船用燃油热转换系统剖析

贺立峰，王庆祥，张少亮

(天津新港船舶重工有限责任公司 天津300452)

船用燃油热转换系统剖析

贺立峰，王庆祥，张少亮

(天津新港船舶重工有限责任公司 天津300452)

对船舶传统燃油的加热方式进行了介绍，并针对国外新型燃油加热方式“燃油热转换系统”的原理、功能、优点等进行了细致描述。同时，对该系统混油传热的基本设计理念、温差燃油的驳运布置要求做了系统化分析，并解析了难点和要点。

燃油 热转换 混油 加热 驳运

0 引 言

根据船东的要求和推荐，由天津新港船舶重工有限公司承建的中远 4万吨系列散货船安装布置了燃油热转换系统。目前，该系统在国外造船的应用程度较高，国内应用还比较有限。由于该公司之前也没有设计和安装该系统的经验，对其工作原理、设计特点、安装要求、节能效果、经济效益等方面较为陌生，因此，其设计部门大量收集了该技术的国内外资料，并邀请设备厂家进行了深入和细致的研究。下文将针对该系统的一些关键技术和要求进行分析和论述。

1 燃油热转换系统原理及工作模式

1.1 系统原理

燃油热转换系统的工作过程是冷油和热油的混合传热过程，其基本原理是通过燃油热转换泵(shifting pump)将热油驳运至冷油舱，热油与部分冷油混合后，产生热交换。该部分冷油得到了“一次升温”，粘度下降，达到燃油驳运泵(transfer pump)的驳运粘度要求后，迅速通过燃油驳运泵驳运至热油油舱，得到“二次升温”后，可随时供给到下一级用户。

该系统相对于传统船舶在各个燃油储存舱大量加装蒸汽盘管加热，是一个局部快速加热、随时驳运供给用户的“小循环加热”系统。系统大大缩短了冷油升温时间，节省了盘管材料，降低了热能损失。目前，国内尚没有此类系统和系统装置的制造厂家。系统的基本原理[1]如图1所示。

采用常规燃油加热系统的船舶，通常在航行中燃油沉淀柜的油温为 60,℃，燃油/低硫燃油储存舱通过加热盘管加热后的温度为 40,℃，燃油输送泵的驳运温度为 36,℃，分油机的燃油进口温度为 55,℃。燃油/低硫燃油储存舱的 H．F．O/LS．H．F．O.重燃油通过燃油输送泵(A)，驳运到燃油沉淀柜，再被燃油分油机吸走分油。为满足燃油驳运泵的驳运粘度要求，燃油/低硫燃油储存舱通常处于蒸汽加热盘管加热状态，特别是冬季恶劣条件下，大量的蒸汽热能通过船体外板散热损失。[2]

图1 常规燃油加热系统原理Fig.1 Principle of traditional vessel F.O. heating system

加装燃油热转换系统后，燃油/低硫燃油储存舱不必再布置加热盘管，燃油热转换系统的基本原理[1]如图2所示：

图2 燃油热转换系统基本原理(未安装电加热器)Fig.2 Basic principle of F.O. thermal conversion system(without electric heater)

跟据图 2，首先，燃油沉淀柜的热油通过燃油热转换泵(B)被驳运至燃油储存舱或低硫燃油储存舱的小隔舱内，小隔舱内的冷、热油混合，达到燃油驳运泵(A)的驳运粘度要求后，该小隔舱内的升温油被燃油驳运泵驳运至燃油沉淀柜。新注入燃油沉淀柜的升温油，较燃油沉淀柜原来的高温油密度大，因此沉在柜体下部，继续被沉淀柜的底部加热盘管加热，当温度升高到燃油沉淀柜的设定温度时，燃油热转换泵再次启动，第 2个燃油热转换循环开始。由于燃油/低硫燃油储存舱不再布置加热盘管，而是以储存舱布置小隔舱的方式，通过与燃油沉淀柜的热油混油达到燃油输送泵的驳运条件，因此，常规沉淀柜设定温度不再满足该工作要求，需要提高燃油沉淀柜的加热设定温度至 75～80,℃左右，为此，燃油沉淀柜的加热盘管长度也将通过计算相应增加。

图2 中，在燃油输送泵和燃油热转换泵的出口都布置了弹簧阀，该弹簧阀的布置是系统工作的要求。燃油输送泵出口的弹簧阀可避免燃油热转换泵向燃油/低硫燃油储存舱驳油时，热油通过燃油输送泵出口管路回油至燃油沉淀柜。燃油热转换泵出口弹簧阀可避免燃油输送泵从燃油/低硫燃油储存舱向燃油沉淀柜驳油时，燃油热转换泵被带动自转，而将燃油沉淀柜的热油抽出。

由于燃油沉淀柜加热盘管数量的增加，导致舱柜的清舱维护空间及通道布置困难，柜面吸口、报警点等的布置位置受到影响。为了避免这种问题的出现，也可以通过在燃油热转换泵进口布置电加热器的方式实现驳运至燃油/低硫燃油储存舱的热油温度。电加热器的布置位置详见图3：

