CN105089872B - 强制对流换热的船舶燃油预热系统及其预热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强制对流换热的船舶燃油预热系统，在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；在储存舱一角设置小隔舱，小隔舱中间设置第一隔板，将隔舱Y向一分为二，B管布置在第一分舱中，A管布置在第二分舱中；第一隔板右上角开孔，第二隔板左下角开孔，两孔呈对角布置，A管与预热泵所在管路连通，B管与输送泵所在管路连通，A、B管路各自设置调节阀；A管的下部设有弯头，使其出油口正对第二隔板左下角的孔，第二隔板左下角的孔的孔径大于A管的出油口；B管的流量大于A管的流量。

Description

强制对流换热的船舶燃油预热系统及其预热方法

技术领域

本发明涉及一种强制对流换热的船舶燃油预热系统及预热方法，属于船舶燃油预热技术领域。

背景技术

船舶燃油输送系统中，需要将燃油从储存舱中输送至沉淀柜。储存舱中的燃油一般为重燃油，其粘度随温度不同变化差别极大，温度越高，粘度越低，如某一款重燃油在50℃下粘度为380cSt，而在0℃时接近20000cSt。粘度大会导致输送泵抽吸燃油时阻力大而增加功耗甚至无法泵送，因此有必要对燃油预先进行加热至一定温度以降低粘度再泵送。目前运营船舶重油的传统加热方式是通过在船两侧的燃油舱内布置加热盘管，通过蒸汽加热重油来达到驳运条件，如图1所示。采用加热盘管来加热重油，达到输运条件后，开启阀门，从吸口往外抽吸燃油。这种方式缺点明显：1)能量利用率较低。盘管加热的是整舱燃油，而实际中需要泵送的燃油量相对燃油储存舱容积很小，因此相当部分热量被用来加热不必泵送的燃油，而这部分热量易通过舱壁与外界进行热交换而被浪费。2)会产生较大范围高温区。当储存舱邻近压载舱或货舱时，压载舱壁高温会加速腐蚀的发生，同时也会给对温度敏感的货物，比方谷物，煤炭等带来破坏。3)当燃油液位低于加热盘管的时候，暴露在空气中的盘管会加速燃气挥发并形成硬垢。4)加热盘管布置高度不能太低，当燃油液位完全低于加热盘管的时候，燃油将很难被输送，导致了燃油留存。

为了解决燃油输送系统中加热盘管带来的问题，现有技术中也出现了新型燃油转换装置，其主要设计思想是：在燃油储存舱中设置一个小隔舱，隔舱与储存舱相通，首先往小隔舱中泵入沉淀柜中的高温燃油，预热得到一定量的相对高温燃油，达到泵送条件，然后采用燃油输送泵抽吸燃油至沉淀柜，如此往复循环。图2给出的是燃油储存舱中的隔舱方案示意图。隔舱设计的主要目的是使注入的热燃油尽量主要被用来加热局部区域的冷燃油，且控制被加热的燃油不至于太分散，而是集中在小隔舱内，使被抽出燃油均为相对高温燃油，便于泵送。尽管这种燃油转换装置能较好地避免盘管加热带来的问题，也更节约运营成本，但是也存在缺点——其预热效果的好坏依赖于隔舱方案的设计，不合理的隔舱设计可能导致隔舱内燃油温度分布不均、热油积聚在隔舱上方、冷热油换热不充分、吸口附近油温过低等问题，这将弱化其相对于传统盘管加热方式的优势，运行工况恶化时甚至可能增加运营成本，甚至经济性劣于盘管加热。因此，合理的隔舱方案设计是整个燃油预热系统的关键。

公布日2015年8月5日，公布号为CN104819080A，名称为《一种船舶燃油预热系统及预热方法》公开了一种船舶燃油预热系统，该方案采用了“小隔舱”的形式，对小隔舱内的燃油进行预热，其存在的问题是：

1)燃油预热不均匀：其预热泵和输送泵时交替开启的，当预热泵关停后，输送泵开启，根据热油向上，冷油向下的原理，此时热油位于小隔舱的上部，抽吸输送时，流入管路A中的油温是不稳定的，而且随着时间推移，流入管路A中的油温会有所下降，即使严格控制输送泵和预热泵开启的时间长度，也难以确保油温的稳定性。

2)热油和冷油仅仅依靠热扩散进行换热，换热的效果不佳，油温的控制难度较大。

3)输送泵开启后随着油温降低，粘度增大，功率会有一个逐渐增大的过程，导致电机功率不稳定，寿命受到影响。

4)输送泵和预热泵需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率较低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的采用小隔舱进行船舶燃油预热的方案，燃油预热不均匀；换热的效果不佳，油温的控制难度较大；泵的电机功率不稳定，寿命受到影响；输送泵和预热泵需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率较低。

