（轮机工程专业论文）油轮货油加热和保温过程传热机理研究.pdf

中文摘要 摘要 石油是国民经济的命脉，油品的稳定供应是现代经济可持续发展和社会稳定 的基础。在油轮运输中，由于原油的粘度大，倾点一般较高，导致在运输过程中 不易卸油。因此原油轮在卸货时通常要对液货进行加温，以满足卸油的要求。当 今油轮加热的方式大都是蒸汽加热，从经济性方面考虑，加热时间过早或加热温 度过高，船舶运营经济性差，加温过晚或不足，卸货困难。因此，根据每艘船设 备和货载情况，摸索出一套安全，易操作，省时，省燃料的加温规律，有着十分 重要的意义。 本文采用理论分析、试验验证和实船应用检验相结合的方式，针对大连远洋 运输公司的6 8 0 0 0 d 盯、7 2 0 0 0 d 1 盯和1 5 9 0 0 0 d w t 三种类型双壳体油轮二十四种原油 运输过程中，油舱货油加热、保温的经济方式进行了分析研究。根据非稳态导热 集总参数法建立油轮油舱数学模型，研制了油轮货油加热，保温计算软件。通过 实验验证了计算软件所选用的传热模式的正确性，通过理论分析和实验验证得出 在油轮加热、保温过程中，货油内部主要的传热方式是自然对流。通过实船应用 比较，软件计算的保温时间和加热时间的最大误差是8 。分析了影响加热、保温 过程的主要因素：在油轮加热过程中，货油温度上升的幅度与货油的自身性质相 关。货油的温升与密度变化、定压比热变化成反比，与传热系数变化成正比。而 在本文研究范围内，动力粘度、热膨胀系数等对货油温升影响不显著，可以忽略 其影响。海水温度和大气温度对货油温升的直接影响也较小。提出了最佳锅炉蒸 发量的新观点，加热经济性的最好锅炉蒸发量是：当蒸汽参数为o 4 m p a 。1 4 4 时， 控制蒸发量在4 0 0 0 ( k g m ) 以下；o 5 m p a ，1 5 2 时，控制在4 0 0 0 5 0 0 0 酣1 ) 之间： o 6 m p a ，1 5 9 时，控制在5 0 0 0 ( k g m ) 左右 0 8 m p a ，1 7 0 时，控制蒸发量在4 0 0 0 ( k g 以下，才能保证加热经济性最好。 关键词：原油轮；集总参数法：最佳加热时间；货油保温时间；最佳锅炉蒸发量 英文摘要 s t u d yo nh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s mo fh e a t i n g a dh e a t p r e s e r v a t i o np r o c e s s e si no i lt a n k e r a b s t r a c t 0 i li s 也el i f el m eo ft 1 1 ee c o n o m y ，觚dt h es t e a d yd e v e i o p m e n to fe c o n o 埘【y 孤dt h e s t e a d yo fs o c i a la r eb a s e do nt 1 1 eo i l hm e 口m l s 口o l 伽i o no fo i l ，b e c a u s eo f 也el a r g e v i s c i d 时，m ep o u rp o i n ti s1 1 i g l l ，w h i c hc a u s e s 吐1 ep r o b l e mo ft a k m g 血eo i lo 氲s on l c o i ln e e d sw a n n i n gw h e nb e e nt a k e no f t h em e a no fw a r r n i n gi sv a p o rn o w a d a y s c o i l s i d c 西n gt l l ee c o n o m y ，i ft h ct i i t l eo fw a m l i i l gi st o oe a r l yo rt h et e m p e 咖ei st o o h i z h 也ee c o n o m yo f t h es h i pi sl o w ；a n di f t h et i m eo f 、枢m l i n gi st o ol a t eo rt h e t e i n p e r a n 】r ei st o o1 0 w ，i ti sd i 髓c u l tt ot a k et h eo i lo 位s oa c c o r d i n gt om ee q u i p m e r n s 锄dl o a d i l l gc o f u d m o no fe v e r ys h i pt 0g r o p ef o rak a t 洫gm e 也o dw l i c hi ss 疵， c o n v e r d e n d yo p e r a t e d ，t i r n es a v i i l ga n df h e l ss a v i n 窖i sv e r yi m o r t 锄m a no i lh c a t i n gm e t h o do ft