运输船燃油舱加热系统优化设计研究

陈　聪， 吉桂军

(上海佳豪船舶工程设计股份有限公司, 上海 201612)



运输船燃油舱加热系统优化设计研究

陈聪， 吉桂军

(上海佳豪船舶工程设计股份有限公司, 上海 201612)

摘要针对运输船燃油舱加热系统，优化设计了一种新型燃油转驳加热系统，可降低系统燃油加热过程中的蒸汽消耗量和节约投资维护成本，以达到提高船舶节能减排的目的。

关键词运输船散货船集装箱船燃油转驳加热系统节能减排

1引言

当前，运输船为减少排放降低油耗，除了一些常规性能优化和增加节能措施外，还多采用降低主机功率的方式，由此导致主机废气温度较低引起废气锅炉蒸汽产量不足，甚至船舶正常航行工况下还须启动燃油锅炉补充蒸汽。为解决此问题并进一步降低运输船综合能源消耗，针对燃油舱加热系统进行优化设计研究，从而减少蒸汽消耗，使船舶更节能、更环保。

2燃油舱加热系统优化

2.1系统原理

常规运输船上通常设有燃油日用舱和沉淀舱，舱内设有加热盘管，利用蒸汽加热舱内燃油。本系统利用燃油转驳泵将燃油日用舱或沉淀舱内的热油驳运至燃油储存舱，与吸口处冷油混合，从而达到加热所需量燃油的目的。与传统燃油舱加热系统相比：取消了燃油储存舱内蒸汽加热盘管，只对其驳出吸口处部分燃油进行加热，避免了储存舱通过油舱表面向周围环境散发热量[1]，从而实现运输船节能减排的目的。

2.2系统基本构成

系统基本原理及构成图如图1所示。

2.3系统工作流程

系统工作基本流程图如图2所示。

燃油转驳加热系统主要包括加热和输送两个工作工程。加热工作过程：燃油沉淀舱或日用舱内热油利用燃油转驳泵吸出，并通过燃油加热器继续加热至所需温度后驳运至燃油储存舱，与吸口处冷油混合，以达到加热燃油的目的。输送工作过程：燃油转驳泵停止运行，燃油输送泵将燃油储存舱内混合加热后的燃油驳运至燃油沉淀舱。整个系统中依靠

图1　燃油转驳加热系统基本原理图

图2　系统工作基本流程图

两个工作过程交替进行，从而实现燃油储存舱内不设蒸汽盘管而能够持续供应燃油的目的。

燃油转驳加热系统的一个循环周期一般设定为1 h，加热模式工作45 min，输送模式工作≤15 min。

系统正常开始运作前，燃油沉淀舱内燃油温度需要满足系统要求(一般情况下加热至60℃)。随后系统开始运行，燃油转驳泵和燃油输送泵交替工作。

在船舶停航以后再次开航前，可通过燃油转驳泵持续对储存舱加热3～6 h，然后再转入正常的工作模式。

2.4系统设计要点

2.4.1燃油储存舱内吸口附近的结构设计

运输船燃油储存舱多为深舱，深度可达十几米，为防止燃油热量出现大量损失，保证吸口周围冷油加热至所需可泵温度，通常需要在吸入口周围设计一个相对独立的空间，其容积大约为系统1 h内燃油输送泵在运行时间内输油量的2～5倍。空间的结构设计根据实际储存舱的结构具体考虑，需便于燃油的透气和流动。

2.4.2燃油沉淀舱出油管高度设计

燃油储存舱燃油温度低于沉淀舱的温度，储存舱内冷油输送至沉淀舱后会沉入沉淀舱舱底，沉淀舱内热油则会上升，为避免发生刚进沉淀舱的冷油被重新驳回燃油储存舱的情况，燃油沉淀舱出油管的吸口高度处舱容需大于燃油输送泵在1 h内的输油量。

2.4.3沉淀舱液位控制开关设置

沉淀舱内输送泵的启停液位开关间距应足够大，其间的舱容差应大于燃油输送泵在1 h内的输油量，且启泵开关设置在转驳泵吸油口高度之上。

2.4.4温度控制

燃油储存舱所需加热量随着周围环境温度的变化而变化，系统需设置温度控制装置。在燃油储存舱吸入管设置温度传感器，当燃油输送泵工作时，传感器将管内燃油的温度信号传递至燃油转驳泵控制器。若燃油温度低于系统的初始设定值(可高于泵温度)，转驳泵控制器收到信号后，会使其增速运行，增加从沉淀舱驳回的热油量，保证储存舱吸口处燃油加热至所需温度。

2.4.5弹簧预压截止止回阀的设置

由于燃油转驳泵排出端与燃油输送泵吸入管相连，在转驳泵工作时，加压后的热油除驳运至燃油储存舱外，也可能通过输送管路回流至沉淀舱；在燃油输送泵工作时，其吸入端产生一定真空，除了能从燃油储存舱抽吸燃油外，也可能通过燃油驳运管路从沉淀舱内抽吸热油，排回沉淀舱。为避免这种情况发生，在燃油输送泵和燃油驳运泵排出端设置1只弹簧预压截止止回阀，由于打开此阀需要一定压力，将会保证系统的正常运转。

