1 研發(fā)背景

目前,國內(nèi)有關(guān)燃油或滑油加熱僅有的計算程序，一為油輪加熱系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)，一為管式加熱爐傳熱計算程序。前者確立了用大蒸汽量短時快速加熱，是貨油加熱最佳節(jié)能方式，編制用計算機(jī)準(zhǔn)確計算加熱時間及控制加熱溫度的計算程序和原油油輪貨油自然冷卻平均溫降表和加熱時間表，建立了用數(shù)值方法計算油輪貨油艙溫度場方程式。后者適用于煉油廠各種燃油燃?xì)夤苁郊訜釥t的傳熱及受熱面各項參數(shù)設(shè)計計算，并可有效地模擬煉油廠常用加熱爐的實(shí)際情況[1]。這兩個加熱程序，與船舶燃油艙及滑油艙的加熱計算均無關(guān)聯(lián)?；诖朔N現(xiàn)狀，我們自主開發(fā)了油艙蒸汽加熱計算程序。

2 程序概述

油艙加熱計算程序適合于船舶燃油艙、滑油艙及其它液艙的蒸汽加熱系統(tǒng)計算，尤其適合于液艙眾多、形狀各異的大型水面船舶的相關(guān)計算。它根據(jù)“油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計算方法”(CB/T3373-91)，利用Visual Basic 6.0編程軟件進(jìn)行設(shè)計[2]，采用“事件驅(qū)動”編程機(jī)制，支持動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)、對象的連接和嵌入(OLE)、ActiveX Automation，以及可在應(yīng)用程序中訪問和控制具有標(biāo)準(zhǔn)COM接口的其他應(yīng)用程序，如Office等[3]。

本程序?qū)Y(jié)構(gòu)變化復(fù)雜的油艙具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，給出的油艙圖例有19種，對于程序中未曾涉及到的復(fù)雜油艙結(jié)構(gòu)，使用者也可以通過程序設(shè)置的“其他油艙結(jié)構(gòu)”窗口進(jìn)行操作，并更加貼合實(shí)際地設(shè)置油艙周圍環(huán)境，然后進(jìn)行加熱時間、蒸汽流量以及蒸汽管道(加熱盤管)的計算等后續(xù)計算。

每次計算的管件的具體參數(shù)，最后都會以Excel表格的形式，詳盡地展示給用戶，便于用戶進(jìn)行多步計算后，對所輸入的參數(shù)以及相應(yīng)的結(jié)果一目了然[4]。

另外，為了方便用戶的使用，本軟件還添加了水及水蒸氣熱力性質(zhì)的計算子程序，免去了用戶在使用水及水蒸氣熱力性質(zhì)參數(shù)時查表的不便。用戶還可以自行擴(kuò)充蒸汽管道數(shù)據(jù)庫，在實(shí)際工作中，通過工作積累不斷地完善蒸汽管道的相關(guān)參數(shù)。

3 程序功能介紹

油艙加熱程序主要包括油艙結(jié)構(gòu)計算、加熱時間計算、蒸汽流量計算以及蒸汽管道設(shè)計計算四大部分，如圖1所示。

圖1 油艙加熱計算子程序界面

3.1 油艙結(jié)構(gòu)計算

在油艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計里，使用者首先根據(jù)油艙的結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)的選項，然后系統(tǒng)會根據(jù)所輸入的值進(jìn)行相關(guān)的計算，給出油艙的總表面積以及總?cè)莘e等相關(guān)的參數(shù)，為下一步的計算設(shè)計做準(zhǔn)備。其界面見圖2。

圖2 油艙結(jié)構(gòu)計算界面

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有船舶的油艙結(jié)構(gòu)，本程序提供了18種不同的油艙結(jié)構(gòu)供用戶依照實(shí)際情況進(jìn)行選擇計算。

