（轮机工程专业论文）热油洗舱加热系统的优化设计研究.pdf

摘要 原油运输船或储油平台在原油洗舱后，如果要进行修船或其他舱内作业或换 装油品等应进行海水洗舱来彻底清除舱内的残油。本文就是将对用于海水洗舱和 货油舱加热的热油洗舱加热系统的优化作如下工作： l 、热油作为传热介质比传统的蒸汽优越，因而被广泛应用于许多集中供热系 统。本文中的热油加热系统将为船体部分的货油舱和污油水舱及撇油舱的加热和 保温、机舱油水柜及制淡装置及柴油分油加热器的加热和保温、海水洗舱加热器 服务。为了使热油加热系统能有效工作，本文首先通过计算货油舱的散热量和海 水洗舱加热器所需热量核算了热油加热系统容量。 2 、为了保证洗舱海水能达到足够的温度，洗舱加热器的选型设计显得非常重 要。本文选择了紧凑高效的板式换热器，并通过选型优化计算，选取了合适的单 板尺寸、板片型式和最优的板片数量。最后通过计算确定了热油流量和海水温度 的关系，为海水温度的控制和调节提供理论依据。 3 、进行海水洗舱时，热油系统为货油舱及其他舱室和洗舱加热器提供热油。 作者通过对各热油管路的水力计算确定管路的阻力，按照阻力和流量的关系为合 理解决各管路流量问题提供方案。 4 、文章依据国外压力容器规范对文中选用的板式换热器的受压部件进行了强 度设计并参考相关资料选择了合适的受热元件的材料，对板式换热器的技术和应 用作t d 结，最后总结全文并提出需要解决的问题。 美t 铜l 货油舱散热量i 板式换热鼍；流量分配l 强度设计 s t u d yo no p t i m u md e s i g no ft a n kw a s h i n gs y s t e mh e a t e dw i t h t h e n n a lo i l a b s t r a c t a f t e rc r u d eo i lw a s h i n g ，i fac r u d eo i lt a n k e ro rs t o r a g ep l a t f o r mi st ob er e p a i r e d o rc a r r yo u ts o m eo p e r a t i o n si nt a n k so rc h a n g eo i lb r a n d ，i ts h o u l dc a r r yt h r o u g hs e a w a t e rw a s h i n gt ot h o r o u g h l yr e m o v et h eb o t t o mo i li nt a n k s t h i st h e s i sw i l ld os o m e j o b sa b o u th o wt oo p t i m i z et h et h e r m a lo i lt a n kw a s h i n gs y s t e ms e r v i n gt a n kw a s h i n g a n dc a r g oo i lt a n kh e a t i n ga sf o l l o w s ： 1 a sh e a tt r a n s f e rm e d i a m ，t h e r m a lo i l i ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a ls t e a m s oi t s w i d e l yu s e di nm a n yc e n t r a lh e a t i n gs y s t e m s t h et h e r m a lo i lh e a t i n gs y s t e mi n t h i s t h e s i ss e r v e sc a r g oo i lt a n k s ，s l o pt a n k s ，s k i mt a n k s ，t h eo i l yw a t e rt a n ki ne n g i n er o o m ， s e aw a t e rd e s a l i n a t i o nd e v i c e , c e n t r i f u g a lo i ls e p a r a t o ro fd i e s e lo i la n ds e aw a t e r w a s h i n gh e a t e r t om a k ei ts e r v em o r ee f f i c i e n t l y , t h i st h e s i sf i r s t l yc h e c k st h ec a p a c i t y o ft h i ss y s t e mt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h eh e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yo fc a r g oo i lt a n k sa n d t h eh e a tn e e do f s e aw a t e rw a s h i n gh