油船貨油艙蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

當(dāng)油船裝運(yùn)高黏度的油品時(shí)，例如原油，這種流體在常溫下由于黏度太大而不易處理，為了保證較順利地卸油，必須加溫使得貨油黏度降低，因此用蒸汽盤(pán)管來(lái)升高這些液體的溫度，降低它們的黏度獲得具有較高的流動(dòng)性的流體，以便可以容易地被泵送。對(duì)于30萬(wàn)t級(jí)的VLCC，如果每個(gè)貨油艙都需要加熱，則一條船需要約12 km長(zhǎng)的管路，是一個(gè)比較大的工程，如果布置不合理，一方面將造成能效的損耗，另一方面也有可能使得管路系統(tǒng)過(guò)早損壞，從而增加返修和維護(hù)成本。所以考慮通過(guò)對(duì)油船貨油艙加熱系統(tǒng)的行分析，探討船舶加熱系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)方法。

1 加熱方式

油船多采用艙內(nèi)加熱方式，即采取在油艙內(nèi)設(shè)置熱交換管路或設(shè)施進(jìn)行加熱。。

1.1 蒸汽加熱盤(pán)管

加熱盤(pán)管的直接加熱方式目前仍然是船舶上應(yīng)用最廣泛的方式，它主要是將來(lái)自鍋爐的飽和蒸汽，通入預(yù)先布置在貨油艙底部和艙壁上的加熱盤(pán)管中，通過(guò)浸沒(méi)在貨油中的這些盤(pán)管中的蒸汽與貨油進(jìn)行換熱，然后冷凝成水后，輸送回?fù)舨氐哪裰?，再用水泵輸入回鍋爐。

1.2 加熱桶

蒸汽加熱桶最近幾年在外高橋船廠開(kāi)始應(yīng)用，目前主要用于燃柴油系統(tǒng)。與加熱盤(pán)管的原理相似，只是在被加熱介質(zhì)中的換熱方式不同，見(jiàn)圖1，將參與換熱的蒸汽加熱面積集中在一個(gè)桶狀的容器中，比加熱盤(pán)管方式可以節(jié)省更多的空間，從而更適于布置在空間狹小的區(qū)域。不同尺寸的加熱桶對(duì)應(yīng)等效于一定長(zhǎng)度的某種規(guī)格長(zhǎng)度的加熱盤(pán)管，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)蒸氣加熱計(jì)算所需的長(zhǎng)度，在對(duì)照表選用合適的等效加熱桶。

圖1 加熱桶示意

2 設(shè)計(jì)依據(jù)和選型

2.1 加熱量計(jì)算

油品的保持溫度主要取決于黏度，通常加熱到運(yùn)動(dòng)黏度為30～40 mm2/s的溫度即可保證流動(dòng)性，而對(duì)于原油洗艙的系統(tǒng)則要求更高(一般采用洗艙加熱器)，需要達(dá)到20 mm2/s左右。另外還要看航線(距離長(zhǎng)采取到港加熱，距離短采取長(zhǎng)時(shí)間保溫)、港口和貨主的需求來(lái)確定。加熱量計(jì)算[1-3]主要是獲得蒸氣耗量[4]、加熱面積(即管子的總外表面積)，從而根據(jù)面積選用口徑換算出管子長(zhǎng)度。采用傳熱公式[5]可以計(jì)算出熱輸出，估計(jì)蒸汽耗量。目前各國(guó)計(jì)算方法基本相同，只是系數(shù)選用上有所差異。這種算法雖然不是非常精確，但使用這種方法得到的數(shù)據(jù)對(duì)船舶加溫需求來(lái)說(shuō)的精度已經(jīng)足夠。

2.2 材料

加熱管通常選用無(wú)縫鋼管，鋼管口徑一般在DN32～DN50之間，其材質(zhì)可以通過(guò)表1或根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選取。

表1 材料對(duì)照表

2.3 長(zhǎng)度及分組

加熱計(jì)算得出的總長(zhǎng)度需要分成幾組，每組長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)，其極限長(zhǎng)度可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式算得，管子越大，則可以選用更長(zhǎng)的管路，一般DN40口徑的管子極限長(zhǎng)度為100 m左右，DN50為130 m左右。分組數(shù)一般最小不能小于2組，以保證加熱系統(tǒng)的靈活性，在其中一組發(fā)生故障時(shí)，其他分組可以繼續(xù)工作。

2.4 管路連接

宜采用焊接連接方式，一般用套筒形式，并在系統(tǒng)交驗(yàn)時(shí)做密性試驗(yàn)，以確保貨油不會(huì)滲漏到管路系統(tǒng)中。同時(shí)可以通過(guò)機(jī)艙凝水集水柜的觀察鏡及時(shí)檢查是否有浮油，從而判斷加熱管是否有滲漏。