考慮到計算油艙的各艙壁周圍的環(huán)境不同，如有的艙壁周圍為海水環(huán)境，有的為空氣，還有的為隔壁油艙。在不同的情況下，艙壁傳熱系數(shù)不同，而傳熱是計算加熱時間時的一個重要參數(shù)，因此在計算油艙結(jié)構(gòu)時，程序設(shè)有“油艙環(huán)境設(shè)置”這一功能。點(diǎn)擊此功能出現(xiàn)如圖3所示界面。

圖3 油艙環(huán)境設(shè)置

從界面上可以看出，油艙的周圍環(huán)境可能處于與海水、大氣、水艙、油艙以及機(jī)艙五種中的一種或幾種。針對每一油艙壁，選擇其所處的環(huán)境，然后分別點(diǎn)擊界面左側(cè)的5個功能鍵，從而顯示出與相應(yīng)環(huán)境條件相鄰的油艙壁面積。

界面下端的功能鍵有分別連接油艙加熱時間計算、蒸汽流量計算以及蒸汽管道設(shè)計計算，點(diǎn)擊后便會進(jìn)入所提示界面，數(shù)據(jù)會隨之導(dǎo)入，以便進(jìn)行后續(xù)計算。

3.2 蒸汽流量計算

蒸汽流量計算中用到蒸汽及管道參數(shù)(進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長度、盤管排數(shù)等)、燃油參數(shù)(燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫)、油艙參數(shù)(與周圍環(huán)境接觸面積、周圍環(huán)境溫度、預(yù)設(shè)加熱時間等)和環(huán)境參數(shù)(大氣溫度、海水溫度)。

其中已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油參數(shù)、油艙參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、預(yù)設(shè)加熱時間。需經(jīng)過測量計算得出且具可改性的有：燃油體積、油艙參數(shù)(圖4)。

圖4 蒸汽流量計算界面

3.3 蒸汽管道設(shè)計計算

蒸汽管道的計算是在已知蒸汽管道部分參數(shù)、蒸汽參數(shù)、油艙及環(huán)境參數(shù)以及預(yù)設(shè)加熱時間的前提下進(jìn)行的，目的是為了計算加熱管道總長度，見圖5。

圖5 蒸汽管道設(shè)計計算界面

此計算中用到蒸汽及管道參數(shù)(進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長度、盤管排數(shù)等)、燃油參數(shù)(燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫)、油艙參數(shù)(與周圍環(huán)境接觸面積、周圍環(huán)境溫度、預(yù)設(shè)加熱時間等)和環(huán)境參數(shù)(大氣溫度、海水溫度)。

其中已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油參數(shù)、油艙參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、預(yù)設(shè)加熱時間。需經(jīng)過測量計算得出且具可改性的有：油艙參數(shù)。

3.4 加熱時間及管道膨脹量計算

加熱時間的計算分為兩種情況，一種是在蒸汽量一定(即輸入蒸汽參數(shù)一定，如進(jìn)口蒸汽、出口凝水的物性參數(shù)、蒸汽需求量等)時計算燃油達(dá)到指定溫度所需的加熱時間；另一種是在加熱面積一定(即盤管的加熱面積一定)時計算加熱時間。兩種計算的前提不一樣，為操作者提供可選性，見圖6。

圖6 加熱時間及管道膨脹量計算界面

加熱計算的同時伴有管道膨脹量的計算。用到的參數(shù)為：盤管橫向長度、盤管縱向長度、鋼材單位線膨脹量，其中盤管橫向長度和盤管縱向長度為已知且具可選性。鋼材單位線膨脹量可查相關(guān)資料。

4 計算原理

油艙加熱計算程序不僅可以對不同油艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行面積計算，還能計算出加熱時間、蒸汽流量并進(jìn)而進(jìn)行蒸汽管道的設(shè)計計算。由于算法眾多，相應(yīng)計算公式也就較多，本文僅以加熱面積一定時求取加熱時間為例，進(jìn)行計算原理說明[5]，其余計算原理不再贅述。