本发明采取以下技术方案：

一种强制对流换热的船舶燃油预热系统，在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；在储存舱一角设置小隔舱，所述小隔舱中间设置第一隔板2，将隔舱Y向一分为二，B管布置在第一分舱1中，A管布置在第二分舱3中；第一隔板2右上角开孔hole2，第二隔板4左下角开孔hole1，两孔呈对角布置，所述A管与预热泵所在管路连通，所述B管与输送泵所在管路连通，A、B管路各自设置调节阀；所述A管的下部设有弯头，使其出油口正对第二隔板4左下角的孔hole1，所述第二隔板4左下角的孔hole1的孔径大于A管的出油口；所述B管的流量大于A管的流量；所述管A与管B之间通过设有带截止阀的连通管C。

本技术方案对现有技术的带小隔舱的燃油预热系统进行优化设计：

热油注入管A管口对准冷油补充孔hole1。热油注入与冷油补充反向，在开孔处冷热油能充分混合，发生强制对流换热，且注入管口径相对于开孔要小很多，热油基本被冷油包络，使得热量不容易扩散至基本为低温重油的大舱区，高温燃油携带的热量能充分有效用来加热小隔舱内冷油，能量利用率提高。

燃油注抽同时进行。冷油、高温燃油及被加热的燃油三者都处于运动状态，对流换热占据主流，而现存燃油预热方案基本以热扩散为主，对流换热强度和速度要大大高于热扩散，因此，换热效率和程度要明显提高，且经数值模拟验证，待系统稳定运行后，被抽出燃油的温度基本维持在相对较小的范围内，能更好地符合燃油输运条件。

进一步的，第一、第二隔板底部开小孔，作扫舱用；小隔舱上板设置若干透气孔，以保证产生的蒸汽及时溢出。

进一步的，A、B管分别在第二分舱3和第一分舱1中，沿Y方向居中布置。

进一步的，在热油不至于损坏舱底的情况下A、B管口可尽量接近舱底，但不能太近，以免流动阻力过大。

一种强制对流换热的船舶燃油方法，采用上述的船舶燃油预热系统，包括以下步骤：

A)连通管C上的截止阀打开，由预热泵经管B往小隔舱注入t1时间的温度为T的高温燃油流量Qv1；

B)由输送泵经油管B抽吸燃油送至沉淀柜，持续时间为t2，流量Qv1；

C)连通管C上的截止阀关闭，预热泵开启，同时输送泵开启，A、B管路同时运行。

本发明的有益效果在于：

1)绿色节能，降低营运成本。由于只加热部分燃油，且热量被有效利用，与外界热交换减少，符合绿色节能理念，并能有效降低船舶营运成本。

2)避免了由加热盘管带来的结垢、蒸汽泄漏、燃油留存等问题，且免于盘管加热系统的安装、维护。

3)不会因为燃油储存舱温度高而损坏邻近货物，也不会造成压载舱的腐蚀。

4)不同于盘管加热整舱燃油，本设计只需加热局部区域冷油，故比盘管方式加热速度更快，且系统简单、稳定、易操作。

5)对比公布号为CN104819080A中国专利文献中的现有方案，双管设置于两个分舱的设计，A、B两个管路流量不同，及同时注抽方案能有效强化冷热重油间热交换，被加热的燃油温度相对更稳定，可得到更多符合泵送条件的燃油，提高热量利用率。

6)热油和冷油依靠强对流换热，换热的效果更好，油温的控制难度较低。

7)输送泵与预热泵的功率稳定，电机寿命得以提升。

8)输送泵和预热泵无需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率大大提升。

附图说明

图1是现有技术采用盘管加热的燃油预热系统的示意图。

图2是现有技术采用燃油转换装置的燃油预热系统的示意图。

图3是本发明强对流船舶燃油预热系统的示意图的流程图。

图4是本发明强对流船舶燃油预热系统的小隔舱设计示意图。

图中，1.第一分舱，2.第一隔板，3.第二分舱，4.第二隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明具体设计方案如图3所示：在燃油储存舱和燃油沉淀舱之间设置燃油预热和输送两条管路，两管路设置连通。预热管路设置燃油预热泵，从燃油沉淀柜泵送高温燃油至燃油储存舱；预热燃油输送管路设置燃油输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜。两条支路均设置相应方向的截止止回阀。

隔舱方案设计如图4所示：在燃油储存舱一角(邻近无压载舱、货舱等易受高温影响处所)设置小隔舱，其体积大小取决于预热泵排量和柴油机燃油耗量；中间设置一隔板，将隔舱一分为二，A、B管分别布置在两个分舱中，沿Y轴方向居中布置，沿X轴方向偏外板布置，在热油不至于损坏舱底的情况下管口可尽量接近舱底，但不能太近，以免流动阻力过大；第一隔板右上角开孔hole2，第二隔板左下角开孔hole1，即呈对角布置，A管末端接一弯头，使管口对准开孔1；隔板底部开小孔，孔径较小，作扫舱用(暂未标出)；隔舱上板设置若干透气孔(暂未标出)，以保证燃油受热产生的气体及时溢出。