h ed a u b l eh i l i lo nt a 】1 1 i ( e ri s s t l l d i e db ym e 卸so f c o m b i l l a t i o no f 也e o r e t i c a | a n a i y s i s ，e x p e r i m e n t a lv a l i 出晒o n 卸da _ p p l i c a t i o nv e r i f i c a t i o n 1 1 1 j sm e 也o di sf i tf o rt w e n t y f b u rk i n d so fc m d eo i lw k c ha t r a i l s p o r t e db yt h e 6 8 0 0 0 d 、v t ，7 2 0 0 0 d w ta 1 1 d1 5 9 0 0 0 d 、 ，td o i l b l eh i l l lo nt a n k e r si d a l i a no c e a n s h 口p l n gc o m p a n y 耵1 eo nt a n k c rh e a t m 窟m o d e li se s t a b l i s h e da n dn l es o f m a r ei s d e v e l o p e db a s e do n 订a n s i e n th e a tc o n d u c t i o ng a t h e 托dp 锄舭1 e t e rm e t l l o d t h ev a j i d i t y o fh e a tt r a 咀s f b fm o d e lu s c di nt 王l es o f t w a r ei sp “e db ye x p e r i m e n t t h o o r e t i c a l 黝l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d ys h o wm a ti i lt l l eo i lh e a t i n gp r o c e s s ，n a t u r a lc o r e c t i o n i s 也ed o 扛l i r 娜th e a t 仃a n s f e rs t y i e t h ea p p l i c a t i o ns h o w sm a tm em a xd e v i a t i o no f c a l c l l l a t e dt 坨a c i n gt i l n ei s8 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a p o rp a i 啦e t e ra i l dh e a t i n g e c o m yi sd i s c u s d t h em l ei st 1 1 a t ：w h e nh e a t i n gt h eo i l 。也et c m p e r a n l r ei 1 1 c r e a s i n g d e 钟eh a sr c l a t i o 璐h i pw i t l l 也ei l l 王1 e f e mc h 撇c t e ro ft 1 1 eo i l t h eo i lt e m p e r a m r e 、n 1 1 i n c r e 鹊es m a l l e rt h a l lb e f o mi f 也e v a l u co fd e n s i t yo rs p e c i 矗ch e a ta tc o m t a mp r e s s u r e b e c o m e sh i 壁血e r i tv a r i e sd i r e c t l ya sh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t i nt h i sa r t i c l ed y n a r n i c a l “s c i d i t ya n dh e a te x p a i l dc o e f n c i e n th a _ v el i m ei n n u e n c eo nm ei n c r e a s eo f 如e lo i l t e m p e r 8 n l r e s bt h e ya r ei z n o r e d t h et e m p e r a 沁r eo fs e aw a t e ra n da 舡s p h e r ed on o t h a v ed i r e c ti n f i u e n c eo nt t l ei n c r e a s eo f 如e lo i lt e m d e r a c u r c t h e 如n c t i o no fm eb o i l e r e v a p o r a t i o na n d 血eh e a t i n gt i m e ，t h eo