e a t e r 2 t h et y p ea n dc a p a c i t yc h o i c eo fs e aw a t e rw a s h i n gh e a t e ri sv e r yi m p o r t a n tt o g u a r a n t e et h et a n kw a s h i n gs e aw a t e rr e a c h i n ge n o u g ht e m p e r a t u r e t h et h e s i sc h o o s e s t h ec o m p a c ta n de f f e c t i v ep l a t et y p eh e a te x c h a n g e ra n ds e l e c t sp r o p e rp l a t ed i m e n s i o n ， p l a t et y p ea n do p t i m u mp l a t eq u a n t i t yb yd e s i g nc a l c u l a t i o n ，a n df i n a l l y , e d u c e st h e r e l a t i o n a le x p r e s s i o nb e t w e e nt h e r m a lo i lf l o wa n ds e aw a t e rt e m p e r a t u r ew h i c ho f f e r s t h e o r e t i c a lr e f e r e n c e sf o rt h es e aw a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o la n dr e g u l a t i o n 3 w h e nc a r r y i n go ns e aw a t e rw a s h i n g ，t h et h e r m a lo i ls y s t e ms e r v e st h e r m a lo i l t oc a r g oo i lt a n k s ，o t h e rt a n k sa n dt h et a n kw a s h i n gh e a t e r t h ea u t h o rc a l c u l a t e st h e r e s i s t a n c eo fe a c ht h e r m a lo i lp i p ea n dt h e np r o v i d e sm e a n st os o l v ep i p ef l o wc o n t r o l q u e s t i o n sa c c o r d i n g t ot h er e l a t i o n sb e t w e e nr e s i s t a n c ea n df l o w 4 t h et h e s i sg i v e st h es t r e n g t hd e s i g nf o rc o m p r e s s e dp a r t so ft h ep l a t et y p eh e a t e x c h a n g e rc h o s e na c c o r d i n gt op r e s s u r ev e s s e ls t a n d a r d so v e r s e a sa n ds e l e c t ss u i t a b l e m a t e r i a lf o r t h eh e a t e dp a r tt h r o u g hc o n s u l t i n gc e r t a i nd a t a ，t h e nb r i e f l ys u m m a r i z e st h e t e c h n i q u ea n da p p l i c a t i o na b o u tt h ep l a t et y p eh e a te x c h a n g e r , i nt h ee n d ，s u m m a r i z e s t h i st h e s i sa n db r i n g sf o r w a r ds o m eq u e s t i o n sn e e df u r t h e rs o l u t i o n s k e yw o r d s ：h e a td i s s i p a t i n gc a p a c i t yo fc a r g oo i lt a n k s ；p l a t et y p eh e a te x c h a n g e r ； f l o wd i s t r i b u t i o n ；s t r e n g t hd e s i g n 大连海事大学学位论文原刨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， 撰写成博士硕士学位论文! 