趙建華++李巖

摘 要：本文采用理論分析和實船驗證相結(jié)合的方法，針對某遠洋運輸公司的六種型號的雙殼油輪的油艙貨油的溫度控制方式進行了研究。應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱集總參數(shù)法建立了油艙的加熱和保溫的物理數(shù)學(xué)模型，并且研制出了油輪貨油溫度控制軟件。通過實船應(yīng)用驗證了貨油溫度控制軟件建模的可靠性。將軟件計算結(jié)果和實船數(shù)據(jù)的校核，軟件計算得加熱工況下耗油量最大誤差在10.3%；恒溫工況下恒溫溫度最大誤差為3.7%

關(guān)鍵詞：油輪；集總參數(shù)法；貨油溫度控制

中國經(jīng)濟發(fā)展正處在工業(yè)化的起飛時期，石油是中國經(jīng)濟穩(wěn)步快速發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著人口持續(xù)增長和經(jīng)濟總量迅速增加，端倪已露的石油供求矛盾將會更加嚴(yán)峻。2000至2009年，我國原油消費量由2.41億噸上升到3.88億噸，年均增長6.78%，原油凈進口量由5969萬噸上升至1.99億噸，對外依存度也由24.8%飆升到51.29%。隨著經(jīng)濟的進一步發(fā)展和人民生活水平的提高（家庭轎車數(shù)量的增加），中國原油的對外依存度將逐漸上升。在2010年原油進口中，90%來自海上運輸，達到2.1億噸。因此海上石油運輸對于中國國民經(jīng)濟的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

原油是一種粘稠的液體，原油粘度大小取決于溫度、壓力、溶解氣量及其化學(xué)組成。當(dāng)原油溫度增高其粘度降低。在原油的運輸途中必須對原油加溫，才能保證油輪到達目的港后能順利卸油?，F(xiàn)今油輪普遍采用的加熱方式是在油艙布置蒸汽管道加熱。從經(jīng)濟性考慮，貨油加熱的起始點過早那么鍋爐耗油越多經(jīng)濟性越差，但是加熱起始點過晚則到港后貨油粘度不能達到卸貨要求，也將延誤了航期?，F(xiàn)今大部分油船依靠船員的經(jīng)驗控制加熱時間，但是船員為了不延誤航期寧可選擇過多的加熱貨油，致使貨油溫度過高，這樣不但不節(jié)能而且會延長卸油時間甚至降低石油的品質(zhì)。本文根據(jù)非穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)法建立了油輪加熱保溫過程中的物理數(shù)學(xué)模型，研發(fā)油輪貨油加熱與保溫過程計算系統(tǒng)，并且通過實船數(shù)據(jù)進行了檢驗，驗證該計算軟件的可靠性。該貨油溫度管理軟件為油輪船員提供了操作指南，提高了船舶營運的經(jīng)濟性，降低了船舶運營的污染性，在綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的道路上做出了一定的貢獻。

一、油輪貨油加熱保溫模型

（一）研究對象

本項目針對某遠洋運輸公司的60000DWT、65000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT七種船型18艘雙殼體油輪300多種貨油運輸過程中，油艙貨油的加熱和保溫的經(jīng)濟方式進行分析研究。

（二）假設(shè)條件

（1）把貨油與惰氣按照一個整體考慮，則二者同溫；

（2）運用集總參數(shù)法，忽略油艙內(nèi)部貨油和惰氣的熱阻；

（3）貨油的熱力學(xué)參數(shù)變化取溫度變化的平均值；

（4）外界大氣溫度tair與海水溫度tsea取實測值的平均值；

（5）忽略貨油內(nèi)部因為物理化學(xué)變化的內(nèi)熱源，忽略邊界層原油和石蠟的凝固潛熱；

（6）對貨油進行加熱的蒸汽溫度t0=（t出氣+t回氣）/2，其傳熱系數(shù)為K。；

（7）忽略貨油與油艙內(nèi)底殼的對流換熱熱阻，認(rèn)為油輪內(nèi)底殼溫度與油溫相等；

（8）側(cè)面雙層內(nèi)外殼之間的傳熱過程近似看成導(dǎo)熱過程。

圖1 油輪典型橫剖圖

二、油輪貨油溫度控制系統(tǒng)功能簡介

油輪貨油加溫最佳方案操作系統(tǒng)是依據(jù)傳熱傳質(zhì)學(xué)、鍋爐工作原理及現(xiàn)代控制理論建立的油輪貨油加熱、保溫和恒溫計算模型而研制的。它適用于該遠洋運輸公司的66000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT六種船型16艘油輪。

該系統(tǒng)具有以下三項功能：（1）貨油加熱操作系統(tǒng)；（2）貨油保溫操作系統(tǒng)；（3）貨油恒溫操作系統(tǒng)。

（1）貨油加熱操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙的載貨情況及加溫要求，分別計算加熱蒸汽壓力值為0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa這九種情況下的加熱時間（鍋爐工作時間）、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來，以方便進行更直觀的比較、更準(zhǔn)確的選擇和更方便的操作。

（2）貨油保溫操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙的載貨情況及保溫要求，分別計算加熱蒸汽壓力值設(shè)定在0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa這九種情況下的加熱時間（鍋爐工作時間）、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來，以方便進行更直觀的比較、更準(zhǔn)確的選擇和更方便的操作。

（3）貨油恒溫操作系統(tǒng)是根據(jù)貨油艙載貨情況及恒溫要求，計算加熱蒸汽壓力值、總耗油量、貨油艙加熱閥門操作計劃及貨油艙貨油溫度變化曲線，并以柱形圖、曲線圖及列表的形式顯示出來，以方便船員的操作。

三、貨油溫度控制系統(tǒng)實船驗證

將貨油溫度控制軟件應(yīng)用于油船運輸中，結(jié)果如下表所示。

通過將貨油溫度軟件的計算結(jié)果和實際數(shù)值進行比較驗證了該軟件的可靠性。

（1）由表1可知在設(shè)計工況和加熱工況下本軟件的計算的耗油量是準(zhǔn)確的。

（2）由表2和表3可知在保溫工況和恒溫工況下本軟件計算出的耗油量較少，這是因為在保溫工況和恒溫工況下，油輪管理人員的經(jīng)驗操作是將貨油一直加熱，但是本軟件所制訂的操作計劃比油輪管理人員的經(jīng)驗操作要更科學(xué)，所以按照軟件的操作計劃操作能提高船舶運營經(jīng)濟性。

（3）由表3可以看到恒溫工況下，恒溫溫度比要求溫度略低，符合恒溫要求。綜上所述將此油船貨油溫度控制軟件應(yīng)用于油船運輸是可靠的。該軟件不但能夠為油輪船員提供科學(xué)可靠的貨油溫度控制操作計劃，而且又能節(jié)油減排提高船舶運營的經(jīng)濟性，同時降低溫室氣體排放和改善環(huán)境污染。

四、結(jié)語

根據(jù)非穩(wěn)態(tài)集總參數(shù)法建立并改進的油輪加熱和保溫的物理數(shù)學(xué)模型是科學(xué)的，對于貨油溫度的影響因素考慮更加周全，在改進的油輪加熱保溫數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的油輪貨油溫度控制軟件，準(zhǔn)確度高，操作性強。通過軟件計算時間和實船數(shù)比較，該軟件加熱工況下耗油量最大誤差在10.3%，保溫工況下該軟件提供了更科學(xué)的操作方案，比船員的經(jīng)驗操作要節(jié)油。恒溫工況下軟件計算得溫度場和實際的溫度最大誤差為3.7%。

參考文獻：

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