p t i m i z e dv a p o rn o wr a t ea td i f 诧r e n tp r c s s u r ea r c e s t a b l i s h e d ，w h i c hs u 口口l yt 1 1 et l l e o r yb a s i si o rt i l es l l i p 慨s p o r t a t i o n w h e nt l i ev a p o r p a r a r n e t e r sa r ef o l i o w s ，t h eo p t i m i z e dv a p o rn o wr a t ei s ：o 4 m p a 1 4 4 ，c o n t r o l l a b l e v a 口o rn o wr a t e ，b e l o w4 0 0 0 ( k 跏) ；o 5 脚a ，1 5 2 ，c o n 仃o l l a b l ev a p o rn o wr a t e ， 4 0 0 0 5 0 0 0 ( 赠；o 6 m p a ，1 5 9 ，c o n t r o l l a b i ev a p o rn o w r a f c ，a b o u t5 0 0 0 ( k 跏) ： o 8 m p a ，1 7 0 ，c o n t r o l l a b l ev a p o rf l o wr a t e ，b e l o w4 0 0 0 ( k g 1 1 ) k e yw o r d s ：c m “o 钉t a n k e r g a t h e rp a r a m e t e r m e t h o d ；o p t i m a lh e a t j n gt i m e ； o p t i m a ih e a tp r e s e r v a t i o nt i m e ；o p t i m a iv a p o rn o wr a t e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 迪捡堑澶加垫塑堡遏过程佳垫扭堡婴窒：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名；年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于；保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：您确导师签名： 日期：年月 日 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 第1 章绪论 1 1 概述 石油是一个国家的战略资源，油品的稳定供应是现代经济可持续发展和社会 稳定的基础。世界经济的稳步增长，直接刺激了能源需求量的逐步攀升，而石油 作为“工业的血液”是国民经济的动脉，它的许多特点决定了在未来的一段时间里， 它仍是一种难以替代的资源。 当中东发现了大量的地下原油后，一些石油垄断集团和石油进口国纷纷在中 东投资开发油田，使全球原油产量大增，由此也刺激了油船船队的发展。从6 0 年 代以来，由于中东石油的大量开采和输出，以及世界各地发达国家的经济迅猛发 展对石油能源的依赖，促迸了油船运输业和制造业的发展。 根据目前的经济和油船发展状况，其研究重点是提高船舶运输的安全性，经 济性和防止海洋污染和大气污染等问题，其中货油的保温和加热问题已经引起广 泛的重视。在石油运输中，是否需要在卸货前进行加温，取决于该货油凝点的高 低。某些石油、燃料油和润滑油的凝固点较高，因此在卸货之前，必须对其进行 一定程度的加温，才能将货卸至岸罐内。例如大庆原油，凝固点为3 2 ，装船时 3 2 3 8 ，在卸货前要达到4 0 - 4 5 以上才能进行卸货。而且由于其含有较多的蜡和 沥青成分，在卸货的最后阶段必须达到5 0 5 2 ，才能迅速进行扫舱作业，将货油 干净地卸出。 。 在通常运输中因凝固点高需加温的除大庆原油外，还有胜利原油，凝固点为 2 8 ；辽河原油，凝固点为1 7 ；苏门答腊轻油( 米纳斯) ，凝固点为3 2 5 ； 卡塔尔为3 7 5 。有很多原油凝固点很低，卸货时无需进行加温。如阿拉伯轻、 中、重油，凝固点都在一1 5 以下；科威特原油，伊朗原油，凝固点在一3 5 以 下。中东原油的凝固点都很低。 对于原油，在航行途中加热到较高的温度，对卸油是有益的，然而，这并非 意味着可以无限制的加温。加温过高，危害之处有四： ( 1 ) 油温过高会使泵壳温度迅速变热，而泵浦为防止油温过高，一般都有保 护装置，当达到6 5 7 0 时，该装置即接通，泵浦自动停止运转； ( 2 ) 货油温度过高不利于卸货，因为蒸发气体较多，因此会更多地产生汽蚀 现象； ( 3 ) 浪费燃料，在当今能源昂贵的时代，应尽可能节约每一吨燃料； 第l 章绪论 ( 4 ) 油温过高，轻质成分蒸发过多时对油质有影响。 而油温过低，流动性差，影响卸油。因此，在保证良好的流动性的情况下，要计 算出最佳的加热时间。