运动船舶燃油加注过程中油品透气试验研究

朱正祺，卢金树，袁世杰，甄阳阳，华秋浩，吕煜蒙

（浙江海洋大学船舶与海运学院，浙江舟山 316022）

随着保税燃料油供应量的增长，加注作业过程轻质油品透气现象会造成油气资源的浪费且易破坏周边作业环境，因此需要对加注过程中油品透气问题进行深入研究。油气透气问题本质是油品的气液传质问题，对此国内外学者进行了大量的研究。MARTENS,et al[1-3]对油船气液传质问题和蒸发问题进行实船和模拟研究；HUANG Weiqiu,et al[4-5]采用试验和数值模拟的方法对不同储油罐大小呼吸作用下油品传质机理进行了深入分析。ZHU Ling,et al[6]通过开口烧瓶内汽油实验，得出蒸发量与时间成对数关系。卢金树等[7-8]基于对流扩散理论对静止状态下油船装货过程油品蒸发问题采用模型试验和数值模拟方法对气相区晃荡效应进行充分的研究，但是对于装货产生的扰动能和船舶运动产生的晃荡能耦合的影响机理尚不明确。鉴于数值模拟难以精确捕捉加注过程中气液界面上升与晃荡运动耦合产生的波动的问题，并且气液相变问题会影响模拟的准确性。因此本文采用扰动能、晃荡能和对流扩散理论，通过模型试验对静止和晃荡运动状态下加注过程油品透气特征进行分析。

1 试验方案

在实际海上加注过程中，加注速率会根据不同的船舶和海况产生变化。所以本文的试验方案如下：（1）模型舱选取母型船为30 万t 油船的燃油舱，根据1/40 缩尺比进行静止和运动状态下加注全过程模型试验。（2）选用2 组4 种不同加注速率进行试验，加注速率为1.38 L·min-1是根据实际工况而定的，命名为第一组，其他3 个速度是根据试验条件而定的，命名为第二组[7]。考虑到实际海况波浪横摇的幅值正常在3°～5°之间，横摇周期在10 s 左右的情况[9]，结合实际海上燃油加注的船舶稳性，选取合适试验工况进行研究。

如图1 所示，试验中计量泵提供加注的动力，浓度传感器用于测量透气口处排出烃气的浓度，流量计测量透气口气体实时的流量。试验油品选择92#汽油，试验过程中，油品温度和环境温度被控制在26 ℃。加注作业过程中，油品通过计量泵的加注管注入模型舱内，浓度传感器安装在透气孔处，通过计算机分别记录透气口处排出油气的实时浓度。在进行加注作业过程试验时，在打开计量泵加注的同时开启晃荡平台、浓度测量仪和气体流量计。为确保试验数据的准确性，每组试验至少进行3 次。

图1 试验装置图Fig.1 Experimental device

2 试验结果与分析

2.1 静止状态下不同速率加注过程透气特征分析

本文先进行静止状态下不同速率的加注模型试验。其中，加注速率分别为1.38、2.46、2.96 和3.46 L·min-1，加注作业开始前确保模型舱内的油气达到相对饱和状态。

2.1.1 透气口烃气浓度特征变化分析

试验透气口烃气浓度变化曲线如图2 所示。

图2 中可以发现，静止状态下受油船加注作业过程中透气口烃气浓度主要可以分为2 个阶段，第一阶段（前1 300 s）烃气浓度保持不变，第二阶段（1 300～4 435 s）烃气浓度快速上升；在第二阶段加注速率越大，透气口烃气浓度相对越低，烃气浓度增长拐点不断提前，烃气浓度变化的斜率不断增大。装载率为95%时除加注速率为1.38 L·min-1透气口烃气浓度达到饱和，其余均未达到饱和。

图2 不同加注速率下透气口浓度变化Fig.2 Variation of gas vent concentration of different filling rates

2.1.2 加注过程扰动能特征分析

在静止加注作业过程中，油品产生晃荡的动力来自于加注泵对油品的扰动。本文对加注过程产生的扰动能进行分析。对具有自由界面的油舱，单位时间单位体积扰动能与燃料油动能相关。公式如下：

其中，E 为单位时间内加注泵所提供的动能，J；ρ 为试验油品密度，kg·m-3；A0加注口横截的面积，m2；Q 为加注速率（体积流量），m3·s-1；Te 为液舱内单位时间单位体积油品具有的扰动能，J·m-3·s-1。

