油船貨油艙蒸汽加熱系統設計及相關技術應用

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

當油船裝運高黏度的油品時，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，因此用蒸汽盤管來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性的流體，以便可以容易地被泵送。對于30萬t級的VLCC，如果每個貨油艙都需要加熱，則一條船需要約12 km長的管路，是一個比較大的工程，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過早損壞，從而增加返修和維護成本。所以考慮通過對油船貨油艙加熱系統的行分析，探討船舶加熱系統管路的設計方法。

1 加熱方式

油船多采用艙內加熱方式，即采取在油艙內設置熱交換管路或設施進行加熱。。

1.1 蒸汽加熱盤管

加熱盤管的直接加熱方式目前仍然是船舶上應用最廣泛的方式，它主要是將來自鍋爐的飽和蒸汽，通入預先布置在貨油艙底部和艙壁上的加熱盤管中，通過浸沒在貨油中的這些盤管中的蒸汽與貨油進行換熱，然后冷凝成水后，輸送回擊藏的凝水集水柜中，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始應用，目前主要用于燃柴油系統。與加熱盤管的原理相似，只是在被加熱介質中的換熱方式不同，見圖1，將參與換熱的蒸汽加熱面積集中在一個桶狀的容器中，比加熱盤管方式可以節省更多的空間，從而更適于布置在空間狹小的區域。不同尺寸的加熱桶對應等效于一定長度的某種規格長度的加熱盤管，設計者可以根據蒸氣加熱計算所需的長度，在對照表選用合適的等效加熱桶。

圖1 加熱桶示意

2 設計依據和選型

2.1 加熱量計算

油品的保持溫度主要取決于黏度，通常加熱到運動黏度為30～40 mm2/s的溫度即可保證流動性，而對于原油洗艙的系統則要求更高(一般采用洗艙加熱器)，需要達到20 mm2/s左右。另外還要看航線(距離長采取到港加熱，距離短采取長時間保溫)、港口和貨主的需求來確定。加熱量計算[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)，從而根據面積選用口徑換算出管子長度。采用傳熱公式[5]可以計算出熱輸出，估計蒸汽耗量。目前各國計算方法基本相同，只是系數選用上有所差異。這種算法雖然不是非常精確，但使用這種方法得到的數據對船舶加溫需求來說的精度已經足夠。

2.2 材料

加熱管通常選用無縫鋼管，鋼管口徑一般在DN32～DN50之間，其材質可以通過表1或根據實際需要進行選取。

表1 材料對照表

2.3 長度及分組

加熱計算得出的總長度需要分成幾組，每組長度不能太長，其極限長度可以根據經驗公式算得，管子越大，則可以選用更長的管路，一般DN40口徑的管子極限長度為100 m左右，DN50為130 m左右。分組數一般最小不能小于2組，以保證加熱系統的靈活性，在其中一組發生故障時，其他分組可以繼續工作。

2.4 管路連接

宜采用焊接連接方式，一般用套筒形式，并在系統交驗時做密性試驗，以確保貨油不會滲漏到管路系統中。同時可以通過機艙凝水集水柜的觀察鏡及時檢查是否有浮油，從而判斷加熱管是否有滲漏。

2.5 疏水閥

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

常用的疏水閥類型和區別見表2[6]。

表2 疏水閥優缺點

結合上述疏水閥的特點，宜選擇熱動力型疏水閥。因為考慮到船舶油艙加熱，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，則蒸汽閥組必然設置在主甲板上，熱動力型可以很好地防止解凍，并且抗水錘能力強，可以避免影響整個系統的壽命，減少維護難度；同時疏水閥本身噪音的產生不會對周遭環境造成影響，可以方便地檢查到疏水閥是否正常工作。

一般應選用圓盤式蒸汽疏水閥，見圖2。它是典型的熱動力型疏水閥，通過進口處冷凝水(箭頭所示)與壓力室(④和⑨所圍成的空間)蒸汽壓力差控制開啟閥盤④，從而排出冷凝水到凝水回收管路。實際在二次蒸汽的原理下，其蒸汽損耗量比較小，可以充分發揮疏水閥的作用。選型時必須注意，由于船舶主甲板可能受到外界環境影響變化較大，例如酷熱、暴曬和寒冷，這必然會對變壓室的控制介質產生較大影響，致使閥門開啟收到延遲或過頻現象，所以，宜選用空氣保溫形式，即通過圖中③和②所形成的空間進行保溫，從而使這種疏水閥更適用于的船舶加熱系統。