垫池选舱加热丞统鲤也焦遮进鲤塞：。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：条型f 犯j f 年3 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 不保密町( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：条型陋导师签名：维违巾 日期：7 6 年3 月q 日 第1 章绪论 原油在运输和储存过程中，其中的石蜡、沥青等重质有机物和泥渣等杂质会沉 淀在舱室的舱壁、舱底和水平构件上。卸货结束后，这些物质不能随液态原油一 起卸出而成为残油，久而久之，变成油脚大量堆积在油舱内。油脚占据舱容，而 且使舱内作业无法进行，因此要对其进行清除“，。 1 1 洗舱技术 1 1 1 原油洗舱的含义 原油洗舱( c r u d eo i lw a s h i n g ) ，是指以船舶所载货油中的一部分原油作为洗 舱介质，在卸货的同时或两卸货港间的航行途中，通过洗舱机以较高压力喷射到 货油舱内表面，依靠原油本身的溶解作用，将附着在舱壁、舱底及各构件上的油 渣清洗掉，并同货油一起卸到胃! 上。 1 1 2 原油洗舱的历史背景 以前洗舱时都使用海水。为了在油船坞修时将油渣、油脚等完全洗除并卸至岸 上，仅凭使用海水洗舱需要很多费用和作业时间，随着船体的巨型化，争取油船 的营运时间，缩短停船时间是油船公司急需解决的问题。 7 0 年代初期，美国埃克森( e x x o n ) 公司开始试验使用石脑油溶解舱底油脚， 作为原油舱清洗油脚的方法，取得了令人满意的效果。但是，这种洗舱方法势必 要浪费大量的石脑油。为此，该公司于1 9 7 4 年利用本公司的船只开始试验用转载 的原油取代石脑油，在卸货的同时进行洗舱，取得了同样良好的结果。 与此同时，英国石油公司( 冲) 在1 9 7 2 年也着手对使用原油洗舱进行了研究， 并于当年9 月和1 1 月分别在本公司的船上进行实船实验，结果良好。之后，1 9 7 3 年1 月，一艘在日本干叶、德山两港口卸油的该公司巨型油轮，为了进厂坞修， 在卸油时和在千叶开往德山港的途中进行原油洗舱，获得了可观的效果。 在当时，固定式洗舱机和惰性气体系统都已安装在大型原油船上，因此不必担 心在洗舱时，由飞沫等引起的静电放电危险。 美国埃克森公司和英国石油公司都在1 9 7 4 年内结束了原油洗舱的试验，1 9 7 5 年制订了原油洗舱的操作手册，并对定期航行的油船也开始要求实施原油洗舱。 1 9 7 5 年8 月，日本海水保安厅也以内部通报的形式公布了原油洗舱和卸货安全 指导书作为标准，并允许在日本国内船上采用这一技术。1 9 7 8 年2 月，国际海 事组织( i m o ) 召开了“关于油舱安全和防止海洋污染”的联席会议，以法规的形 式规定了新造油船必须设置专用压载舱( s b t ) 和原油洗舱设备。1 9 8 3 年7 月，我 国大连远洋公司的六万吨原油船“昆明湖”轮首次在日本姬鹿港实施原油洗舱， 其后，原油洗舱技术开始在我国推广实施“。 1 1 3 原油洗舱的特点 对于原油船来说，原油洗舱与传统的海水洗舱相比有以下方面的特点”“”1 ： 1 ) 减少残油薰 由于在卸货的同时已进行了原油洗舱，使粘着在货油舱内表面及舱底的油渣被 清除干净，并同货油一起卸到岸上，因此，较传统的卸油方法，残油量大幅度减 少。以2 1 5 0 0 0 d w t 的巨型油船( v l c c ) 为例，用传统的卸油方法，残油量可达1 0 0 0 - - 2 0 0 0 吨，而经原油洗舱后，则减少到3 0 0 吨左右。 2 ) 消除油脚，增加载货量 在过去，因货油舱内舱底的残油、油渣等长时间大量堆积，形成了一定的油脚。 在计量油量时，是要将油脚扣除的。因而损失了大量的舱容不能利用。通过原油 洗舱，使舱内没有机会产生油脚，从而增加了载货量。 3 ) 防止海洋污染 原油洗舱后，舱底油脚和残油减少，可使为清洁压载或修理等目的进行的海水 洗舱作业时问缩短，于是含油污水和乳浊液的存量都大为减少，从而污染海洋的 程度比以前大幅度降低。 4 ) 减少进坞前海水洗舱时间和费用 过去油船在进坞前只用海水洗舱，再进行掏舱，然后将大量的污油水和掏出的 油渣等处理给污油水船或排到岸上，花费大量的时间、人力和物力，还有巨额的 处理费用，若进行原油洗舱，可洗除用海水难以洗除的油渣，从而使用海水洗舱 和掏舱的工作量会大幅度降低，所需的时间( 船舶的滞留时间) 减少，处理费用 也减少了很多。 5 ) 卸油时间长 由于船舶锅炉负荷的限制，使最初的洗舱阶段一方面用于原油洗舱作业，一方 面用于卸货作业，因而降低了卸货效率，其次，在洗舱卸货的最后阶段，因洗舱 介质是货油本身，且在洗舱的任何阶段都必须保证洗舱管路的压力和用于扫舱的 喷射器的驱动压力，因而需要一定量的新鲜货油在船上以用来洗舱，以致必然要 控制卸货速率。其结果是同样延误了卸货时间，以“昆仑湖”轮( 6 5 ，0 0 0 t ) 为 例，若进行原油洗舱一般要延长5 小时左右。 6 ) 劳动量增加 因在卸货期间，额外增加了原油洗舱作业，因而船员的劳动量增加。 