2.5 疏水閥

在蒸汽加熱系統(tǒng)中，疏水閥不可或缺，能夠阻止蒸氣的排出，并在需要時(shí)排出凝水和不凝的氣體，使得蒸汽在艙內(nèi)盡可能地干燥，最大程度地地利用熱能。

常用的疏水閥類型和區(qū)別見(jiàn)表2[6]。

表2 疏水閥優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)合上述疏水閥的特點(diǎn)，宜選擇熱動(dòng)力型疏水閥。因?yàn)榭紤]到船舶油艙加熱，屬于深艙加熱，蒸汽的輸入和凝水的回收不便于從艙室底部引入，則蒸汽閥組必然設(shè)置在主甲板上，熱動(dòng)力型可以很好地防止解凍，并且抗水錘能力強(qiáng)，可以避免影響整個(gè)系統(tǒng)的壽命，減少維護(hù)難度；同時(shí)疏水閥本身噪音的產(chǎn)生不會(huì)對(duì)周遭環(huán)境造成影響，可以方便地檢查到疏水閥是否正常工作。

一般應(yīng)選用圓盤(pán)式蒸汽疏水閥，見(jiàn)圖2。它是典型的熱動(dòng)力型疏水閥，通過(guò)進(jìn)口處冷凝水(箭頭所示)與壓力室(④和⑨所圍成的空間)蒸汽壓力差控制開(kāi)啟閥盤(pán)④，從而排出冷凝水到凝水回收管路。實(shí)際在二次蒸汽的原理下，其蒸汽損耗量比較小，可以充分發(fā)揮疏水閥的作用。選型時(shí)必須注意，由于船舶主甲板可能受到外界環(huán)境影響變化較大，例如酷熱、暴曬和寒冷，這必然會(huì)對(duì)變壓室的控制介質(zhì)產(chǎn)生較大影響，致使閥門(mén)開(kāi)啟收到延遲或過(guò)頻現(xiàn)象，所以，宜選用空氣保溫形式，即通過(guò)圖中③和②所形成的空間進(jìn)行保溫，從而使這種疏水閥更適用于的船舶加熱系統(tǒng)。

圖2 圓盤(pán)式蒸汽疏水閥

2.6 管路補(bǔ)償

由于管路是在環(huán)境溫度下安裝的，在工作時(shí)，由于溫度上升，必然導(dǎo)致管路膨脹，所以需要設(shè)置必要的管路補(bǔ)償措施[7]。

1)主管可以設(shè)置波紋管或膨脹彎管。膨脹彎管適用于環(huán)境有足夠空間的情況下，例如，蒸汽管布置在管束單元邊上，則膨脹彎需水平布置在外側(cè)，垂直布置不利于疏水，應(yīng)避免。

2)艙內(nèi)加熱管通過(guò)彎曲的盤(pán)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，管夾應(yīng)采用滑動(dòng)式，利于管路伸縮變形。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 蒸汽供給管和凝水總管

3.1.1 總管疏水

蒸汽管道中總會(huì)產(chǎn)生冷凝水，如果不能及時(shí)排除，將積聚在管道中導(dǎo)致水錘和沖蝕問(wèn)題。一般從蒸汽源送入到總管末端，宜向末端傾斜，以保證所有凝水能夠在末端進(jìn)行排放。但由于船舶艉傾，這種布置不宜保證，所以蒸汽的設(shè)計(jì)流速不能太高，并且蒸汽總管和凝水總管可與其他管路組合水平布置在主甲板上。另還必須在主甲板上總管上設(shè)置足夠的疏水點(diǎn)，以充分排除冷凝水，每個(gè)疏水點(diǎn)蒸汽總管和凝水總管可以共用，只是凝水總管不需要經(jīng)過(guò)疏水閥，可以直接排出，見(jiàn)圖3。

圖3 疏水閥布置方式

為了防止水垢和雜質(zhì)進(jìn)入疏水閥，可以在總管進(jìn)入疏水閥前，設(shè)置一個(gè)集水槽(見(jiàn)圖4)，并且冷凝水排水口要在集水槽底部以上一定距離，集水槽底部可設(shè)置盲板法蘭從而便于清理。凝水管路由于不經(jīng)過(guò)疏水閥，所以不必如此設(shè)置。

圖4 集水槽布置方式

從避免凝水聚集的角度考慮，總管的布置宜盡可能平直，以下幾方面需要注意。

1)如果設(shè)置膨脹彎對(duì)管路進(jìn)行補(bǔ)償，這些膨脹彎不能向下布置。

2)異徑接頭可采用偏心向下的異徑接頭，使得凝水在管壁底部沒(méi)有蓄積可能。

3)前面提到的集水槽不宜設(shè)置過(guò)多，并且冷凝水出口要距離集水槽底部不能太遠(yuǎn)，避免系統(tǒng)中產(chǎn)生過(guò)多凝水積聚。