根据每艘船设备和货载情况，摸索出一套安全、易操作、 省时、省燃料的加温规律。有着十分重要的意义。 1 2 文献综述 1 2 1 油轮加热装置和加热方法 货油加热是用锅炉的蒸汽经固定的管系送至货舱舱底设置的加热盘管来进行 的。加热盘管内蒸汽凝结放出大量的热，经盘管壁传递给货油，从而达到加热油 的目的。货油加热要特别注意以下几方面因素【i l ： ( 1 ) 加温与蒸汽消耗 货油加温受很多因素的影响，在航程、锅炉蒸汽量一定的前提下，它受比热、 温差( 加热时油温与加热后油温之差) 和环境温度( 空气温度和海水温度) 等因 素的影响。 货油是靠来自锅炉的蒸汽提供热量来加温的。该热量在加温过程中，一部分 直接用于提高油温，所需热量是取决于比热、装油量和需要的温升数( 或者说是 货油加温开始时油温与加温结束时的油温之间的温度差) 。原油比热基本上是个 常数，货油量在装船后也有固定的温差，由装油自然冷却时间和卸油要求温度决 定，变化范围很小。另一部分热量消耗于散热损失，当油温很高、空气温度和水 的温度很低时，这部分热量将大于温升所需要的热量，一般情况下，敬热损失的 热量占加热所需总热量的5 0 左右。例如，一艘六万吨油船，在水温5 、气温2 的条件下，要使油温从3 5 升至5 5 ，平均每小时消耗蒸汽量为2 0 4 0 4 k g 。这 种情况的发生，主要是没有计算好加热时间( 在正常情况下，例如卸货期固定不 变) ，因而出现了提前升至预定的油温，造成必须继续保温的局面。由此可见要 减少货油加温时蒸汽的消耗，节省锅炉的燃料消耗量。必须准确地计算好加热时 问，采取正确的加热方式，缩短加热时数。 为了防止加温过度，浪费燃料，必须根据保温和卸货温度决定加温的开始时 间或加温的总时数。控制加温的时数，也就是控制加温开始的时间。以中日航线 运输为例，其航程一般为4 天左右。按传统的加温方法，最迟在开航的第二天即 油轮货油加热和保温过程传熟机理研究 开始加温。加温时间甚至长达4 0 个小时以上。结果船到港即已超过了卸货温度， 因而浪费了大量的燃料。 根据在一艘六万吨级油轮的实船实验表明，在加温过程中，油温的上升变化 受很多因素影响，例如：环境温度( 空气水温) ，装船温度，锅炉供给蒸汽量的 多少以及加温时间的长短等等。锅炉供给的蒸汽并未完全用于加热货油。而由于 环境温度等影响，有相当一部份热量被损失掉，时间越长，则损失的热量越多。 而从另一方面，若用大蒸汽量短时间加温，则出现了蒸汽量节省的情况。 实验表明在温升数一定时，供给的蒸汽量越低，加温时间越长，虽然单位时 间内耗油量小，而总耗油量越大；供给的蒸汽量越大，加温时数越少，虽然单位 时间内耗油量大，而总耗油量则越少。 由此可得出结论：高蒸汽量短时间加温节省燃料：低蒸汽量长时间加温则浪 费燃料。因此，为了在加温中不浪费燃料而实现节能的目的，可采用锅炉高蒸汽 量短时间加温的方法。 当然，在决定加温时数时，除了要掌握预计达到的温升数外，还要掌握本船 锅炉在各种供给蒸汽量状态下的加温能力也就是在某种锅炉负荷( 蒸汽量) 状 态下每小时能使货油升温多少度。一般来说，像该实验船( 六万吨级油船) 在全 负荷时锅炉蒸发量为4 0 吨，在8 0 负荷状态并在正常的气象条件下，每小时平均 升温约0 4 加5 。所以，若为夏季中日航线，货油从3 3 ，加温到4 8 ，则在卸 货前3 6 小时开始加温就足够了。但是锅炉一定要达到8 0 的负荷。 如果是高粘度原油或燃料油，则应保证及时提前加温，否则会出现时间来不 及的问题。靠好码头还未达到卸货温度，这样势必会发生卸货延迟，反而会浪费 加温燃料。 一艘载重六万吨的原油油船，当其载满货油时，要升温1 5 时，究竟需要加 温多少小时? 该船锅炉( 蒸发量4 0 吨) 9 0 负荷的情况下，曾用2 8 小时，使油 温升高1 5 。 ( 2 ) 加温方式 在石油运输中，航线不同，航程也不同。在航程较近的航线，大约航行3 4 天，传统的加温方式为一开航即开始进行加温。这是一种马拉松式的加温方法。 锅炉在低负荷状态下运转，供给的蒸汽量控制在很低的水平，以很小的温升幅度 第1 章绪论 进行加温，因而造成了热效率降低，总耗油量大的问题。经验证明这种加温方式 是不可取的。不但加温管理的时间较长，也浪费能源，像这类航线的加温，最好 采用快速加温方式。例如中日航线、在货油装船开航后，可让其自然冷却一天时 间左右，然后以3 0 小时左右的时间进行加温，这样加温方式自然冷却时间短，温 降小，但使用锅炉高负荷运转，供给的蒸汽量大，结果温升大，加热时间短，散 热损失小，锅炉熟效率高而总耗油量减小，实现了节能的目的。 在航程较长的中美航线上运输石油，租船人经常要求保温5 7 。这么长的航 程，如果是从中国港口至美国、要十五六天的时间才能到港。如果每天都要保温 5 7 ，可能要浪费几百吨的燃油，假定每小时耗油1 吨，至少也要浪费1 0 0 吨的 燃油。在这种情况下，可以采取4 5 天加一次温的办法，货主要求保温的目的是防 止货油凝固或者沉淀。只要达到这一目的不见得每天都要加温。一般保持偏高于 货油凝点温度5 左右即可。然后，在抵港前再进行加温一次。如某油轮在委内瑞 拉意大利航线就是这样加温的。 