加熱面積一定時求取加熱時間所用到的參數(shù)如下：

1) 蒸汽及管道參數(shù)，包括進(jìn)口蒸汽溫度、出口凝水溫度、蒸汽管道外徑、單排管道長度、盤管排數(shù)、管道傳熱系數(shù)；

2) 油艙及環(huán)境參數(shù)，即油艙體積及艙壁面積、油艙外部介質(zhì)及溫度；

3) 燃油參數(shù)包括燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫；

4) 油艙參數(shù)是指與海水接觸面積、與大氣接觸面積、臨水艙接觸面積、臨油艙接觸面積、臨機(jī)艙接觸面積、隔壁水艙溫度、隔壁油艙溫度、隔壁機(jī)艙溫度，油艙滿度；

5) 環(huán)境參數(shù)，即大氣溫度、海水溫度；

以上參數(shù)中是已知的且具可選性的有：蒸汽及管道參數(shù)、燃油密度、燃油比熱容、加熱前油溫、加熱后油溫、隔壁水艙溫度、隔壁油艙溫度、隔壁機(jī)艙溫度、環(huán)境參數(shù)，燃油體積。需經(jīng)過測量計算得出且具可改性的有：油艙體積、與海水接觸面積、與大氣接觸面積、臨水艙接觸面積、臨油艙接觸面積、臨機(jī)艙接觸面積。

另外在加熱的同時還伴有管道膨脹量的計算。所用參數(shù)，如鋼材單位線膨脹量，鋼材單位線膨脹量可查相關(guān)資料[6]。

加熱面積一定時求取加熱時間計算公式如下：

式中

m0=md×ρ×v0

其中

Kh×Ah=Kh1×Ah1+Kh2×Ah2+Kh3×Ah3

Kh×Ah×θh=Kh1×Ah1×θh1+

Kh2×Ah2×θh2+Kh3×Ah3×θh3

式中，tr為所需加熱時間，h；m0為油的質(zhì)量，kg；c0為油的比熱容，J/kg·℃；Ks為加熱管道的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/m2·℃；As為加熱管道總表面積，m2；Kw為水線下與海水接觸散熱面的傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Aw為與海水接觸面積，m2；Ka為水線上外板傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Aa為水線上外板面積，m2；Kh1為臨艙(機(jī)艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah1為臨艙(機(jī)艙)隔壁面積，m2；Kh2為臨艙(水艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah2為臨艙(水艙)隔壁面積，m2；Kh3為臨艙(油艙)隔壁傳熱系數(shù)，W/m2·℃；Ah3為臨艙(油艙)隔壁面積，m2；L為加熱盤管總長度，m；θ0為加熱前油溫，℃；θr為加熱后油溫，℃；θs為加熱蒸汽平均溫度，℃；θw為海水溫度，℃；θa為大氣溫度，℃；θh為臨艙溫度，℃；md為油艙滿度。

同時在此附有管道膨脹量的計算，鋼材的單位線膨脹量計算公式為：

et=0.001 28×(θ-100)+0.092

式中，et為鋼材的單位線膨脹量，cm/m。

整體膨脹量公式：

U=L×et

則管道的膨脹量在常溫下膨脹量為：

et1=0.001 28×(θ0-100)+0.092

加熱溫度下膨脹量為：

et2=0.001 28×(θr-100)+0.092

5 計算實(shí)例

計算實(shí)例仍以加熱面積一定(10×4.5×1.6 m3的矩形油艙)求取加熱時間為例。已知參數(shù)如下：

1) 油艙及環(huán)境參數(shù),包括燃油密度925 kg/m3、燃油比熱容800 J/kg·℃、加熱前溫度2℃、加熱后油溫20℃、海水溫度0℃、船外大氣溫度0℃、隔壁水艙溫度2℃、隔壁油艙溫度2℃、隔壁機(jī)艙溫度5℃、油艙滿度80%；