本发明对现有技术的带小隔舱的燃油预热系统进行优化设计：

采用第一隔板将小隔舱Y向一分为二，在第一隔板右上角和第二隔板的左下角开设小孔，目的是在采用体积尽可能小的小隔舱，提高热利用效率的前提下，尽可能提高燃油在小隔舱内移动轨迹的距离，从而提高换热效率，根据高温燃油具有向上流动、低温燃油具有向下流动的特性，油管A、B的出口接近底部，而，第一分舱的出油孔位于右上角，第二分舱的出油孔位于左下角，从而增加热油行走距离，提升冷热油在小隔舱内的换热效果和均匀程度。

热油注入管A管口对准冷油补充孔hole1。热油注入与冷油补充反向，在开孔处冷热油能充分混合，发生强制对流换热，且注入管口径相对于开孔要小很多，热油基本被冷油包络，使得热量不容易扩散至基本为低温重油的大舱区，高温燃油携带的热量能充分有效用来加热小隔舱内冷油，能量利用率提高。

燃油注抽同时进行。冷油、高温燃油及被加热的燃油三者都处于运动状态，对流换热占据主流，而现存燃油预热方案基本以热扩散为主，对流换热强度和速度要大大高于热扩散，因此，换热效率和程度要明显提高，且经数值模拟验证，待系统稳定运行后，被抽出燃油的温度基本维持在相对较小的范围内，能更好地符合燃油输运条件。

本实施方式具有以下特点：

1)由于隔板阻挡作用，高温燃油主要被用于预热小隔舱中的燃油，减少了燃油储存舱与外界的热交换损失，显然比盘管加热方式要节能；

2)主要在小隔舱中形成相对高温区，只要合理布置小隔舱，就基本不会影响到压载舱以及货舱中的货物；

3)不存在加热盘管，故没有结垢问题；

4)本设计中吸口可以放置较低(100mm)，可泵送燃油量只与吸口高度有关，而不受制于加热盘管，故燃油留存问题可显著改善。

5)双管同时运行及开孔、吸口呈对角布置，有效增加冷热油热交换距离并延长了高温热油在隔舱中的滞留时间；更为重要的是，热油注入管对准冷油补入口，冷热油充分混合，强制对流换热，能更有效地促进热交换。目前市场上采用在燃油储存舱布置单管兼做冷油抽出和热油注入交替运行的方案，热油注入末期热油还没有来得及跟冷油换热即被抽出，本发明则很好地避免了这个问题。

Claims (5)

1.一种强制对流换热的船舶燃油预热系统，其特征在于：

在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；

在储存舱一角设置小隔舱，所述小隔舱中间设置第一隔板(2)，将小隔舱Y向一分为二，B管布置在第一分舱(1)中，A管布置在第二分舱(3)中；第一隔板(2)右上角开孔(hole2)，第二隔板(4)左下角开孔(hole1)，两孔呈对角布置，所述A管与预热泵所在管路连通，所述B管与输送泵所在管路连通，A、B管路各自设置调节阀；

所述A管的下部设有弯头，使其出油口正对第二隔板(4)左下角的孔(hole1)，所述第二隔板(4)左下角的孔(hole1)的孔径大于A管的出油口；

所述B管的流量大于A管的流量；

所述A管与B管之间通过设有带截止阀的连通管C。

2.如权利要求1所述的船舶燃油预热系统，其特征在于：第一、第二隔板底部开小孔，作扫舱用；小隔舱上板设置若干透气孔，以保证产生的蒸汽及时溢出。

3.如权利要求1所述的船舶燃油预热系统，其特征在于：A、B管分别在第二分舱(3)和第一分舱(1)中，沿Y方向居中布置。

4.如权利要求1所述的船舶燃油预热系统，其特征在于：在热油不至于损坏舱底的情况下A、B管口尽量接近舱底，但不能太近，以免流动阻力过大。

5.一种强制对流换热的船舶燃油方法，其特征在于，采用权利要求1所述的船舶燃油预热系统，包括以下步骤：

A)连通管C上的截止阀打开，由预热泵经B管往小隔舱注入t1时间的温度为T的高温燃油流量Qv1；

B)由输送泵经油B管抽吸燃油送至沉淀柜，持续时间为t2，流量Qv1；

C)连通管C上的截止阀关闭，预热泵开启，同时输送泵开启，A、B管路同时运行。