在航程较长的情况下，尤其要注意货油的自然冷却现象。在不对货油实施加 热时，在环境温度即海水温度和空气温度的影响下，将会有规律性地发生自然冷 却。当然寒冷天气或大风浪天气条件下，自然冷却则更为显著。 当货油自然冷却时，舱内货泊温度的变化是不均匀的，如某油轮边舱初始油 温为3 6 ，在空气温度为o 、海水温度为4 条件下自然冷却4 8 h ，在距舱边o 7 米远的油温度没有变化，在距舱边0 2 米以内的油温则下降到接近3 2 ( 大庆原 油凝点温度) ，而且越接近舱边的温度变化梯度越大。靠近舱边油温低于凝点温 度的这部分货油就会形成凝固层，由于油的导热系数很小，这层凝固层相当子在 舱壁上涂一层绝热层。所以，全部油舱平均温度下降很慢，并受外界自然冷却条 件影响较小。 在开始自然冷却时油温为3 6 ，气温为o ，水温为4 ，l o o 小时内平均每 小时降温o 0 9 2 ；1 0 0 小时以后，平均每小时降温o 0 6 6 。当水温为2 0 ，气 温为2 5 ，1 0 0 小时温度只下降4 ，l 。时间越长，温降速度越慢，作为长航线船 舶有必要掌握自然冷却的规律，以便于工作采取相应的措施。并应切记千万不要 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 任其自然冷却至凝点温度以下。如果这样，则会出现加温困难，耽搁卸油。甚至 相反会发生大量消耗燃料的现象。 ( 3 ) 加温时间的计算 采取短时间快速加温方式，在卸货温度己定的情况下，必须准确掌握加热时 间，这是快速短时间加温法最重要的一环，掌握不好，也会造成延误卸货和高消 耗燃料问题。如以往都是凭经验估计加热时间；要么提早加温，到卸货时油温往 往过高，浪费许多燃料，要么很晚才开始加温，待到卸货时油温很低，必然造成 卸货困难，使卸货时间延长。为了解决这些问题，可根据理论研究确定的本船计 算机程序进行计算，即首先将装油量、加温蒸汽量、空气温度、海水温度、初始 温度、预计加温终了温度等变量参数，带入公式，就可计算结果，决定何时开始 加温，以达到尽量缩短锅炉运转时间，最终节约燃料的目的。 对于一艘船舶只靠计算加热时间是不够的，还要注意以下几方面的问题= 一 ( 1 ) 航行期间的保温 保温的目的是防止货油凝固或变质( 沉淀分离) 。利里克原油在低于其流动点5 以下时便会凝结，因此温度保持在5 2 5 7 范围内是必要的。但不必每天都要加 热保温，只要是保持高于流动点5 以上，不会使其凝固就可以了。但正式加温一 定要适时，而且在卸货时要达到5 9 - 6 3 。 某油轮曾从中国装油去美国西部卸油，途中保温加温用去了几百吨燃料油， 这实在是一个巨大的浪费。像中美或美湾欧洲航线，航程在2 0 天左右，无论是 装一般的原油还是燃料油，均应在航程的一半时，加一次温，防止其沉淀分离或 凝固，保证货油质量和顺利卸货。 ( 2 ) 加温顺序控制 加温顺序控制也是很重要的。一般可先从中间舱开始，因为它受海水冷却小， 热量损失很小。而边舱将直接受海水冷却，一开始就同时加温，在加温期间将会 损失较多的热量。 污油水舱在装货的情况下，因其加温阀组多，舱容小，加温温升快，因此不 必急于加温。有的污油水舱在正常加温时每小时上升2 4 ，因此可最后对其加温。 除非其内有多航次堆积的多沥青底油。 第l 章绪论 ( 3 ) 卸货和蒸汽控制 掌握卸货顺序、在卸货时先卸边舱，然后再卸舯舱，这样有助于保持受海水 冷却最小的舯舱中货油的温度。也有助予保持在卸货时边舱的货油温度，从而缩 短卸货时间。 定好卸货计划，合理使用管线和泵浦，以快速的方法全部卸出货油，这样可 减少蒸汽损失，节省燃料。 在卸货的同时，油舱内液位不断下降，应随着液位的降低，逐渐关小加温阀 门，控制油温不要过高，除非油温尚未达到扫舱时的必要温度。油温过商会造成 货油挥发，导致泵汽蚀，另外还会造成泵壳温度上升，到极限时便会停泵，反而 延长了卸货时间和加温时间。 1 2 2 国内外研究状况 国内外学者在油轮货油加热问题进行了一些研究。 大连海事大学殷佩海教授将油轮加热系统节能技术用于确定运输原油的油轮 的货油最佳加热方式，计算最短的加热时间和控制货油的加热温度。用计算机计 算加热时间，进而控制加热温度是该项研究的主要成果。该研究成果确立了用大 蒸汽量短时快速加热是货油加热最佳节能方式，编制了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。只要在计算中输入给定的 变量参数就可计算出所需加热时间和锅炉燃油耗量【2 】。 大连海事大学史际昌教授等为求得油轮货油舱温度场，在简化原油的热物性 参数和边界条件的基础上建立了一个二维模拟“阻容”网络。根据该网络，用“节点 电位法”写出一组温度的差分方程，用微型计算机计算，其结果以表格和髓线的形 式给出。计算的温度场变化情况与实测的基本相符。这对在运输过程中控制原油 加热温度具有一定的参考价值脚。 s i m a r aj 【4 】利用实验的方法测量了3 3 0 0 0 d w t 油轮加热过程中的热损失。 在容积为1 2 0 0 m 3 的n o 5 货油舱侧壁布置了7 0 个测温点和1 l 热流量测量点，并 将所得试验结果与理论值进行了比较，取得了较好的效果。 