圖2 圓盤式蒸汽疏水閥

2.6 管路補償

由于管路是在環境溫度下安裝的，在工作時，由于溫度上升，必然導致管路膨脹，所以需要設置必要的管路補償措施[7]。

1)主管可以設置波紋管或膨脹彎管。膨脹彎管適用于環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，垂直布置不利于疏水，應避免。

2)艙內加熱管通過彎曲的盤管來實現，管夾應采用滑動式，利于管路伸縮變形。

3 系統設計分析

3.1 蒸汽供給管和凝水總管

3.1.1 總管疏水

蒸汽管道中總會產生冷凝水，如果不能及時排除，將積聚在管道中導致水錘和沖蝕問題。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行排放。但由于船舶艉傾，這種布置不宜保證，所以蒸汽的設計流速不能太高，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置足夠的疏水點，以充分排除冷凝水，每個疏水點蒸汽總管和凝水總管可以共用，只是凝水總管不需要經過疏水閥，可以直接排出，見圖3。

圖3 疏水閥布置方式

為了防止水垢和雜質進入疏水閥，可以在總管進入疏水閥前，設置一個集水槽(見圖4)，并且冷凝水排水口要在集水槽底部以上一定距離，集水槽底部可設置盲板法蘭從而便于清理。凝水管路由于不經過疏水閥，所以不必如此設置。

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)如果設置膨脹彎對管路進行補償，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有蓄積可能。

3)前面提到的集水槽不宜設置過多，并且冷凝水出口要距離集水槽底部不能太遠，避免系統中產生過多凝水積聚。

3.1.2 進艙分支管路

由于蒸汽主管底部可能聚集冷凝水和雜質，所以為了獲得干燥的蒸汽，進艙分支管路宜從主管頂部獲取蒸汽，從側面接出也可以。下降管在截止閥前要放置一個泄放閥，用于在閥門再次開啟式，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，通過凝水收集分支，回流到疏水閥組，凝水回收分支也應該從頂部介入凝水總管，形式與蒸汽管路一致。

3.2 艙內加熱盤管

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

1)蒸汽從艙頂引入下艙后，應逐級向下，在底部區域盤好后回升到艙頂疏水閥(見圖5)。蒸汽管分組和凝水收集管分組的布置順序可按照圖6的方式布置。

布置方式 布置方式

2)防止汽鎖措施。

要解決汽鎖問題，有必要在凝水聚集點專門設置一個便于形成水封的裝置，并且同時減小上升管的口徑，通常上升管要至少比艙內加熱管小一檔，從而使得上升管內的蒸汽更快地凝結，更容易地形成水封(見圖7)，這樣，既避免蒸汽連續地跑到凝水前面去關閥，又可以及時形成水封保證冷凝水持續輸送到疏水閥處，從而排到回收系統。

圖7 水封示意

3)考慮到船的艉傾，盤管應按照圖8原則設置，圖9的方法是不合適的，管子靠艉方向容易產生積水。

圖8 正確的加熱盤管布置方式

圖9 錯誤的加熱盤管布置方式

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

5)對于空間大的貨油艙，每組加熱盤管不足以做到艙底大面積的均布，可以在每隔一檔區域各設置一組加熱盤管單元，每組單元一般根據加熱長度和布置面積設為1～2層。

6)為了避免振動等原因導致摩擦損壞或產生火花，應保持與結構或其他舾裝件一定距離，一般設為100～150 mm。

7)吸入口周圍可設置一圈盤管，以保證卸油順暢。

8)管子直段不能過長，否則無法補償管子受熱變形而產生的膨脹。可通過在過長的直管上設置直角彎管或Ω形彎管吸收膨脹。對于加熱盤管單元，應保證延管長方向一側或兩側膨脹不受限制(見圖10)，并且延管長方向的彎管部位不能夠放置支架。

圖10 加熱盤管支架布置方式

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