4 900 t沥青船低硫油冷却系统的设计研究

朱 刚，孟 博，郭月姣，雷淑雅，冯国增

(1.中航鼎衡造船有限公司，江苏 扬州 225217；2.江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

2016年起，国际海事组织《国际防止船舶造成污染公约》(MARPOL)附则Ⅵ“防止船舶造成大气污染”对船舶的硫氧化物设立了总体限制，并要在2020年全球范围内强制推行船舶燃油含硫量小于等于0.5%的决议[1]。

为应对即将强制执行的“限硫令”，目前普遍采用的三种措施为：加装废气脱硫处理装置、采用LNG替代燃料、采用低硫燃油[2]。废气脱硫处理装置设备体积大、后期维护成本高，适用于大吨位船舶。采用LNG燃料初期投资高，受加气点限制供应保障能力不足，存在安全隐患。采用低硫燃油不需要对现有设备做过多的改造，初期投资低，操作简单，安全可靠。

目前绝对大多数船舶的柴油机供油系统是根据传统重油的黏度、润滑性能设计的。因低硫油具有粘度低、润滑性差、闪点低、易气化的特点，如果直接更换低硫油，会降低润滑性能，增加了柴油机和供油系统的磨损，易导致操作和船舶安全方面的隐患[1]。因此，为提高低硫油供油系统的可靠性，采用制冷系统进行冷却是十分必要的。

沥青船属于一种特种船型，是一种专门运输高温后熔化沥青的化学品船，设计制造难度较大。本文以某4 900 t沥青船为例，设计一种低硫油冷却系统。首先对冷却系统的原理进行分析；然后从制冷循环入手，对压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等几个方面进行选型设计，以解决现有技术中传统船舶直接使用低硫油会磨损柴油机和供油系统，存在船舶操作和安全隐患等不足，为同类船舶的设计改造提供依据。

1 低硫油冷却系统的原理

目前有关研究人员所提出的低硫油冷却系统主要由冷水机组模块、冷媒水泵模块和水油换热器模块组成。其系统冷量传递过程主要是通过冷水机组产生冷量来制取冷冻水，然后由冷冻水来冷却低硫燃油，使其运动粘度增加到2 mm2/s以上，以满足现有船用柴油机和供油系统的要求。这种系统流程复杂，设备较多，而本文所涉及的4 900 t沥青船空间有限，不适合采用该系统。

本文所设计的低硫油冷却系统主要由船用冷水机组和水油换热器组成。低硫燃油首先通过水油换热器与海水进行初级换热，然后与冷水机组中的蒸发器进行换热。低硫燃油在蒸发器中与制冷剂换热，释放的热量被制冷剂蒸发吸收，以此达到降低低硫燃油温度的目的。该冷却系统实现制冷剂直接与低硫燃油换热，无低硫燃油冷却过程中冷冻水循环的工艺环节，提高了系统的高效运行。冷却系统原理图见图1。

2 低硫油冷却系统机组设计

为了确定冷水机组的选型，从系统的制冷循环分析入手，通过理论分析确定性能计算方法，并寻找影响效率的因素，为改善提高性能和效率提供指导方向。

图1 冷却系统原理图

2.1 制冷循环形式的确定以及热力计算

制冷冷水机组的制冷方式通常采用单级蒸汽压缩式制冷循环。蒸汽压缩制冷循环是目前应用最广泛的一种制冷方式。由于制冷剂换热过程依靠相变的汽化潜热，因此制冷剂循环量较小，机组结构比较紧凑，具有较高的循环效率。考虑沥青船航行不同海域的各种工况，本系统采用带回热的单级压缩制冷循环。制冷循环装置流程图见图2。