由图3 可知，扰动能变化曲线近似于反比例函数，且加注速率越大，相同装载率下单位时间单位体积扰动能Te 越大；在加注的初始阶段，Te 快速减小，在装载率为30%左右Te 下降趋势趋于平缓。但是加注前期透气口处烃气浓度一直保持不变的原因是：（1）加注产生的扰动能被液舱内原有10%油品所耗散；（2）扰动能传质机理是先传递到液相油品，液相油品具有的扰动能传递到气液界面，加快了气液界面处油品的蒸发，气液界面处将扰动能量传递给油气分子，由于油气摩尔质量高于空气，导致了扰动产生的油蒸气吸附在气液界面处。因为加注前期气相区空间较大，所以蒸发产生的蒸气在气液界面处形成积累效应。

图3 不同加注速率下扰动能变化曲线Fig.3 Disturbance energy curve of different filling rates

2.1.3 透气口排出烃气质量特征分析

加注作业过程透气口排出烃气质量MVOCs公式如下：

其中，MVOCs表示为透气口透出烃气的总量，FQ（x）表示为不同加注速率透气口实时浓度的函数，hq（x）表示一个大气压下透气口透出气体流量的函数；M0为烃气的摩尔质量[7]。

由图4 可知，不同加注速率透气口排出烃气总量曲线线型相似，第一阶段排出烃气质量缓慢上升，增长速率相对较小；第二阶段排出烃气质量快速上升，增长速率上升迅速。烃气总量变化曲线与浓度变化曲线变化规律保持一致，加注作业过程中速率越大，透气口排出烃气质量越少。

图4 不同加注速率透出烃气总量Fig.4 Total hydrocarbon gas permeability of different filling rates

2.2 运动状态下不同速率加注过程透气特征分析

2.2.1 透气口烃气浓度特征分析

运动状态下试验的工况选取横摇运动幅值A=5 deg，运动周期T=10 s[9]。加注试验透气口烃气浓度变化曲线如图5 所示。如图6 所示，我们得出了对图5 进行无量纲处理得到运动状态下加注过程透气口烃气相对浓度随装载率的变化曲线。

图5 烃气浓度变化曲线Fig.5 Time histories of hydrocarbon concentration

图6 无量纲处理浓度变化Fig.6 Non dimensional treatment concentration change

由图5 可知，当选取运动状态下加注速率为1.38 L·min-1浓度曲线进行分析时，油气浓度在前500 s处于成长期，在成长期油气浓度增长较快，增长速度由快变慢；在500～2 600 s 进入平缓期，平缓期油气浓度增长缓慢处于相对稳定状态；在2 600～4 325 s 达到快速增长期，在快速增长期油气浓度快速增长；在4 325～4 435 s 进入饱和期，此期间油气浓度一直处于饱和油气浓度。对比图5 中第二组3 个速度的浓度曲线，在前1 400 s 随着加注速度的提升，油气浓度却不断下降，出现这一现象的原因是加注速率越大，相同时间内液相油品越多，扰动能和晃荡能被更多的液相缩吸收，单位体积所具有的动量相对较少。曲线在1 400 s 之后，随着加注速率的增长油品，在同一时间上加注速率快的油气浓度则较高。同时看出：当提高加注速率时，加注作业过程成长期和平缓期的时间不断缩短，其在加注速率为3.46 L·min-1浓度曲线时直接消失；快速增长期占据加注作业过程的时间越长，增长速率越大，但是烃气浓度均未达到饱和。

由图6 可知：4 种加注速度下烃气浓度随装载率变化曲线趋势基本保持一致。第一组速度（1.38 L·min-1）相对浓度变化曲线装载率在10%至20%期间油气浓度处于成长期；在20%至60%期间为平缓期；在60%至92.9%期间为快速增长期；在92.9%至95%期间为饱和期。与第二组3 个速度相比，油气浓度的成长期随着加注速率的增快占据加注过程越长。平稳期占加注过程不断地降低，在加注速率为（3.46 L·min-1）时透气口烃气浓度曲线中平稳期直接消失，主要原因在于加注作业时间短，并且晃荡能和加注泵引起的扰动能耦合，使得油品更加不稳定。相比快速增长期却随着加注速率的增快，占据加注装载主要过程。

为进一步分析，通过对比船舶不同状态下油气浓度特征，如图7 所示。

图7 可知：液舱运动相比静止状态透气口排出烃气浓度较高，说明晃荡运动有利于油品的蒸发。同时发现随加注速率的增长浓度差不断减少。

图7 运动与静止状态下烃气浓度变化对比Fig.7 Comparison of hydrocarbon concentration changes between moving and stationary states

2.2.2 加注过程晃荡能特征分析

加注作业过程中液舱一直做晃荡运动，为定性分析晃荡运动对加注作业过程所产生的影响，本文对晃荡能进行分析。晃荡能公式如下：

W 为晃荡运动做的功，J；P 为液舱晃荡运动的功率，J·m-1；m 为液相油品质量，kg；ω 晃荡运动的线速度，m·s-1；t 为作业时间，s；T 为加注作业总时间，s；r 为晃荡运动的半径；De 为晃荡运动产生的单位体积晃荡能，J·m-3；V 为液相油品的体积，m3。