从上述原油洗舱特点可以看出原油洗舱技术的优越性，因此( 7 3 7 8 防污公约 附则i 规定，凡2 0 ，0 0 0 d w t 及其以上的新造原油油船，必须装设原油洗舱系统“”“。 1 1 4 海水洗舱 在原油洗舱后，如果要进行修船或其他舱内作业或换装油品等应进行海水洗舱 来彻底清除舱内的残油。海水洗舱，是指从舷外泵入的海水经过加热后或不加热， 通过洗舱机以较高压力喷射到货油舱内表面，依靠海水的冲刷和溶解作用，将原 油洗舱后残留在货油舱内表面的原油清洗掉。 下面是一个用热介质油加热洗舱海水的洗舱系统简图( 图1 1 ) 。 图1 1 洗舱系统简图 洗舱用原油来自货油舱，通过洗舱泵和管路到货油舱内洗舱机入口；而对于洗 舱海水支路，海水从舷外泵入海水洗舱加热器，加热后送到洗舱机入口。 目前，许多新造原油运输船和储油平台放弃了用蒸汽来加热油舱和洗舱海水的 系统而采用热油加热系统。作为加热介质，热油可以在低压的条件下达到较高的 温度，这对加热管路要求较低且能达到较好的加热效果：另外，对于蒸汽加热管 路，如果出口有蒸汽出来，那么这部分蒸汽的气化潜热没有被利用，白白浪费掉 了；或者，如果流入泵中是汽水混合物，容易造成泵的损坏。而热油加热不存在 这样的问题，因为其在整个系统通路中始终以单相，即液体的形式存在；还有， 在管理上，热油加热管路系统相对比较简单，省去了蒸汽管路系统中需要定期投 药等问题。 1 2 热油洗舱加热系统 1 2 1 热油洗舱加热系统的组成 热油洗舱加热系统主要由洗舱机、洗舱泵、洗舱水加热器和洗舱管路四大部 分组成1 1 “。 1 2 1 i 洗舱机 洗舱机是洗舱的赢接设备，在较大型的油船上均装有固定式洗舱机，其中较 小的舱室( 如s l o p 舱) 配备移动式洗舱机。而一些旧船和一些小型的油船，则全 部配备移动式洗舱机“。 1 移动式洗舱机 移动式洗舱机一般为双喷嘴型，由主体和喷嘴组成。其材料为不会产生火花 的金属。在工作时，喷嘴与机体一起回转，这样可实现舱内无遗漏、均匀地得到 清洗的目的。在设计上，喷射液体流动轨迹不重复，并随着清洗旋转循环周数的 增多，喷射水流轨迹间的间距也逐渐变小，从而避免了清洗不均的问题。洗舱机 洗舱时，由从海中抽上来的海水( 洗舱水) 来驱动。洗舱水在必要时要加热到1 8 0 下( 约8 2 c ) ( 通常情况下原油舱洗舱水温度不超过6 0 。c ) 。通常，同时使用洗舱 机为2 6 个，这主要根据泵的排量和管系的尺寸决定。 洗舱机的洗舱水是由相接的橡胶软管供给的，橡胶软管与甲板的固定管系相 连接。橡胶软管由耐油耐热的橡胶制成，内部夹有两根金属丝，其目的是使软管 4 具有导电性能。软管的使用压力不应超过1 4 x1 0 6 p a 。图1 2 为移动式双喷嘴洗 舱机工作原理图。 图1 2 双喷嘴洗舱机工作原理图 1 一进口法兰；2 一o 型环；3 一螺栓；4 一端盖；5 一洗舱机本体；6 一轴承：7 一大齿轮；8 一涡 轮轴：9 一涡轮机叶轮；1 0 - - 蜗杆；1 1 、1 2 一蜗轮；1 3 一大齿轮；1 4 - - t j 、齿轮；1 5 一喷嘴；2 9 一导向叶片 2 固定式洗舱机 由于油船及其油舱的大型化，从6 0 年代末期就开始在较大型油船上安装舱内 固定式洗舱机。固定式洗舱机的特点是喷射量大，喷射距离远，因而大幅度降低 了洗舱作业的劳动强度。而且在船舶摇摆时洗舱机照样能够工作。但由于舱内结 构上的原因，有些区域用这些固定式洗舱机是清洗不到的。所以有些船上除在甲 板上装有固定式洗舱机外，还在一些结构复杂的舱内( 尤其是边舱) 装一些潜式 洗舱机( 安装在舱底) ，此外还备有移动式洗舱机，并在甲板上留出一些洗舱孔。 固定式洗舱机种类很多。但其大部分都是通过甲板上固定的洗舱管系与货油 泵排出管路或洗舱海水管路相连接并使之工作的。 固定式洗舱机的驱动方式有三种：空气式、海水式、原油式。 固定式洗舱机又分为双喷嘴式洗舱机和单喷嘴式洗舱机。 ( 1 ) 双喷嘴式洗舱机 双喷嘴式洗舱机主要由固定在上甲板上的齿轮箱，穿过甲板进入舱内的导管 和转轴，以及安装在其下端的转体和喷嘴等组成。甲板上的棘轮与转轴和转体直 接相联。装在甲板齿轮箱内的液压往复活塞通过棘轮传动使转体在水平方向上回 转；同时，附在转体上的喷嘴座则是通过蜗轮蜗杆机构传动，在垂直方向上慢慢 地回转，因此，喷嘴也就会向所有的方向喷射高压水，从而使舱内的所有内壁得 到清洗。 双喷嘴式洗舱机有以下缺点： a ，由于有两个喷嘴，因而使喷射液体流不集中，清洗效果差。 b ，难以控制喷嘴的喷射方向。 c ，由于其安装位置大都在甲板以下4 - - 5 m ，非常靠近上部，在清洗重点的底 部时，清洗时间长，同时，洗舱污水也增加。 d ，不适合于多段式原油洗舱，比如在上部清洗时，由于其两个喷嘴，一侧喷 嘴在清洗上部时，另一侧必然清洗下部，这样下端造成了时间和喷射液体 的浪费。因而与单喷嘴式洗舱机相比较，尤其是在清洗原油舱时，双喷嘴 式洗舱机受到了很大的制约。 ( 2 ) 单喷嘴固定式洗舱机 图1 3 为单喷嘴式洗舱机原理图。 6 与双喷嘴式洗舱机相比较，单喷嘴固定式洗舱机具有很多优点。这种洗舱机 压力高，易于控制，并可实现多段清洗，有些型号还可以定点喷射。随着原油洗 舱方法的广泛采用，这样的洗舱机越来越占有优势。 