2) 蒸汽管道參數(shù)包括加熱管道進(jìn)口蒸汽溫度164℃、加熱管道進(jìn)口蒸汽壓力0.7 MPa、加熱管道出口凝水溫度60℃、加熱管道出口凝水壓力0.02 MPa、盤管長度420 m；

3) 與環(huán)境接觸總傳熱系數(shù)包括隔壁為海水6.98 W/m2·℃、隔壁為油艙5.82 W/m2·℃、隔壁為大氣8.72 W/m2·℃、隔壁為機(jī)艙5.82 W/m2·℃、隔壁為水艙5.82 W/m2·℃。

雙擊圖標(biāo)進(jìn)入軟件首界面，選擇“油艙加熱計算”，進(jìn)入油艙蒸汽加熱計算程序。求取加熱時間時選擇“加熱時間的計算”，點(diǎn)擊確定，進(jìn)入油艙加熱計算子程序的主要操作界面(圖7)。

圖7 加熱面積一定時加熱時間計算界面

輸入加熱面積時，油艙的體積點(diǎn)擊“鏈接油艙結(jié)構(gòu)計算”按鈕，進(jìn)入“油艙結(jié)構(gòu)計算界面”進(jìn)行油艙面積計算(圖8);點(diǎn)擊油艙環(huán)境設(shè)置，即可計算出油艙與各個環(huán)境接觸面積(圖9)。最后點(diǎn)擊“鏈接加熱時間計算”，油艙與各個環(huán)境接觸面積就會自動導(dǎo)入加熱時間計算界面中，見圖7。

圖8 油艙面積計算

遇到水及蒸汽熱力性質(zhì)的，如上所述可以鏈接水及蒸汽性質(zhì)軟件求解導(dǎo)入，在此計算中要求輸入管道的參數(shù)，可以點(diǎn)擊“鏈接管道材料選取”按鈕，鏈接管道參數(shù)數(shù)據(jù)庫(圖10),鏈接后退出本界面。

圖10 管道材料選取界面

計算結(jié)果顯示：在上述已知的條件下，油艙內(nèi)燃油的質(zhì)量是53 280 kg，加熱管道的總膨脹量為9.667 cm(平均每米膨脹量為0.23 mm)，在給定所選管道參數(shù)時，所需加熱時間為0.439 h。

計算完成之后，點(diǎn)擊file輸出excel文件，即可將計算結(jié)果輸出存儲。

6 結(jié) 論

油艙加熱計算程序?yàn)橛脩籼峁┝撕啙嵉牟僮鹘缑婧屯晟频臄?shù)據(jù)輸出接口，數(shù)據(jù)輸入清晰明了，操作使用方法簡便，并具備了一定的計算參數(shù)擴(kuò)充能力，計算結(jié)果輸出完整詳實(shí)。油艙加熱計算程序能夠滿足船舶油艙蒸汽加熱系統(tǒng)設(shè)計與計算的要求，計算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

油艙加熱計算程序適用于船舶燃油艙、滑油艙及其它液艙的蒸汽加熱系統(tǒng)的設(shè)計與計算，尤其適合于液艙眾多、形狀各異的大型水面艦船的相關(guān)計算。本油艙蒸汽加熱計算程序的成功開發(fā)和應(yīng)用，把繁重的人工計算轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)程序計算，提高了計算準(zhǔn)確性和計算效率，大大提高了油艙蒸汽加熱系統(tǒng)的設(shè)計工作效率，有較高的實(shí)用價值。

[1] 郭光臣,董文蘭,張志廉.油庫設(shè)計與管理[M].東營:石油大學(xué)出版社，1991.

[2] HERGERT D. Visual Basic 5寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社,1998.

[3] THAYER R. Visual Basic 6揭秘[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

[4] 計算機(jī)現(xiàn)代數(shù)值方法.大連理工大學(xué)數(shù)學(xué)講義[G](研究生教材).

[5] 油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計算方法[S].北京：中國船舶工業(yè)總公司，1992.

[6] 劉志剛等.工質(zhì)熱物理性質(zhì)計算程序的編制及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1992.