，便于用户进行多步计算后，对所输入的参数以及相应的结果一目了然[4]。

另外，为了方便用户的使用，本软件还添加了水及水蒸气热力性质的计算子程序，免去了用户在使用水及水蒸气热力性质参数时查表的不便。用户还可以自行扩充蒸汽管道数据库，在实际工作中，通过工作积累不断地完善蒸汽管道的相关参数。

3 程序功能介绍

油舱加热程序主要包括油舱结构计算、加热时间计算、蒸汽流量计算以及蒸汽管道设计计算四大部分，如图1所示。

图1 油舱加热计算子程序界面

3.1 油舱结构计算

在油舱的结构设计里，使用者首先根据油舱的结构选择相应的选项，然后系统会根据所输入的值进行相关的计算，给出油舱的总表面积以及总容积等相关的参数，为下一步的计算设计做准备。其界面见图2。

图2 油舱结构计算界面

根据国内现有船舶的油舱结构，本程序提供了18种不同的油舱结构供用户依照实际情况进行选择计算。

考虑到计算油舱的各舱壁周围的环境不同，如有的舱壁周围为海水环境，有的为空气，还有的为隔壁油舱。在不同的情况下，舱壁传热系数不同，而传热是计算加热时间时的一个重要参数，因此在计算油舱结构时，程序设有“油舱环境设置”这一功能。点击此功能出现如图3所示界面。

图3 油舱环境设置

从界面上可以看出，油舱的周围环境可能处于与海水、大气、水舱、油舱以及机舱五种中的一种或几种。针对每一油舱壁，选择其所处的环境，然后分别点击界面左侧的5个功能键，从而显示出与相应环境条件相邻的油舱壁面积。

界面下端的功能键有分别连接油舱加热时间计算、蒸汽流量计算以及蒸汽管道设计计算，点击后便会进入所提示界面，数据会随之导入，以便进行后续计算。

3.2 蒸汽流量计算

蒸汽流量计算中用到蒸汽及管道参数(进口蒸汽温度、出口凝水温度、蒸汽管道外径、单排管道长度、盘管排数等)、燃油参数(燃油密度、燃油比热容、加热前油温、加热后油温)、油舱参数(与周围环境接触面积、周围环境温度、预设加热时间等)和环境参数(大气温度、海水温度)。

其中已知的且具可选性的有：蒸汽及管道参数、燃油参数、油舱参数、环境参数、预设加热时间。需经过测量计算得出且具可改性的有：燃油体积、油舱参数(图4)。

图4 蒸汽流量计算界面

3.3 蒸汽管道设计计算

蒸汽管道的计算是在已知蒸汽管道部分参数、蒸汽参数、油舱及环境参数以及预设加热时间的前提下进行的，目的是为了计算加热管道总长度，见图5。

图5 蒸汽管道设计计算界面

此计算中用到蒸汽及管道参数(进口蒸汽温度、出口凝水温度、蒸汽管道外径、单排管道长度、盘管排数等)、燃油参数(燃油密度、燃油比热容、加热前油温、加热后油温)、油舱参数(与周围环境接触面积、周围环境温度、预设加热时间等)和环境参数(大气温度、海水温度)。

其中已知的且具可选性的有：蒸汽及管道参数、燃油参数、油舱参数、环境参数、预设加热时间。需经过测量计算得出且具可改性的有：油舱参数。

3.4 加热时间及管道膨胀量计算

加热时间的计算分为两种情况，一种是在蒸汽量一定(即输入蒸汽参数一定，如进口蒸汽、出口凝水的物性参数、蒸汽需求量等)时计算燃油达到指定温度所需的加热时间；另一种是在加热面积一定(即盘管的加热面积一定)时计算加热时间。两种计算的前提不一样，为操作者提供可选性，见图6。

图6 加热时间及管道膨胀量计算界面

加热计算的同时伴有管道膨胀量的计算。用到的参数为：盘管横向长度、盘管纵向长度、钢材单位线膨胀量，其中盘管横向长度和盘管纵向长度为已知且具可选性。钢材单位线膨胀量可查相关资料。

4 计算原理

油舱加热计算程序不仅可以对不同油舱结构进行面积计算，还能计算出加热时间、蒸汽流量并进而进行蒸汽管道的设计计算。由于算法众多，相应计算公式也就较多，本文仅以加热面积一定时求取加热时间为例，进行计算原理说明[5]，其余计算原理不再赘述。

加热面积一定时求取加热时间所用到的参数如下：

1) 蒸汽及管道参数，包括进口蒸汽温度、出口凝水温度、蒸汽管道外径、单排管道长度、盘管排数、管道传热系数；

2) 油舱及环境参数，即油舱体积及舱壁面积、油舱外部介质及温度；

3) 燃油参数包括燃油密度、燃油比热容、加热前油温、加热后油温；

4) 油舱参数是指与海水接触面积、与大气接触面积、临水舱接触面积、临油舱接触面积、临机舱接触面积、隔壁水舱温度、隔壁油舱温度、隔壁机舱温度，油舱满度；

5) 环境参数，即大气温度、海水温度；

以上参数中是已知的且具可选性的有：蒸汽及管道参数、燃油密度、燃油比热容、加热前油温、加热后油温、隔壁水舱温度、隔壁油舱温度、隔壁机舱温度、环境参数，燃油体积。需经过测量计算得出且具可改性的有：油舱体积、与海水接触面积、与大气接触面积、临水舱接触面积、临油舱接触面积、临机舱接触面积。