单喷嘴是洗舱机种类也较多，现以h y t a em a r k i i 型为例，简单说明其构造 和运转原理。 这种洗舱机主要由齿轮箱、往复运动机构和喷嘴机构组成。洗舱机喷嘴的转 动( 包括水平方向的转动和俯仰角度的位移) 是通过压力液体驱动的往复运动机 构来实现的。压力液体作用在往复运动机构内的活塞顶部，使活塞底部的弹簧承 受压缩、拉升张力。活塞往复运动的导向作用是由导阀在导管里实现的。洗舱机 的转体部分连同喷嘴一起借助于与驱动装置相配合的齿轮箱内棘轮带动传动轴转 动和喷嘴水平方向的转动。与此同时，棘轮再通过锥形齿轮驱动传动轴转动并带 动喷嘴作垂直方向的上下摆动。所以这一传动机构要同时完成上述喷嘴的两个运 动动作，使洗舱机喷射轨迹呈现为螺旋形复合曲线。喷嘴水平方向转动速度可通 过调整驱动液体流量来控制，但垂直( 俯仰角度) 方向的变化为每水平转动一周， 喷嘴下降或上升2 7 7 。( 3 6 0 1 3 0 。) 。 指示器 齿轮 g e a r 水流聚合器 j e t s t r a i g h te n e r 喷嘴 n o z z l e 图1 3 单喷嘴式洗舱机原理图 t 1 21 2 洗舱泵 在洗舱系统中，原油洗舱部分的驱动原油来自货油泵出口；海水洗舱部分则 需要专门的洗舱泵，且一般消防泵作为备用泵。对洗舱泵的要求是：泵浦的排量 必须在任一时刻都大于所用洗舱机的排量。当使用一至两台洗舱机时，水泵的容 积裕量应在1 0 左右；当同时使用4 个或4 个以上的洗舱机时，其容积裕量应为 5 。为了有效地从舱底和肋板上清除掉残存物，泵浦的输出压力必须稳定在 0 9 8 m p a 1 2 7 4 m p a ( 1 0 k g c m 2 1 3 k g c m 2 ) 区间内。标准洗舱机的排水景变化取 决于喷射水压力和喷嘴尺寸。图1 4 为洗舱机排量压力曲线。 图1 4 洗舱机排量压力曲线 1 2 1 3 洗舱水加热器 一般选择结构紧凑、效率高的板式换热器，详见第三章。 1 。2 1 4 洗舱管路 洗舱管路包括原油洗舱和海水洗舱两条支路。原油支路由货油泵出口敷设， 而海水管路从船底海水吸入口开始，经由洗舱泵，洗舱海水加热器，两支路在甲 板上汇合，沿着甲板敷设至最前面的舱( n o 1 舱) 。然后用较小的分支管线分送到 各货油舱的固定洗舱机。洗舱管线必须能在大约1 4 7 m p a ( 1 5 k g c m 2 ) 压力下工作， 且能输送水泵最大排量的水而不引起太大的压力损失。这样可避免无效的清洗。 为了监视运行状况，通常在管线的重要部位安装温度计和压力表。 洗舱管系设计的一般原则： 1 、洗舱过程中液货舱底部洗舱水排除应保持畅通，以减少洗舱静电积聚。通 常从被清洗液货舱内抽出的洗舱污水量取为洗舱水量的1 2 5 左右。 9 2 、洗舱水量一般按洗舱系统中拟定同时清洗工况的总水量选取。即洗舱泵( 包 括洗舱水加热器) 的容量必须满足同时投入洗舱作业的洗舱机总台数的总排量。 3 、洗舱管系的管径通常可根据洗舱泵的排量和管内清洗介质的流速，按下式 确定： d 5 4 q f i n x 矿3 6 0 0 ) ( m ) 式中d 一洗舱管通径( m ) q 一洗舱泵排量( m 3 h ) v 一洗舱介质的流速( m s ) 洗舱泵吸入管段流速取1 5m s 左右。 洗舱泵排至洗舱机管段流速取2 5m s 左右。 4 、洗舱管系设计必须进行详细的管系阻力计算，以保证洗舱机所需的喷嘴前 压力( 洗舱机工作水压力) 。 5 、由机舱引往液货区域的洗舱水供给管必须沿上甲板敷设，不得直接贯穿机 舱与( 液货) 泵舱分隔舱壁。且该段管路上必须装有止回阀和盲通法兰( 或活动短 管件) 。 6 、与固定式或手携式洗舱机相连接的洗舱水支管必须装有截止阀和盲通法 兰。 7 、由洗舱水加热器至洗舱机和洗舱管的材料通常采用与液货管等同的材料， 例如采用内表面特涂处理无缝钢管或不锈钢管3 1 6 l 等。洗舱水海水吸入管采用一 般海水管，例如铜镍合金管或无缝钢管( 镀锌) 。 1 2 2 热油洗舱加热系统 参考图1 - 1 ，原油洗舱管路从货油泵出口出来后，敷设至海水洗舱加热器后与 海水管路汇合。两条支路汇合前各装一个截止阀，当进行原油洗舱时，海水管路 关闭；进行海水洗舱时，原油管路关闭，这样可以顺利地进行切换。汇合后的总 管路沿着甲板敷设至货油舱最前舱，然后由较细的分支管路送至各舱洗舱机入口。 海水是从海底阀由洗舱泵泵入船舶内的，然后进入洗舱加热器进行加热，加热后 也与原油管路汇合。 本文讨论洗舱加热器的加热介质为热介质油( 热油) ，加热器形式为板式换熟 l o 器。传统的组合形式为蒸汽加热的管壳式热交换器。比如，一般的化学品船采用 的就是典型的蒸汽加热管壳式热交换器。 为了使液货舱清洗工作顺利进行，扫舱泵或喷射泵是必不可少的，因为在海 水洗舱过程中，持续不断地有含油污水产生。而原油洗舱过程中。清洗下来的油 渣等随工作原油一起由货油泵排出。在洗舱过程中，必须主要保持系统中的任一 滤器清洁。对于洗舱工作，喷射泵是最有效的工具，因为它允许大块的蜡质固体 直接从舱内通过它排出舱外，这样就避免了人工清除垃圾的劳动。 