图3 燃油热转换基本原理(已安装电加热器)Fig.3 Basic principle of F.O. thermal conversion system(with electric heater)

燃油热转换系统布置了电加热器后，燃油沉淀柜的加热盘管数量可以按照传统燃油加热系统的要求布置，不必再增加。但是，由于电加热器的市场价格较高，很多船厂、船东并未选择安装电加热器。

1.2 工作模式

燃油热转换系统的工作模式[1]大致包括：

1.2.1 手动模式

燃油输送泵根据燃油沉淀柜柜面上布置的“低液位自动启动”“高液位自动停泵”液位开关控制信号，自动启停；变频式燃油热转换泵始终运行。燃油输送泵的排量大小可随时调整。冬季排量比夏季排量大。

1.2.2 自动模式

①时间-自动模式。燃油输送泵与燃油热转换泵按设定的时间比例自动运行，以 1,h为一个运行周期，燃油输送泵运行时间约为 15,min，燃油热转换泵运行时间约为 45,min。运行时间比例约为 1∶3或1∶4。当压力出现高值或温度出现低值时，调整燃油热转换泵的排量。②时间&流量-自动模式。燃油输送泵与燃油热转换泵按设定的时间比例自动运行，运行时长比例约为1∶3或1∶4。当压力出现高值或温度出现低值时，自动切换到“减少燃油输送泵负载”模式。③减少燃油输送泵负载模式。燃油输送泵根据燃油沉淀柜柜面上布置的“低液位自动启动”“高液位自动停泵”液位开关控制信号，自动启停；变频式燃油热转换泵始终运行，且排量自动调整。当压力或温度恢复正常后，切换为“时间&流量-自动模式”。

船舶航行状态通常采用自动模式，方便简单。在冬季极端恶劣条件下，需转换为“手动模式”，适当调节燃油热转换泵的排量大小。

2 燃油热转换系统设计及布置

根据上文描述，多数船厂或船东并不愿意在燃油热转换系统内布置电加热器，因此，下文针对无电加热器情况下的系统设计和布置进行介绍。

2.1 燃油储存舱小隔舱的布置

前文已经阐述，除非船舶需要在极冷海域航行或船东坚决要求，否则该燃油热转换系统的燃油/低硫燃油储存舱不必布置加热盘管，但为满足燃油/低硫燃油储存舱内冷、热油的混合油温，需在燃油沉淀柜增加布置加热盘管。

如图 2所示，为了提高减少燃油/低硫燃油储存舱内燃油的升温速度和减少热能损失，当燃油/低硫燃油储存舱的高度超过2,m时，该燃油热转换系统采用了在燃油/低硫燃油储存舱布置“小隔舱”的设计方案。“小隔舱”的大小通常为“主机+主发电机+锅炉”1,h燃油消耗总量的 4～10倍，具体大小可根据储存舱的内部结构和厂家建议予以确定。

“小隔舱”布置在燃油/低硫燃油储存舱下部，由钢板拼焊制作，并可借助储存舱的内部结构(加强筋、舱壁等)形成围壁。储存舱的燃油/低硫燃油排出管路必须在“小隔舱”内，并布置在底部。

为保证储存舱内的油顺畅补给“小隔舱”，“小隔舱”围壁底部需开足够数量的过流孔，底部需开足够数量的空气排出孔。为方便以后“小隔舱”的清理，需在小隔舱内、外布置合适的梯台，内部布置防滑条，梯台、防滑条需磷化处理。

2.2 燃油沉淀柜柜面各点位置的确定

根据燃油热转换系统的设计原理及工作模式，对燃油沉淀柜的柜面各控制、报警、排出点的布置高度也提出了相应要求，下面是各点相对位置的布置示意图，[1]如图4所示：

图4 油柜各点相对位置布置示意图Fig.4 Relative layout locations in oil tank

如图4所示，油舱低位报警的布置位置为上下各点布置位置的分界点，且要求低位报警布置位置必须高于加热盘管的顶部，防止加热盘管干烧。C区域的燃油容积要求，决定了燃油热转换泵吸口的布置位置，要求 C区域燃油必须满足燃油热转换泵 1,h(最少 45,min)的平均排量。B区域的燃油容积要求决定了燃油分油机吸口的布置位置，要求 C区域燃油必须满足主机＋主发电机＋锅炉的1,h燃油用量。A区域的燃油容积要求，是防止新注入燃油沉淀柜的36,℃燃油被燃油热转换泵和燃油分油机吸走，避免不满足“小隔舱”的混油要求和分油机的燃油进机温度要求。D区域的燃油容积要求，是为了满足“时间-自动”模式下燃油输送泵的驳运要求，如油柜容积不能满足该要求，至少满足主机＋主发电机＋锅炉的1,h燃油总用量与燃油热转换泵1,h燃油驳运量的总和。