由图8 可知，晃荡能与时间呈线性关系，且加注速率越快，晃荡能斜率越大。同时，不同加注速率下在装载率达到95%时油品单位体积晃荡能都保持在4.69 J·m-3。虽然不同加注速率下加注作业时间不同，但单位体积晃荡能最终保持一致。这个情况说明了单位体积晃荡能与时间无关，也就是说晃荡强度一定时加注速率和时间变化对单位体积晃荡能没有影响。

图8 单位体积晃荡能变化曲线Fig.8 The diagram of per unit sloshing energy of different motion periods

2.2.3 透气口浓度增长率特征分析

为了研究船舶运动因素对燃油舱油气蒸发及排出的影响，本文将油舱内气体的排出划分为液相区气体的产生与传递及气相区气体的传递，采用对流扩散模型加以描述：

公式中，已经充分考虑了加注或油舱运动引起的对流效应以及液体的运动产生的扩散效应。其中：c是透气口处排出烃气浓度，%vol；z 代表z 轴方向距离，m；t 是时间，s；W 是液面上升或波动的速度，m·s-1；Dm是有效扩散系数，m2·s-1；Dn是未定扩散系数，m2·s-1。其中，液面上升或波动的速度W 会引起油气的强迫对流，有效扩散系数Dm与燃料油种类、温度等有关；未定扩散系数Dn是由液相扰动造成。

由对流扩散理论可分析图7 产生的主要原因：液舱的晃荡运动增强了液相区油品和气相区烃气的动能，油品蒸发出来的油气主要集聚在气液界面附近，会扩大气液界面处饱和烃气的厚度，但是由于气相空间大，液相油品蒸发至透气口存在滞后性。透气口排出烃气主要是晃荡运动激发气相区烃气动能的增大，导致气相区压强增大，进而导致烃气浓度增高。

对图5 中浓度对时间求导得到增长率的变化趋势，再对时间无量纲处理得到图9，增长率变化即为对流项变化。

由图9 可知，增长率与装载率不再是像油品静止装载过程中简单的抛物线关系[10]，而是一种更复杂的近似抛物线关系。在曲线图内，运动船舶加注过程中透气口处排出烃气体积分数的增长率先急速增长后快速下降至较低值，再保持较长装载阶段，最后快速增长。且油品达到饱和状态会导致快速增长阶段出现拐点。装载前期晃荡运动时间越长，透气口烃气浓度增长率越高，主要原因是晃荡运动时间长，油品吸收的晃荡能和扰动能就相对较大，因此装载前期对流效应占主导因素。但在装载率20%～60%时透气口烃气增长率降至很低，对流效应降低，根据对流扩散方程可知，此时烃气变化的主导因素是扩散效应起主导。在装载率为60%～95%时随着气相空间的压缩，扰动能降至很低，晃荡能明显增大，导致了气相区对流效应不断增强，并占主导因素。

图9 增长率变化曲线Fig.9 Growth rate curve

2.2.4 透气口排出烃气质量特征分析

将图5 中烃气实时浓度和透气口气体实时流量代入公式（3）得出运动状态下透气口排出烃气的总量，如图10 所示。

由图10 可知，加注作业过程排出烃气总量基本保持线性增长；且运动状态下加注速率越大，透气口排出烃气总量上升越快。和静止状态（图4）相比透出烃气总量较大。在相同时间内提升加注速率能够加快油品的蒸发，是因为对流扩散方程中扩散系数的增大。但在整个限制空间加注作业过程中，因为加注速率增大导致蒸发的时间减少，反而造成了油品蒸发出的烃气质量降低。

图10 排出烃气总量变化Fig.10 Change in total amount of discharged hydrocarbon gas

3 结论

（1）静止状态下，加注过程透气口油气烃气浓度先保持不变，后快速增长。运动状态下，加注过程透气口烃气浓度先增长较快，进入成长期；后趋于平缓，进入平缓期；然后快速增长，进入快速增长期；最后达到饱和，进入饱和期。

（2）相比于静止状态下，船舶运动能够加快加注作业过程油品的蒸发。在运动状态下，装载率在10%～20%期间受晃荡能和扰动能耦合影响对流占主导因素；装载率在20%～60%期间对流效应减弱，扩散效应占主导；装载率在60%～95%期间，随着气相空间的减少，对流效应逐渐增强。

（3）随着加注速率的增大，油品的单位时间单位体积扰动能增大，加注时间减少，透气口排出烃气质量降低。