1 3 本论文主要研究内容和意义 因为目前有些洗舱系统的海水加热不到所要求的湿度，从而使洗舱时间加长， 耽误其他作业时间，这样就会导致延误船期，延误维修等，最终导致经济损失。 这种后果主要是由于用于海水加热的热油洗舱加热器的容量不足或整个热油加热 管路布置不合理导致的。 具体可以表现为： 1 、热油加热系统总容量不足( 热油锅炉容量不足) 。 2 、热油海水洗舱加热器本身设计存在缺陷，如加热面积不足，流动线路不合 理等。 3 、热油加热管路布置不合理，使流经热油海水洗舱加热器的热量( 表现为流 量) 不足而导致加热器加热能力不足，从丽使海水达不到所要求的温度。 本论文主要研究内容为： 1 、针对确定的船舶或平台，核算热油加热系统总容量。 2 、利用现有的换热器设计璞论和设计经验选择合理的热油洗舱加热器设计参 数来设计满足洗舱要求的热油洗舱加热器。最终使海水到达原油舱内的洗 舱机入口处满足温度和压力要求，达到良好的洗舱效果。 3 、寻求合理的管路布置优化方案，使熟油加热管路流量分布合理，从而达到 热油洗舱加热器所需的流量。 本文是从一个工程实际问题出发的。某钻井平台的洗舱海水加热系统效果很 差，洗舱海水塞本得不到很好的加热，极大地降低了洗舱效果和效率。由于所有 新造油轮都将有洗舱系统，因此，设计合理有效的洗舱系统很具有现实意义。本 文旨在完成上述三项内容，优化设计容量符合使用要求，结构合理，强度足够的 热油洗舱加热器；优化洗舱管路布置方案，使热油加热管路流量合理分布，使整 个洗舱系统能够有效使用。 第2 章热油锅炉容量 从热油锅炉分出的各自独立的管路分别为船体部分的货油舱和污油水舱及撇 油舱的加热和保温、机舱油水柜及制淡装置及柴油分油加热器的加热和保温、洗 舱加热器和原油泄放舱及蒸汽发生器服务。 2 1 传热介质的选择 在海洋石油平台( 浮式生产贮油船) 的上部设旒中，许多系统或设备都需要供 给热量，包括：洗舱水加热器、贮油舱、柴油柜等等。对于这些不同负荷要求， 不同温度要求的热用户，为了保证平台的安全，节省平台空间，提高燕个开发工 程的能源利用率、节省建造和操作费用，大多数平台上都采用集中供热的加热系 统来满足要求。 集中供热加热系统的主要过程就是通过传热介质的流量和温度调节把热源输 出的热量传给不同要求的热用户。传热介质的选择是该系统设计的重要一环。就 目前我国海域内已经建成或在建设的海洋石油平台或浮式生产贮油船来看，使用 的传热介质的种类也是不一样的，如涠l o 一3 油田采用的蒸汽，渤中2 8 1 和渤中 3 4 2 4 油田采用的是矿物油( m o b i l 5 9 4 ，y i ) 一3 0 0 ) ，锦州2 0 一2 凝析油气田采用的是 合成油( t h e r m n o l5 5 ) ，涸1 1 4 油田采用的是l - - - 醇加水。虽然传热介质及其相 应系统的设备的投资占整个工程总投资的比重是较少的，但选择适当的传热介质， 从而保证加热系统的安全、精确、长久稳定地运行，这对于整个平台的安全生产 却是十分重要的。本文拟对传热介质的选择作如下讨论“4 “3 。 1 、对传热介质的要求 作为加热系统中传递热量的介质，其主要物性要求如下： ( 1 ) 在常压下汽化点较高；( 2 ) 凝固点较低；( 3 ) 热稳定性较好、使用寿命长； ( 4 ) 传热性能较好；( 5 ) 在整个使用温度范围内粘度较低( 包括启动状态) ；( 6 ) 蒸汽 比热焓较高；( 7 ) 对设备材料腐蚀性较小，( 8 ) 无毒无臭：( 9 ) 对杂质的敏感性较低 ( 如不易氧化) ：( 1 0 ) 着火可能性较小；( 1 1 ) 泄漏时对环境造成的危害较小；( 1 2 ) 废弃时容易被处理；( 1 3 ) 价格便宜。 没有任何一种介质能完全满足以上各项要求，所以就要全面考虑实际工程中 各相关因素，从而做出最为恰当的选择。 2 、不同传热介质的优缺点 ( 1 ) 水蒸汽水蒸汽被用来作为传热介质已有很长历史，标准的蒸汽加热系统 设计已趋成熟，陆上的应用也很广泛，针对在海洋石油平台上的使用，水蒸汽有 以下优缺点： 优点：1 ) 传热系数较高：2 ) 在2 0 个大气压2 1 5 以下，压力温度对应关系 较好；3 ) 潜热高；4 ) 热稳定性好；5 ) 不可燃：6 ) 无毒；7 ) 能满足平台上其他要求： 例如蒸汽扫线，清洗甲板。 缺点：1 ) 加热温度越高，压力就越高，造成系统设备管线费用增加，重量增 加，而且有爆炸危险；2 ) 蒸汽系统需要增加水处理装置( 淡化、软化) ；3 ) 蒸汽系 统操作维修费用相对较高；4 ) 由于在汽水分离器和疏水冷却器中存在热量损失， 所以系统热效率降低；5 ) 对管线有腐蚀性；6 ) 操作中系统调温不易作到精确，且 需要人工值班。 ( 2 ) 水( z i 二醇加水) 优点：1 ) 传热系数比较高；2 ) 热稳定性较好；3 ) 不可燃、无毒：4 ) 粘度低； 5 ) 系统中不需要汽水分离器和冷凝器；6 ) 腐蚀性比蒸汽小；7 ) 温度控制比水蒸汽 精确。 缺点：1 ) 系统需要加压，而且温度越高压力也越高，所以加热温度通常最高 只能选到1 l o 1 4 0 c 左右；2 ) 系统中需要增加水处理装置( 淡化、软化) ，但补 充曩通常比蒸汽系统少；3 ) 同热油相比，对管线有腐蚀性；4 ) 需要人工值班。 