上述各点的布置位置是根据该系统最常用模式“时间-自动模式”来进行布置的，该布置不影响其他工作模式的使用。

2.3 燃油沉淀柜加热盘管数量的确定

燃油沉淀柜的加热盘管数量依据沉淀舱的设定温度[1]来确定，而温度的设定值是依据燃油分油机的进机温度要求、燃油/低硫燃油储存舱混油加热的温升值和升温时间确定的。

分油机的进机温度通常约为 55,℃，沉淀柜的传统设定值约为 60,℃，[2]增加燃油热转换系统后，沉淀舱的加热盘管数量还将增加，必然满足燃油分油机的进机温度要求。因此，目前只需考虑燃油/低硫燃油储存舱混油加热的温升值和升温时间因素。

由于燃油储存舱采用了“小隔舱”的加热设计方案，需要混油加热的燃油容积将是“小隔舱”的容积。

极限考虑冬季海水温度 T1为-15,℃，即是燃油/低硫燃油储存舱的初始考虑温度，而燃油输送泵的燃油驳运温度约为 T2＝36,℃，得出燃油/低硫燃油储存舱温升要求为 36,℃-(-15,℃)＝51,℃。

根据燃油热转换泵工作约 45,min，燃油输送泵运行约 15,min的工作模式，保守要求“小隔舱”内的燃油需1,h内提升51,℃。

根据上例分析，可根据热平衡和热传导公式，计算得出1,h内“小隔舱”的换热量要求，也是燃油沉淀柜1,h内的热量消耗值。

当燃油输送泵运行 15,min，将 36,℃的储存舱燃油驳运至沉淀舱后，沉淀舱的加热盘管需在 45,min内将 36,℃的燃油加热到沉淀舱的设定温度，这是燃油沉淀柜的又一部分热量要求。

综上分析，燃油沉淀柜的盘管加热能力需要满足“小隔舱”燃油温度提升所需热能、新注入的 36,℃燃油温度提升所需热能、燃油分油机抽取燃油消耗热能 3大部分的热量要求。根据国内外散货船舶的实船经验和厂家计算要求，通常，燃油沉淀柜的设定温度值约为75～80,℃。

根据燃油沉淀柜的设定温度要求值、燃油沉淀柜的容积等参数，可推导计算出加热盘管的加热比β，从而得出加热盘管长度L的计算公式：

L＝(V×β)/(3.14×φ)

式中，L为加热盘管长度；V为燃油沉淀柜容积；β为加热比；φ为加热盘管外直径。

2.4 穿甲板燃油管路的过舱要求

根据燃油热转换系统原理及设计要求，燃油热转换泵至燃油输送泵进口管路之间的管路需要穿甲板平台时，不允许管路与甲板平台直接接触，需要在甲板平台上开孔，并布置开孔围板，管路还需包覆绝缘材料贯穿。这种布置要求的目的是防止管路与平台接触从而产生管路燃油的热量损失。[2]

2.5 燃油热转换泵的布置要求

根据燃油热转换系统原理及设计要求，燃油热转换泵需布置在燃油沉淀柜附近，且需与燃油热转换泵吸口在同一平台，该布置的要求是防止燃油输送泵进口产生过大负压，影响驳运效果。

2.6 燃油管路的保温要求

根据燃油热转换系统原理及设计要求，燃油热转换系统燃油管路必须包覆绝缘材料，尤其是燃油热转换泵至燃油输送泵进口管路和燃油输送泵至燃油/低硫燃油储存柜管路。该要求的目的是尽量降低燃油管路的热量损失。

另外，燃油热转换泵至燃油输送泵进口管路应尽可能短，以尽量减少管路热量损失。[3]

2.7 燃油滤器的选择要求

根据燃油热转换系统原理及设计要求，燃油输送泵进口需布置 16目双联油滤器，燃油热转换泵的进口配置 32目双联油滤器。该要求是为了保证燃油输送管路的顺畅和燃油热转换泵的良好运行。[3]

3 燃油热转换系统的功能优势

燃油热转换系统是一项较为新颖的燃油加热形式，该系统的设计制造还只停留在国外，国内目前没有相关的制造厂家。但采用该种燃油热转换系统的船舶正在逐渐增加，预计未来会得到更多船东的认可和使用。■

［1］ Hokushin Engineering. F. O. Shifter System Working Drawings[Z]. 1st ed，2014.

［2］ 中国船舶总公司. 船舶设计实用手册(轮机分册)[M].北京：国防工业出版社，2007.

［3］ 汉斯海因里·迈尔-彼得，佛兰克·伯恩哈德. 船舶工程技术手册 [M]. 上海：上海交通大学出版社，1970.

Analysis of F.O．Heat Energy Shifting System

HE Lifeng，WANG Qingxiang，ZHANG Shaoliang
(Tianjin Xin’gang Shipbuilding Heavy Industry Co.，LTD.，Tianjin 300452，China)

Traditional vessel F.O. heating mode was introduced and details of the newly foreign vessel F.O. heating technology, F.O. Heat Energy Shifting System, such as principle, function and advantages were described. At the same time, the design concept and arrangement requirement for the transferring of F.O. with temperature difference of the system were analyzed and difficulties and key points of the system were pointed out.

F.O.；heat energy shifting；mixing oil；heating；oil transfer

U664.81

A

1006-8945(2016)10-0039-04

2016-10-09