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 肌g is 【5 】研究了利用蒸气盘管升温的油轮加热过程中的传热计算，得出了 蒸汽盘管的加热效率和舱壁的热损失。 c h e 玛b i uc m ( 洲f h t e r g 乜瞻e n g 妇e 血gc o ) 邛l 研究了容量为3 0 0 0 0 0 d w t 的 f s o 储油罐高粘度原油的储存和装卸问题，计算了保温、加热和卸油过程中的热 损失，得到了简单而有效的计算方法计算了燃油的消耗量和锅炉的热负荷，讨 论了加热油与不加热油对管道输送能力的影响。 曲云海等【刀研究了船用蒸汽锅炉在机舱设备中具有重要的地位，它所产生的蒸 汽除了供给主机作为工质外，尚供给其他各种蒸汽辅机用。即使在内燃机船上， 为了加热燃油、滑油以及在日常生活等方面也需要一些低压的饱和蒸汽，而油船 则因加热货油和驱动货油泵、蒸汽甲板机械以及洗舱等需要大量的蒸汽。锅炉作 为一压力容器，其安全保护措施和正确的操作规程显得十分重要，一旦操作不慎 或保养不良就可能导致爆炸，产生严重事故。 邬权杰8 1 介绍了船用辅助锅炉的检查。船舶动力装置中的主要组成部分船用 蒸汽锅炉的作用，在柴油机动力装置的船舶上，蒸汽锅炉产生的蒸汽主要用于加 热燃油、滑油、工作水、驱动辅机及提供各种生活用汽。这种锅炉被称为辅助锅 炉，其蒸汽参数较低。就以我们平时安检碰到较多的船型货船与油船为例：货船 上，一般装设一台产生饱和蒸汽( 汽压约为o 5 o 8 m p a ) 的辅助锅炉，蒸发量为l 2t i l 。而油船上，因为加热货油、驱动货油泵、锅炉给水泵及各种甲板机械以及洗 舱需要大量蒸汽，所以一般装设l 之台产生饱和蒸汽的辅助锅炉，蒸发量为 2 0 l5 0 t l l 。 1 3 本文工作简介 本文针对大连远洋运输公司的6 8 0 0 0 d 、。、7 2 0 0 0 d w r 和1 5 9 0 0 0 d w r 三种类 型双壳体油轮二十四种原油运输过程中，油舱货油加热、保温的经济方式进行分 析研究，采用理论分析、试验验证和实船应用检验相结合的方式，重点进行了以 下几方面工作： ( 1 ) 建立油轮油舱保温、加热数学模型。 第1 章绪论 根据非稳态导热集总参数法建立油轮油舱数学模型，考虑货油种类、加热蒸 汽参数、航速、海水温度、气温、货油初温和终温等因素对货油加热、保温效果 的影响，确定油舱货油加热、保温过程中最佳的加热方案。 ( 2 ) 研制油轮货油加热、保温计算软件。 基于油轮货油保温、加热数学模型，制作的油轮货油加热经济性分析计算软 件。它适用于大连远洋运输公司的三种双壳体油轮，对货油保温、加热的最佳时 间进行计算。它能有效地提高油轮对货油加热时间计算的工作效率，为确定最经济 的货油加热方案提供依据。 ( 3 ) 试验验证和实船应用检验。 在传热学实验室对计算软件所选用的传热模式的正确性进行验证。将油轮货 油加热、保温计算软件应用到实际油轮的加热和保温过程中，检验计算结果的精 度。 ( 4 ) 各主要因素对加热、保温过程的影响规律分析。 在油轮加热、保温过程中，影响传热效果的因素很多。这些因素可以分为两 类，一是与货油的热物理性质有关，如密度、粘度、导热系数、定压比热、熟膨 胀系数等：二是与外界因素有关，如加热蒸汽参数、气温、水温等。这些因素对 传热效果的影响规律是最经济的加热、保温方式确定的依据。 - 8 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 第2 章油轮货油加热、保温理论模型 2 1 油轮货油加热物理模型 现代大型油船均为双壳体船，在各货油舱的边上都设有专用压载舱，如图2 1 所示。当船舶在压载航行时，舱内货油通过船内壳体、压载水、外壳体向海水放 热；不进行压载时，舱内货油通过船内壳体、空气、外壳体向海水放热；此外， 舱内货油还与舱项的惰性气体发生对流换热，其中惰性气体体积占油舱的2 ，惰 气通过甲板向大气放热。为了避免油温由于上述因素自然冷却到凝点以下而影响 卸油，在舱底还安装了加热盘管。考虑到经济性与实用性，一般对舱内的货油加 热到货油流动点温度以上1 0 。 惰性气体 l 一 f 边舱 油舱 、k 加热盘管 、。 、 j 竺、j n f u u 唑j ， 图2 1 油轮货舱横截面示意圈 f i 9 2 1d i a g r a mo f m i d s h i ps e c t i 在图2 1 中，取货油作为系统，蒸汽加热盎管对货油加热，货油通过四周向海 水和空气散热。这中间发生各种换热，过程非常复杂，为了简化，本文作了以下 假设： ( 1 ) 把所有油舱当作一个整体，忽略油舱内货油的热阻，用集总参数法分析； ( 2 ) 货油热力学参数变化取温度变化范围内的平均值； ( 3 ) 外界的大气和海水取实测的平均值，即：t 。，t 。； 第2 章油轮货油加热、保温理论模型 ( 4 ) 忽略货油内部物理化学因素产生的内热源，忽略边界层原油和石蜡的凝固 潜热； ( 5 ) 对货油进行加热的蒸汽温度为f v = ( 1 出 + 如弥) 2 ，其传热系数为k ，； ( 6 ) 忽略货油与油轮内壳体的对流换热热阻，认为油轮内壳体内侧温度与油温 相等。 