通常在水加热系统中加入定量的乙二醇，其所起的作用主要是防冻，从而 可以使介质的最低使用温度达到0 以下。 ( 3 ) 热油热油作为传热介质已经逐步得到广泛的应用。 优点：1 ) 在较高的温度下，系统仍保持较低的压力；2 ) 系统中不存在相变， 热效率较高；3 ) 由于加热温差增大，所以受热面积减小；4 ) 不需要水处理装置 且系统设备结构紧凑，故能减少所占平台面积和重量；5 ) 对管线无腐蚀作用；6 ) 可以无人值班，且调温更精确。 缺点：1 ) 热油及其系统的初投资都比蒸汽和水及其系统要高；2 ) 传热系数比 水低；3 ) 热油是一种可燃物，且有刺激性，当泄漏时应注意安全；4 ) 温度较低时 粘度高。 热油大致可分为两种，矿物油和合成油，其中矿物油是从石油中获取的，由 不同碳氯分予组成的混合物；合成油是由芳香族的同分异构体组成的化合物。从 热稳定性来看，组成矿物油的产品组分不确定，物性有一定差别，因而就应在一 定安全系数内来确定其稳定性范围；丽合成油有明确的组分，故其热稳定性较好。 所以矿物油一般限制其最高膜温在3 5 0 c 以下，而合成油使用温度和膜温可高达 4 0 0 以上。在正常操作情况下，用允许使用温度范围相同的矿物油与合成油相比 较，矿物油的平均使用寿命大约是3 5 年，每年系统的热油补充率为5 1 0 ， 合成油的平均使用寿命大约是5 8 年甚至更长，每年热油补充率在5 以下。但 矿物油来源广，价格便宜是其较大的优点。 3 、热介质选择步骤 ( 1 ) 根据平台主工艺参数建立逐年( 或逐日) 的平台热负荷及用户用热温度图 表；( 2 ) 确立设计热负荷和用户最高用热温度；( 3 ) 确立加热炉进出口设计温度； ( 4 ) 不同热介质的评估和选择，为热介质加热系统设计提供基础数据。 例：某平台经计算熟负荷为3 0 0 0 k w ，炉出口操作温度2 5 0 c 。 因炉出口操作温度较高，盥然水( 乙二醇加水) 不宜被采用，主要作热油与水 蒸汽的对比。从费用上来看，若本平台开发周期为1 0 年左右，则蒸汽系统比热油 系统要高出约1 5 2 5 倍。 总之，因为热介质油的诸多优点，用它来作为传热介质已经成为许多用户的 选择。 2 2 油舱的保温 我们知道，由于原油的倾点高，粘度大，所以，为了保证货油舱里的原油顺利 在目的港卸出，需要对油舱进行加热和保温，使其粘度降低，达到货油泵可处理 的范围。 2 2 1 热量传递的基本方式 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射n o m 州”3 。 1 、导热 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自有电子等微观粒子 的热运动而产生的热量传递称为导热( 或称热传导) 。 导热现象的基本规律为傅立叶定律，即： 中：一从坐2 1 d x 公式反映的是两个表面均维持均匀温度的平板沿着高温向低温矢量方向x 传 递热量的关系。其中，a 为平板面积；五为比例系数，又称导热系数；热流量， 表示单位时间内通过某一给定面积的热量。 单位时间通过单位面积的热流量称为热流密度，记为q ，单位为w m 2 。则， q = o a 2 2 2 、对流 对流是指由于流体的宏观运动，从而流体各部分之间发生相对位移，冷热流 体相互渗混所引起的热量传递过程。对流仅能发生在流体中，而且由于流体中的 分子同时在进行着不规则的热运动，因而对流必然伴随有导热现象。 对流就引起流动的原因可分为自然对流、强制对流、沸腾和凝结。 对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式： 流体被加热时 q = h ( t 。- t f ) 2 3 流体被冷却时 q = h ( t f - t 。) 2 4 式中，t ，及t ，分别为壁面温度和流体温度，。比例系数h 称为表面传热系 数，单位是阡( 2 k ) 。 3 、热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式称辐射。物体会因各种原因发出辐射能， 其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。 为了更好理解辐射换热，先定义黑体的概念。所谓黑体，是指能吸收投入到 其表面上的所有热辐射能的物体。黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中 是最大的。 黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩一玻耳兹曼定律揭示： 巾= e a d t 42 5 式中：t 一一黑体的热力学温度，k ； 盯一斯忒藩一玻耳兹曼常量，即通常说的黑体辐射常数，它是个自 1 6 然常数，其值为5 6 7 1 0 8 w ( m 2 k 4 ) ； a 一辐射表面积，m 2 。 一切实际物体的辐射能力都小于问温度下的黑体。实际物体辐射热流量的计 算总可以采用斯忒藩玻耳兹曼的经验修正形式： = c a o - t 4 2 6 式中，s 称为该物体的发射率，其值总小于i 。 