3燃油舱加热系统方案优化对比

3.1节能情况

传统蒸汽盘管加热方式是将燃油舱内所有燃油加热至可泵温度，并对燃油进行保温，燃油舱燃油通过燃油输送泵输送至燃油沉淀舱供船舶使用，如图3所示。燃油转驳加热系统只混合加热燃油储存舱吸口周围燃油，加热燃油量仅为燃油日用系统1 h内的消耗量，如图4所示。

图3　燃油舱采用传统蒸汽盘管加热流程

图4　燃油舱采用转驳加热系统加热流程

蒸汽耗量所对应燃油消耗量计算公式:

式中：q为保温蒸汽耗量，kg/h； uL为燃油低位发热值，取40 350 kJ；i1为0.7 MPa下饱和蒸汽焓值[3]，取 i1=2 750 kJ；i2为60℃饱和水焓值，取250 kJ；ηs为燃油转换为蒸汽效率，取85%。

2.5.3 搜集证据，设计实验观察 教师继续追问： 如果茎中真的有管道，那么这些管道口分布茎横切面的哪里？怎么样才能让我们观察到它们？让学生对导管分布有个预判，带着问题去观察。接下来教师现场拿来经过课前精心筛选的、便于观察的一种木本植物枝条进行徒手切片，组织学生用显微镜低倍观察茎的切片。学生很快看到了大量的小孔，并指出这些孔基本上分布在除了树皮和中心外的区域。

电功率消耗量转换为燃油消耗量计算公式:

式中：p为转驳泵电功率，kW；ηe为发电机效率，取95%；ge为发电机组中柴油机燃油消耗率，192 g/(kW·h)。

图5　燃油舱加热系统优化方案原理图

以39 000 dwt散货船为例，假设主机正常航行时产生的废气能够产生足够蒸汽，分析两种加热系统方式能量消耗对比，燃油舱采用燃油转驳加热系统(见图5)，与传统蒸汽盘管加热方式相比，可节省船舶燃油消耗量，如表1所示。

表1　39 000 dwt节能情况表

假如主机正常航行时产生的废气不能够产生足够蒸汽时，锅炉还需启动燃烧器，那么采用转驳加热方式则更能显著节省燃油消耗量。

3.2成本对比

假定燃油转驳加热系统和蒸汽盘管加热系统外围管路、相关阀件、附件产生的费用以及系统的安装费用相同，只比较两种加热系统中相对常规系统所增加设备的成本，如表2所示。

由表2可知，39 000 dwt散货船燃油转驳加热系统初始投资成本要比传统蒸汽盘管加热方式高出不少，节约了船舶营运过程中的燃油成本，如表3所示。

表2　39 000 dwt散货船加热系统成本预测表

表3　39 000 dwt散货船成本回收预测表

为保证船舶的正常浮态，在正常航行中通常需要同时使用左右对称的一对燃油舱，这时节约的燃油成本约为理论值的2倍。而转驳加热系统采用温度控制，其转驳泵的运行状态随油舱中驳出燃油温度的变化而实时调整，在实际运行中，转驳泵电机的消耗功率要小于上述表中所列的最大值。因此，相比传统的蒸汽盘管加热，其所能节省的燃油成本约为上述表格中所列理论值的2～3倍。燃油转驳加热系统前期所增加的投资成本在一年内即可以收回。

4结论

参考文献

[1]中国船舶工业总公司．船舶实用设计手册轮机分册[M]. 北京：国防工业出版社，2000．

[2]成春祥．一种新型船用燃油加热和移驳系统[J]．天津航海，2001，1：13-20．

[上接第31页]

表7　直接计算剪力值与规范计算值的比较

从表6和表7可以得到：采用规范算得的船舯剖面垂向波浪弯矩值比直接计算值大约13%；而SEC105、SEC119两个剖面剪力的规范计算值比直接计算值分别小17.5%和9.6%。

4结论

(1) 计算得到的超越概率10-8下的预报极值大于重现期20年的预报极值，甚至大于重现期25年的预报极值，取该值作为长期预报的极值能够满足设计要求；

(2) 对于在同一重现期和超越概率下的载荷参数预报极值，满载状态都大于压载状态；

(3) 船舯剖面垂向波浪弯矩预报值在迎浪和顺浪时最大，并随浪向趋近横浪时逐渐减小；

(4) 压载状态下，本船在横浪航行时扭转问题最严重；满载状态下本船在斜浪航行时，扭转问题最严重。对于此类船舶的扭转强度问题需要特别考虑。

(5) 虽然本船满足海船规范的尺度要求，但海船规范中的波浪剪力计算公式并不适用于本船。对于江海直达散货船，波浪载荷计算采用直接计算法较为合适。江海直达散货船的剪力值高于海船规范计算值，在结构设计时应予以重视。

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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

中图分类号U672

文献标志码A

作者简介：陈聪(1981-)，男，工程师。