2 2 油轮货油加热数学模型 以货油为系统，根据能量守恒方程可得： p c v 要2 k ，a ，( t ，一t ) 一k 。a 。( t _ t w h a 。h ) ( 2 1 ) 其中：v 为油舱总体积；k ，为蒸汽到油的传热系数：k ，和k 。分别为货油到海水 和空气的传热系数：a ，、a 。、a 。分别为加热盘管的外表面积、油舱的侧面积和 底面积之和、油舱的顶面积：、t 、0 、f 。分别为加热蒸汽、油、海水和空气的 温度。 根据式( 2 1 ) 解得时间r 的过程为： p 卯要+ ( k 。a 。+ k 。a ，+ k ，a ， ：k 。a 。+ k 。a 。，+ k 。a d f 。 生。( k ，a ，垦。a ，+ k ，a ，一k 。a 。o + k ，a ，f ，+ k ，a ，f ， 一。一= = - - - 二二二二二二 d t p “卿 令： a ：鉴! 垒! 鉴! 垒! 鉴! 垒! p c v b ：垦! 垒! ! ! 垦s 垒! ! ! 垦：垒! ! ! o c v 堡+ ：b 则： 咖 ( 2 2 ) 求解此齐次方程有： 于= 韶一a f ( 2 3 ) 用常数变易法，将c 换成“并变形得： 拿：，e r 一啦一 油轮货油加热和保温过程传熟机理研究 代入非齐次方程式( 2 2 ) 解得： = b ( 2 5 ) 积分得： p = 丢e t ：旦+ c e 一“ 初始条件： t = o t = t o 则： 。2 。一i t = 罢+ ( t o 一守“ 因此解得： t = 去h 每 如果要求时间t ，必须要首先求得b ，a 。 根据传热学理论，油轮油舱各部分传热过程如下； ( 1 ) 热量从油经过惰性气体，上甲板，传给空气。该过程的总热阻为； j 【_ ：1 _ + l + j k 。a 。亿a 。九a 。九a 。 ( 2 7 ) 式中：惰性气体的换热系数圯按如下方程确定【9 】： 2 孚一 ( 2 r 8 ) n “d = o 0 6 1 ( g 坩p r ) d jg 坩 4 6 1 0 5 ( 2 9 ) 空气的换热系数矗。按如下方程确定： h 。= 阜n u 第2 章油轮货油加热、保温理论模型 n u 。= 0 6 6 4 r e ip r i j ( 2 1 0 ) 上：_ l + 型+ 上j l ：l + 型+ 1 _ k ，a 。h ，a ，2 7 【九t lh 。a 。 ( 2 11 ) 系数h 。【1 0 1 ； h ，：o 0 2 6 5 p r l ；r e 。 r 七，= 鲁 q 。，t + q 。( 言 ； 。：。， 式中：p 。、p ，分别为回水、蒸汽的密度：q 。，q 。1 分别为蒸汽或回水占据整个 货油与加热管外表面的换热系数h 。按如下方程确定1 1 】： h 。= 警 n u 。= o 4 8 ( g r o p r o ) 二 ( 2 1 4 ) 吼：塑掣 ! ：且+ 鱼+ 且+ 上 k 。i a w l九m a 啪i九m ak i + 九。a ia 帅i 九m h 。a 帅1 ( 2 1 6 ) 海水与船体外表面的换热系数h 。按如下方程确定： h 。= 阜n u ， 。= o 6 6 4 r e 。i j ( 2 1 7 ) 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 根据上面的方程式，同时代入参数值得出a ，b 值。进而可以得出时间常数f ，根 据这些参数进行经济性分析，得出理想的研究结论。 2 3 油轮货油保温数学模型 以油为系统，根据能量守恒方程可列等式为： 缈鲁2 - k w a ，( f t ) 一k a ( f 一，d ) ( 2 1 8 ) 式中所有参数与加热方程中参数相同。求解非齐次方程式( 2 1 8 ) 得： f = 击n 鲁 肘 ( 2 1 9 ) m ：鉴! 垒! 垦! 垒! 其中： 删 ：垦! 垒z 生垦! 垒! ! ! 倒 根据上面的方程式，同时代入参数值得出m ，n 值。进而可以得出时间常数t ，根 据这些参数进行经济性分析，得出理想的研究结论。 2 4 油轮货油加热、保温的单值性条件 2 4 1 货油的物性参数 货油密度【1 2 1 ； 岛= 岛。一口( t 一2 0 ) ( 2 t 2 0 ) 其中：反瑚油在t o c 时的密度g c m 3 户货油在2 0 。c 时的密度g ，c m 口货油平均温度系数，见表2 1 ； 第2 章油轮货油加热、保温理论模型 货油比热容 c ，= 了! ( 1 6 8 7 + 3 3 9 1 0 。t ) 尸i j6 其中： c 。货油的比热容，k j ( k g 。c ) n ，6 1 5 6 。c 时的货油密度g c m 3 t 韫度。c 货油的导热系数 气= 等2 - o 0 0 0 s 。t ) 其中：气货油液体导热系数w ( m k ) t 韫度k d 戡1 5 ，6 。