另外在加热的同时还伴有管道膨胀量的计算。所用参数，如钢材单位线膨胀量，钢材单位线膨胀量可查相关资料[6]。

加热面积一定时求取加热时间计算公式如下：

式中

m0=md×ρ×v0

其中

Kh×Ah=Kh1×Ah1+Kh2×Ah2+Kh3×Ah3

Kh×Ah×θh=Kh1×Ah1×θh1+

Kh2×Ah2×θh2+Kh3×Ah3×θh3

式中，tr为所需加热时间，h；m0为油的质量，kg；c0为油的比热容，J/kg·℃；Ks为加热管道的表面传热系数，W/m2·℃；As为加热管道总表面积，m2；Kw为水线下与海水接触散热面的传热系数，W/m2·℃；Aw为与海水接触面积，m2；Ka为水线上外板传热系数，W/m2·℃；Aa为水线上外板面积，m2；Kh1为临舱(机舱)隔壁传热系数，W/m2·℃；Ah1为临舱(机舱)隔壁面积，m2；Kh2为临舱(水舱)隔壁传热系数，W/m2·℃；Ah2为临舱(水舱)隔壁面积，m2；Kh3为临舱(油舱)隔壁传热系数，W/m2·℃；Ah3为临舱(油舱)隔壁面积，m2；L为加热盘管总长度，m；θ0为加热前油温，℃；θr为加热后油温，℃；θs为加热蒸汽平均温度，℃；θw为海水温度，℃；θa为大气温度，℃；θh为临舱温度，℃；md为油舱满度。

同时在此附有管道膨胀量的计算，钢材的单位线膨胀量计算公式为：

et=0.001 28×(θ-100)+0.092

式中，et为钢材的单位线膨胀量，cm/m。

整体膨胀量公式：

U=L×et

则管道的膨胀量在常温下膨胀量为：

et1=0.001 28×(θ0-100)+0.092

加热温度下膨胀量为：

et2=0.001 28×(θr-100)+0.092

5 计算实例

计算实例仍以加热面积一定(10×4.5×1.6 m3的矩形油舱)求取加热时间为例。已知参数如下：

1) 油舱及环境参数,包括燃油密度925 kg/m3、燃油比热容800 J/kg·℃、加热前温度2℃、加热后油温20℃、海水温度0℃、船外大气温度0℃、隔壁水舱温度2℃、隔壁油舱温度2℃、隔壁机舱温度5℃、油舱满度80%；

2) 蒸汽管道参数包括加热管道进口蒸汽温度164℃、加热管道进口蒸汽压力0.7 MPa、加热管道出口凝水温度60℃、加热管道出口凝水压力0.02 MPa、盘管长度420 m；

3) 与环境接触总传热系数包括隔壁为海水6.98 W/m2·℃、隔壁为油舱5.82 W/m2·℃、隔壁为大气8.72 W/m2·℃、隔壁为机舱5.82 W/m2·℃、隔壁为水舱5.82 W/m2·℃。

双击图标进入软件首界面，选择“油舱加热计算”，进入油舱蒸汽加热计算程序。求取加热时间时选择“加热时间的计算”，点击确定，进入油舱加热计算子程序的主要操作界面(图7)。

图7 加热面积一定时加热时间计算界面

输入加热面积时，油舱的体积点击“链接油舱结构计算”按钮，进入“油舱结构计算界面”进行油舱面积计算(图8);点击油舱环境设置，即可计算出油舱与各个环境接触面积(图9)。最后点击“链接加热时间计算”，油舱与各个环境接触面积就会自动导入加热时间计算界面中，见图7。

图8 油舱面积计算

遇到水及蒸汽热力性质的，如上所述可以链接水及蒸汽性质软件求解导入，在此计算中要求输入管道的参数，可以点击“链接管道材料选取”按钮，链接管道参数数据库(图10),链接后退出本界面。

图10 管道材料选取界面

计算结果显示：在上述已知的条件下，油舱内燃油的质量是53 280 kg，加热管道的总膨胀量为9.667 cm(平均每米膨胀量为0.23 mm)，在给定所选管道参数时，所需加热时间为0.439 h。

计算完成之后，点击file输出excel文件，即可将计算结果输出存储。

6 结 论

油舱加热计算程序为用户提供了简洁的操作界面和完善的数据输出接口，数据输入清晰明了，操作使用方法简便，并具备了一定的计算参数扩充能力，计算结果输出完整详实。油舱加热计算程序能够满足船舶油舱蒸汽加热系统设计与计算的要求，计算结果准确可信。

油舱加热计算程序适用于船舶燃油舱、滑油舱及其它液舱的蒸汽加热系统的设计与计算，尤其适合于液舱众多、形状各异的大型水面舰船的相关计算。本油舱蒸汽加热计算程序的成功开发和应用，把繁重的人工计算转变为计算机程序计算，提高了计算准确性和计算效率，大大提高了油舱蒸汽加热系统的设计工作效率，有较高的实用价值。

[1] 郭光臣,董文兰,张志廉.油库设计与管理[M].东营:石油大学出版社，1991.

[2] HERGERT D. Visual Basic 5宝典[M].北京：电子工业出版社,1998.

[3] THAYER R. Visual Basic 6揭秘[M].北京：电子工业出版社，1999.

[4] 计算机现代数值方法.大连理工大学数学讲义[G](研究生教材).

[5] 油舱蒸汽加热系统计算方法[S].北京：中国船舶工业总公司，1992.

[6] 刘志刚等.工质热物理性质计算程序的编制及应用[M].北京：科学出版社，1992.