劉 楊

(重慶市港航管理局船舶技術(shù)管理處,重慶 400020)

眾所周知,船舶柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)方面取得的諸多研究成果,已在海船及長江中下游干線營運(yùn)船舶上有不同程度的應(yīng)用。然而,受川江及三峽庫區(qū)(以下簡稱庫區(qū))航道條件及載運(yùn)貨物種類的限制,在庫區(qū)營運(yùn)船舶上實(shí)際應(yīng)用船舶柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)的水平處于相對落后狀態(tài)。

庫區(qū)蓄水前,長江干線航道重慶至四川宜賓段為天然航道,即C級航區(qū)J2級航段,常年航行于該航段的營運(yùn)船舶載貨量普遍小于1000t,且水路貨運(yùn)種類多數(shù)為干散雜貨。由于船舶尺度較小及載運(yùn)貨物種類的原因,柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)的應(yīng)用多數(shù)局限于改善船員生活方面,如在主機(jī)排氣管上加裝熱水套并向廚房和浴室提供熱水等。

庫區(qū)建成蓄水后,川江重慶段的航道條件大幅度改善,交通部海事局陸續(xù)出臺了一系列的船舶標(biāo)準(zhǔn)化政策,庫區(qū)新建船舶的載貨量較原有船舶明顯增大,多數(shù)具備從四川宜賓至上海的航運(yùn)能力。由于水路貨運(yùn)在成本、運(yùn)量及周期方面的綜合優(yōu)勢,更多種類的散裝液態(tài)貨物,如油類、化學(xué)品、油脂、焦油瀝青等選擇水路運(yùn)輸方式,客觀上為船舶柴油機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)的應(yīng)用提供了更多的可能性。本文以柴油主機(jī)廢氣余熱船型設(shè)計(jì)利用為例,為從事庫區(qū)航運(yùn)及船舶設(shè)計(jì)等從業(yè)人員提供參考。

1 船型設(shè)計(jì)

2004年,重慶某航運(yùn)公司決定設(shè)計(jì)并建造一批用于自江蘇某港散裝運(yùn)輸某類食用油脂至重慶港的自航船,要求船舶能散裝裝載1500t～2000 t油脂,上水單程航次約5天。油脂在約32℃溫度狀態(tài)下由岸上設(shè)施向船上裝載,裝船后可自然放熱至溫度降到約20℃,為穩(wěn)定油脂質(zhì)量且確保其流動性以利于順利卸貨,在運(yùn)輸期間船上加熱及保溫系統(tǒng)須維持油脂溫度在20℃左右,到港后用船上油脂泵自油脂艙抽吸并泵至岸上儲油罐。

1.1 初步設(shè)計(jì)方案

按航運(yùn)公司要求,設(shè)計(jì)單位提出了包括油脂加熱保溫系統(tǒng)在內(nèi)的船舶初步設(shè)計(jì)方案,見表1。

表1 船舶概況及配置柴油機(jī)基本參數(shù)

船型為半艙液貨船,貨艙區(qū)域設(shè)有十個艙容相同的油脂艙,油脂艙沿船舯左右對稱布置。

1.2 油脂加熱保溫系統(tǒng)

為減少船舶建造初始投資及營運(yùn)中燃料油消耗,設(shè)計(jì)方案暫定利用船舶柴油機(jī)的廢氣余熱加溫保溫油脂,該系統(tǒng)利用柴油主機(jī)的廢氣加熱循環(huán)水,經(jīng)加熱的循環(huán)水通過安裝在油脂艙內(nèi)的盤管來加熱、保溫油脂。該系統(tǒng)主要由兩套熱水器、熱水循環(huán)泵、膨脹水箱、加熱盤管及有關(guān)閥件組成;每臺柴油主機(jī)對應(yīng)配置一套,可獨(dú)立向?qū)?yīng)舷側(cè)的5個油脂艙供熱。兩套之間作必要的連通,以保證任何一臺主機(jī)工作時(shí)仍能對全船所有油脂艙供熱。

2 換熱系統(tǒng)的換熱量校核計(jì)算

結(jié)合油脂理化特性、柴油機(jī)特性、船舶初步設(shè)計(jì)方案及選取柴油機(jī)的特性等,按最惡劣的冬季工況選取有關(guān)設(shè)計(jì)工況基礎(chǔ)參數(shù)詳見表2。

表2 有關(guān)設(shè)計(jì)工況基礎(chǔ)參數(shù)

(1)依據(jù)選定柴油主機(jī)的技術(shù)說明書及《傳熱學(xué)》教材,計(jì)算出2臺柴油主機(jī)可利用廢氣熱量Qsf為 1414557.1 KJ/h。

(2)依據(jù)《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊之輪機(jī)分冊》,計(jì)算得全船 10個油脂艙保溫所需總熱量Qb為1213110 KJ/h。