3.1.2 進(jìn)艙分支管路

由于蒸汽主管底部可能聚集冷凝水和雜質(zhì)，所以為了獲得干燥的蒸汽，進(jìn)艙分支管路宜從主管頂部獲取蒸汽，從側(cè)面接出也可以。下降管在截止閥前要放置一個(gè)泄放閥，用于在閥門(mén)再次開(kāi)啟式，積聚在低位閥前的冷凝水可以被排放干凈。同樣道理，為了不使得凝水總管中的凝水，通過(guò)凝水收集分支，回流到疏水閥組，凝水回收分支也應(yīng)該從頂部介入凝水總管，形式與蒸汽管路一致。

3.2 艙內(nèi)加熱盤(pán)管

為了防止積水，從蒸汽下艙到凝水回收到艙外的疏水閥組，管路應(yīng)逐級(jí)向下，中間應(yīng)避免產(chǎn)生可能積水的回路，需要考慮以下布置原則[8-9]。

1)蒸汽從艙頂引入下艙后，應(yīng)逐級(jí)向下，在底部區(qū)域盤(pán)好后回升到艙頂疏水閥(見(jiàn)圖5)。蒸汽管分組和凝水收集管分組的布置順序可按照?qǐng)D6的方式布置。

布置方式 布置方式

2)防止汽鎖措施。

要解決汽鎖問(wèn)題，有必要在凝水聚集點(diǎn)專門(mén)設(shè)置一個(gè)便于形成水封的裝置，并且同時(shí)減小上升管的口徑，通常上升管要至少比艙內(nèi)加熱管小一檔，從而使得上升管內(nèi)的蒸汽更快地凝結(jié)，更容易地形成水封(見(jiàn)圖7)，這樣，既避免蒸汽連續(xù)地跑到凝水前面去關(guān)閥，又可以及時(shí)形成水封保證冷凝水持續(xù)輸送到疏水閥處，從而排到回收系統(tǒng)。

圖7 水封示意

3)考慮到船的艉傾，盤(pán)管應(yīng)按照?qǐng)D8原則設(shè)置，圖9的方法是不合適的，管子靠艉方向容易產(chǎn)生積水。

圖8 正確的加熱盤(pán)管布置方式

圖9 錯(cuò)誤的加熱盤(pán)管布置方式

4)對(duì)于比較小的艙加熱盤(pán)管可均勻布置在艙底。SLOP艙一般艙底平面比較小，則加熱盤(pán)管可設(shè)置多層布置在斜底和立壁上，對(duì)于配備雷達(dá)式測(cè)深裝置的，還要注意避開(kāi)聲波覆蓋區(qū)域。對(duì)于不便于攤開(kāi)布置的區(qū)域，可以設(shè)置更多層數(shù)。為了便于維修和更換，多層的盤(pán)管單元不宜設(shè)置過(guò)大，否則單元中間部位的施工將很難操作。對(duì)于高的單元，可設(shè)置小寬度以便于側(cè)面操作；對(duì)于很寬且長(zhǎng)的單元，則高度必須受到限制，一般以500 mm以下為宜，人可以進(jìn)入安裝和維護(hù)。

5)對(duì)于空間大的貨油艙，每組加熱盤(pán)管不足以做到艙底大面積的均布，可以在每隔一檔區(qū)域各設(shè)置一組加熱盤(pán)管單元，每組單元一般根據(jù)加熱長(zhǎng)度和布置面積設(shè)為1～2層。

6)為了避免振動(dòng)等原因?qū)е履Σ翐p壞或產(chǎn)生火花，應(yīng)保持與結(jié)構(gòu)或其他舾裝件一定距離，一般設(shè)為100～150 mm。

7)吸入口周圍可設(shè)置一圈盤(pán)管，以保證卸油順暢。

8)管子直段不能過(guò)長(zhǎng)，否則無(wú)法補(bǔ)償管子受熱變形而產(chǎn)生的膨脹?？赏ㄟ^(guò)在過(guò)長(zhǎng)的直管上設(shè)置直角彎管或Ω形彎管吸收膨脹。對(duì)于加熱盤(pán)管單元，應(yīng)保證延管長(zhǎng)方向一側(cè)或兩側(cè)膨脹不受限制(見(jiàn)圖10)，并且延管長(zhǎng)方向的彎管部位不能夠放置支架。

圖10 加熱盤(pán)管支架布置方式

9)加熱盤(pán)管應(yīng)盡量靠近平臺(tái)或梯子，以便于維護(hù)和檢查；在平臺(tái)附近布置的加熱盤(pán)管要充分考慮人行走空間，高度以保證1 800 mm為宜，寬度上凈空間要達(dá)到600 mm左右。