1—压缩机入口；2—压缩机出口(冷凝器入口)；4—冷凝器出口；5—节流阀入口；6—节流阀出口

热力计算的主要目的是根据制冷循环装置的运行工况，算出实际循环的指标：压缩机的容量、功率，以及蒸发器和冷凝器的热负荷，为制冷系统的选择提供数据。制冷压缩机吸气温度通常设定为15 ℃。当系统使用卧式壳管式或套管式冷凝器时，可以用增大冷凝面积的方法过冷，通常取过冷温度较同压力下的冷凝温度低3～5 ℃。对于立式壳管式冷凝器，则不考虑过冷。制冷循环的压焓图见图3，理论循环的热力计算结果见表1。

0、3—饱和蒸汽状态点；1—压缩机入口状态点；2、4—分别为冷凝器入口、出口状态；5—过冷液态状态点；P0—蒸发过程中压力状态点；Pk—冷凝过程中压力状态点

表1 热力性能指标计算

注：h1、h2分别为压缩机入口和出口的焓值,kJ/kg；h4为冷凝器出口的焓值,kJ/kg；V1为蒸发器的容积,m3；Q0为蒸发器的冷负荷,W；λ为定容增压比；η1为压缩机的机械效率；η2为压缩机的传动效率。

2.2 制冷压缩机的选型

根据表1热力计算结果，考虑到增加15%的裕量，因此本系统需要的制冷量为Q=13.23 kW。单台压缩机的最佳工况制冷量见表2。根据海上环境的实际情况，综合考虑后选用涡旋式压缩机。

表2 单台压缩机的最佳工况制冷量

2.3 冷凝器的面积计算

冷凝器形式的选择应当根据当地的水温、水质、水量、气候条件以及制冷机房的布置等方面考虑。水温较低但水源充足时，采用卧式壳管冷凝器。制冷压缩机排出的蒸汽进入冷凝器后，先冷却为饱和蒸汽，接着冷凝成饱和液体，进一步成为过冷液体。由于这个过程带走的热量与冷凝器的总热负荷相比很少，所以计算传热温差时把制冷剂的温度看作定值。卧式壳管式冷凝器的进出水温差Δtm1可取4～8 ℃。冷凝器的传热面积按式(1)计算：

(1)

式中:Ak为冷凝器的传热面积，m2;K1为冷凝器的传热系数，K1=850 W/(m2·K)；qC为冷凝器的热流密度，qC=3 680 W/m2。

由上述数据计算可得传热面积为Ak=3.90 m2；考虑到增加15%的裕量，得Ak=4.49 m2。

2.4 蒸发器的面积计算

卧式壳管式蒸发器是目前空调用冷水机组中应用最广的一种蒸发器。该蒸发器传热效率高，占地面积小，与卧式壳管式冷凝器一起使用可以充分利用空间。蒸发器的传热面积可以按式(2)计算：

(2)

式中：K2为蒸发器的传热系数，K2=780 W/(m2·K)；Δtm2为蒸发器平均传热温差，℃；q为蒸发器的热流密度，W/m2。

可以计算得出A1=3.39 m2；考虑到增加15%的裕量，得A1=3.90 m2。

2.5 节流装置的负荷计算

节流装置选型时需要根据制冷量、蒸发温度方位和蒸发器冷负荷的大小来确定。一般情况下，节流装置的制冷量必须比蒸发器的负荷大20%～30%，修正系数选取1.07。由于蒸发器负荷为Q0=12.36 kW，所以节流装置负荷为Q1=16.07 kW。

本来对于满液式蒸发器来说，应尽量使液体制冷剂浸没换热管，以充分利用换热面积，所以液位控制的节流装置比较合适。但是由于大型冷水机组蒸发器液位变化范围较大，液面沸腾剧烈，为了取得稳定的液位信号，浮球阀的体积庞大，所以采用温度信号控制的热力膨胀阀。

3 结论

(1)与其他采用中间冷冻水循环的低硫燃油冷却系统相比，系统流程更加简单，运行效率更高。

(2)系统结构紧凑，占用空间小，对现有船舶供油系统改造小，初投资少。

目前该系统已经应用于4 900 t沥青船的实际生产中，运行性能稳定，效果良好。