2 2 2 货油舱物理犊型 大气 惰性气傩 _ - 逸 h o 3 左舱n o 3 右舱 迦 舱 舱 海 水 ，、八r 八八、，、厂、 图2 i 货油舱横剖面图 如图2 1 ，取货油作为系统，热油加热盘管对货油加热，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 ： f 由于实际卸货时各舱液货温差不大，因此本文忽略了货舱问的纵向传热， 认为舱内纵向温度分布均匀，所以我们只对横向二维温度场进行计算； ( 2 ) 由于原油粘度大，流动性差，因此加温时设舱内液货相对静止，不存在流 动，传热方式只考虑导热； f 3 1 原油热力学参数变化取温度变化箍围内的平均值； f 4 1 忽略原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o f 5 1 忽略油舱内油的导热热阻，把所有油舱当作一个整体，可用集总参数法分 析。 2 2 3 货油舱散热量计算 以图2 1 中n o 3 左舱为例。货油舱尺寸：纵向长度上= 4 0 m ；横向宽度曰= 1 6 2 m ；垂直高度= 2 3 6 m 。压载边舱厚度为6 米；货油舱装油充满度按9 5 计算， 顶层惰性气体层厚度为2 3 6 x 5 = 1 1 8 米。 1 、货油向图2 一l 从右至左穿过压载舱方向( 如下图2 2 ) 的散热量“”“”“。 海 7 k 镰 热流密度 。、叫 t i e - t ：4t 3 t 七1 y l 图2 2 热流密度流向示意图 货油通过赞油舱壁钢板、压载边舱空气层和船壳钢板向船外海水散热。货油 在保温时可以近视认为油温不变，压载舱内空气不受外界干扰，因此，此传热过 程为自然对流传热。 压载舱空间的高度与厚度之比芸：笔墨：3 9 1 1 ，所以本传热过程属于大空 口。 间恒壁温自然对流传热，其传热系数有如下形式的特征数关联式： n u ，= c ( g r p 睨 式中：函一一格拉晓夫数，g r ：g a v e ： 矿 a v 一一气体的体积膨胀系数，对于理想气体唧= 1 瓦，k 。 f 一一对流传热温差，流体被加热时f = f 。一，流体被冷却时血= k t 。， k 。 f c 一一特征尺寸，m 。 v 一一运动粘度，m = s 。 c 和n 一一由试验确定的系数和指数。 下角标m 一一表示特征温度为，。= 去( ，。+ 乞) ，t w 为壁面温度，为远离壁 面处的流体温度。 下面计算货油舱壁向压载舱内空气散热的对流传热系数： 压载边舱中心温度为f 0 ：毕：2 2 + ，4 0 ：3 1 ，即海水和货油温度的数学 均值，贝l l t o = 乞。 9 8 x 鬲i _ 杀。i 万i 。( 4 0 一3 1 ) 2 3 6 3 ( 小婴拦舞二o - ，o o 踟瞅州2 ( g r p r ) ，在1 0 。和l o ”之间，c 和 的试验值分别为0 1 0 和去。 n u 。= c ( g r p 巩= 0 1 0 ( 9 。6 3 x 1 0 “) 3 = 2 1 2 7 对流传热系数啊= 半= 丝掣：2 4 5 w ( m 2 - k ) 和以上步骤类似，船壳冷却压载边舱内空气的对流换热系数为： ( g r p r ) 。- - - - 1 1 6 7 x 1 0 1 2 ( g ，p r ) ，在1 0 9 和1 0 ”之间，c 和 的试验值分别为0 1 0 和。 胁。= c ( g r p 哦= 2 2 2 8 对流传热系数啊= 2 4 9w ( m 2 k ) 所以从货油到海水的总换热系数k 为： 耻噜+ 去+ i 1 + 争= c 半+ 去+ 去+ 百0 0 0 2 ) - l 乩2 s s 叭， 横向散热量q 1 = 墨4 馘= 1 2 3 5 x 4 0 x 2 3 6 x ( 4 0 2 2 ) = 2 0 9 8 5 w 2 、货油向图2 t 从下往上穿过惰性气体层的散热量： 本储油船为静止状态，当环境风速为零，即大气流速为零时，货油舱顶部甲 1 9 板向空气的散热为大空间自然对流传热：货油向惰性气体层的散热为有限空间自 然对流传热。设寒冷工况时外界大气温度为1 8 。 图2 3 为货油穿过惰性气体层散热示意图。 大气 i 制数 - 隋性气俸 ，一、 一 货油 q 图2 3 货油穿过惰性气体层向大气散热 货油温度= 4 0 ，大气温度= 1 8 ，钢板温度为t s 。t s 将会对惰性气体 层和钢板向大气散热的传热系数计算产生影响，考虑到货油向惰性气体和钢板向 大气传热的传热系数不会有太大的差距，即两者中的温度梯度差不太多，因此先 假设t = 2 9 2 。这样就可以计算对流传热关系武的数值大小，又不会使关系式数值 产生数量级上的误差，从而能正确选出n u 关系式。 a 、钢板向大气散热的对流传热系数： 。：鳖壶悉喾d 。川- ， 则c 和 的试验值分别为。1 5 和三3 。 胁。叫沪0 1 5 筹( t ，- 1 8 炉1 - 2 1 8 6 ( 8 声 传热系数啊：型争益：2 1 8 6 ( t , - 面1 8 玎) j i x 2 f 6 2 x 一1 0 - ：= 2 0 4 ( 一1 8 ) ；w ( m 2 k ) i b 、货油向惰性气体层散热的对流传热