循環(huán)熱水可提供換熱量能力Qsn為2061956 KJ/h。

2臺換熱器總傳熱能力 Qc為 1682937.31 KJ/h。

(3)全船10個油脂艙內(nèi)換熱盤管換熱能力計(jì)算

每1油脂艙內(nèi)設(shè)有規(guī)格為Φ38×3 mm的無縫鋼管,長度10 m。

全船10個油脂艙同時(shí)加熱時(shí)放熱量q為3350613.112 k J/h。

通過以上計(jì)算結(jié)果表明,在忽略管路散熱損失、換熱器外表面散熱損失的條件下,主機(jī)提供的廢氣熱量能夠通過換熱器將循環(huán)水(25m 3/h)從40℃加熱至50℃,然后通過熱水循環(huán)泵將50℃的循環(huán)水泵至油脂艙內(nèi)的加熱盤管,循環(huán)水通過加熱盤管傳熱給油脂,補(bǔ)充油脂艙的散熱損失,達(dá)到油脂艙保溫的目的。循環(huán)水放熱后,溫度由50℃降至40℃,再通過熱水循環(huán)泵將其泵至換熱器進(jìn)行加熱,如此循環(huán)往復(fù)。

3 實(shí)船應(yīng)用

在近年來的營運(yùn)中,其油脂加熱保溫系統(tǒng)總體工作正常,未出現(xiàn)過在船舶載運(yùn)途中因油脂加熱量不足、油溫低影響油脂品質(zhì)的現(xiàn)象。由于系統(tǒng)原理簡單,通過最初幾個航次的總結(jié),船員已能充分掌握本船油脂加熱系統(tǒng)的各項(xiàng)基本數(shù)據(jù),根據(jù)氣候和航次計(jì)劃制訂正確的油脂加熱保溫方案。

4 庫區(qū)船舶柴油主機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)的應(yīng)用前景

長江干線航運(yùn)自上海至四川宜賓總里程約2700 km,根據(jù)海事局頒布的《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2004及其歷次修改通報(bào)有關(guān)規(guī)定,長江干線航道按航區(qū)可包括為A、B、C航區(qū),按航段包括J2航段,按庫區(qū)水位高程可分為永久庫區(qū)、回水變動區(qū)、天然航段。長江干線航道條件自宜昌至上海段相對穩(wěn)定,自宜昌葛洲壩至宜賓里程約1050 km,但該區(qū)域航道情況呈季節(jié)性復(fù)雜多變,部分航道仍是單向通行的控制航段,造成柴油主機(jī)工況多變,不能穩(wěn)定提供廢氣余熱量。這是制約庫區(qū)營運(yùn)船舶廣泛應(yīng)用柴油主機(jī)廢氣余熱利用技術(shù)的主要原因之一。

目前庫區(qū)營運(yùn)船舶利用柴油主機(jī)廢氣余熱主要是對燃料油和載運(yùn)貨物的加熱保溫,但現(xiàn)有實(shí)船的應(yīng)用方案又各有不同。本人認(rèn)為從事長江干線航運(yùn)的庫區(qū)船舶,實(shí)船利用柴油主機(jī)廢氣余熱應(yīng)遵循以下基本原則:

(1)簡便實(shí)用、控制精度要求不高。從事長江干線營運(yùn)的庫區(qū)船舶,單個航次一般不超過7天,靠離碼頭相對頻繁,柴油主機(jī)廢氣余熱利用系統(tǒng)要原理簡單、操作和維護(hù)簡便,否則不利于推廣。

(2)提高利用效率。當(dāng)船舶上設(shè)有一套以上加熱保溫系統(tǒng)時(shí),選擇換熱需求量較大的設(shè)計(jì)方案,換熱量不足部分可選擇輔助方式予以補(bǔ)償。

(3)合理選擇換熱介質(zhì),提高換熱效率和單位時(shí)間換熱量。目前換熱介質(zhì)主要有導(dǎo)熱油、熱媒循環(huán)水和蒸汽,以導(dǎo)熱油換熱效率高。經(jīng)調(diào)研,對于同屬某標(biāo)準(zhǔn)船型尺度、使用重柴油/輕柴油雙燃料系統(tǒng)、柴油主機(jī)配置相近的庫區(qū)營運(yùn)船舶,曾出現(xiàn)過使用廢氣蒸汽鍋爐的營運(yùn)船舶處于平靜水域低速航行時(shí),主機(jī)廢氣產(chǎn)生蒸汽不足以支持重柴油系統(tǒng)運(yùn)行,造成柴油主機(jī)波速的現(xiàn)象。而對于使用廢氣導(dǎo)熱油鍋爐的船舶則未收到有關(guān)的反饋。當(dāng)然,本人不認(rèn)為廢氣導(dǎo)熱油鍋爐比廢氣蒸汽鍋爐更適用于庫區(qū)船舶,有關(guān)廢氣導(dǎo)熱油鍋爐在船上使用的技術(shù)要求在此也不再深入闡述。