c 时的货油密度g c m 3 表2 2 货油热物性参数 t a b 2 2n et h e m o p h y s i c sp 眦m 毗r so f o 1 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) t 油轮货油加热和保温过程传热机理研究 d a q i n g c r u 】) e o 儿 d r u g e n c r u d e o 凡 d i 珉i c r u d eo i l h s f 0 1 8 0 c s t h s f 0 3 8 0 c s t j a t r a n g c r u d e o 儿 l i u h u a c r u d e o l l l s w r l s w r 圆a l n ( p p n ) l s 门t ( d i 订a d n 1 l eb l e n o c r u d eo i l o s e b e r g c r u d eo i l p a t t a n l b l e n d c r u d eo i l o h d c l u i d eo i l r a n o d o n g c r u d eo 【l r 一崩盯 c r u d e o 儿 r u b y c r u d eo i l s u t u d e n c r u d e o i l t o p i s c r u d eo r l w a l l o c r u d eo i l 5 7 o8 2 9 02 0 3 0 2 2 7 8 2 4 71 9 3 6 4 6 o 8 3 8 o1 9 8 9 7 1 29 0 4 3 7 0 09 5 2 o 3 4 如8 3 7 4 4 0 09 2 7 3 6 3 o9 1 3 o 7 1 o9 0 9 5 5 1 o8 9 8 5 4 i i8 3 7 o 5 7 o8 2 9 6 2 5 28 2 9 7 1 9 7 5 1 9 2 4 i 9 5 4 1 8 7 1 1 9 4 4 1 9 6 8 1 9 2 8 3 1 9 7 6 2 0 3 4 1 9 3 7 8 9 8 9 l l 9 1 2 7 3 0 7 3 5 8 7 s 7 4 l 8 0 5 7 9 1 7 9 3 8 8 4 8 9 9 8 7 8 2 0 2 1 3 5 1 9 0 1 8 o 3 8 o 1 3 3 2 3 0 1 4 3 1 4 1 2 1 o 3 4 s 2 4 1 1 6 o o 1 3 2 7 0 1 3 9 8 0 1 3 3 3 o 1 1 8 4 o 1 1 3 0 o 1 3 5 6 o 1 2 1 1 o 1 1 8 6 o 1 1 8 l 0 1 2 3 0 o 1 3 4 8 0 1 3 3 6 o 1 3 9 l 2 5 6 o 1 5 4 o 2 3 8 o 2 7 1 5 1 9 4 5 2 1 8 o 3 2 9 5 2 1 2 7 2 1 3 7 2 9 5 g 4 2 3 3 3 0 0 4 1 8 4 4 3 6 o8 3 1 o1 9 5 69 2 91 7 7o 1 3 3 9 2 1 4 9 5 8 o9 5 5 21 8 9 0 4 4 58 2 2 32 0 0 l 3 5 39 0 7 7 1 8 7 9 4 4 18 4 5 01 9 7 4 5 6 o8 4 1 32 0 1 2 3 6 57 9 6 8 2 0 0 8 3 0 o8 3 2 9 1 9 4 8 7 0 6 8 8 8 7 7 2 8 6 6 8 9 l l o l 9 0 3 2 5 0 2 0 0 2 7 0 1 7 2 2 l o 1 5 0 1 5 2 0 1 1 4 63 2 9 5 o 1 3 6 02 4 2 o o 1 2 4 43 7 0 o 0 1 3 2 62 1 6 0 0 1 3 0 92 7 0 o 1 4 1 81 7 0 0 0 1 3 7 11 7 9 9 焉兰。l 缸ss s ：，：o o s s s sz 他：s 。：蛾s 1 5 第2 章油轮货油加热、保温理论模型 2 4 2 油轮的结构参数 表2 3 为大连远洋运输公司的三种吨位原油轮的结构参数。 表2 3 油轮的结构参数 t 曲2 3t h eg t n l c t u r cp a r a m e t 盯so f t h co j it 如k e 髂 1 6 油轮货泊加热和保温过程传热机理研究 2 4 3 空气及惰性气体的物性参数 表2 4 大气压力下空气的热物理性质旧 t a b 2 4t h et h e m i o p h y s i c sp m p e i e so f t h ea i ru n d e rt l l c 宣t m o s p h e r i cp 陴s 卯他 因油舱内惰性气体为柴油机排气，故惰性气体性质按烟气性质计算。 表2 5 烟气的热物理性质i 2 1 t 出2 5n c t h c 册o p h y s c sp r o p c r t i e so f m cg 罄 2 4 4 海水的物性参数 表2 6 饱和水的热物理性质1 1 以 t a b 2 6t h ct h e