4 900 t瀝青船低硫油冷卻系統的設計研究

朱 剛，孟 博，郭月姣，雷淑雅，馮國增

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚州 225217；2.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

2016年起，國際海事組織《國際防止船舶造成污染公約》(MARPOL)附則Ⅵ“防止船舶造成大氣污染”對船舶的硫氧化物設立了總體限制，并要在2020年全球范圍內強制推行船舶燃油含硫量小于等于0.5%的決議[1]。

為應對即將強制執行的“限硫令”，目前普遍采用的三種措施為：加裝廢氣脫硫處理裝置、采用LNG替代燃料、采用低硫燃油[2]。廢氣脫硫處理裝置設備體積大、后期維護成本高，適用于大噸位船舶。采用LNG燃料初期投資高，受加氣點限制供應保障能力不足，存在安全隱患。采用低硫燃油不需要對現有設備做過多的改造，初期投資低，操作簡單，安全可靠。

目前絕對大多數船舶的柴油機供油系統是根據傳統重油的黏度、潤滑性能設計的。因低硫油具有粘度低、潤滑性差、閃點低、易氣化的特點，如果直接更換低硫油，會降低潤滑性能，增加了柴油機和供油系統的磨損，易導致操作和船舶安全方面的隱患[1]。因此，為提高低硫油供油系統的可靠性，采用制冷系統進行冷卻是十分必要的。

瀝青船屬于一種特種船型，是一種專門運輸高溫后熔化瀝青的化學品船，設計制造難度較大。本文以某4 900 t瀝青船為例，設計一種低硫油冷卻系統。首先對冷卻系統的原理進行分析；然后從制冷循環入手，對壓縮機、冷凝器、蒸發器、節流閥等幾個方面進行選型設計，以解決現有技術中傳統船舶直接使用低硫油會磨損柴油機和供油系統，存在船舶操作和安全隱患等不足，為同類船舶的設計改造提供依據。

1 低硫油冷卻系統的原理

目前有關研究人員所提出的低硫油冷卻系統主要由冷水機組模塊、冷媒水泵模塊和水油換熱器模塊組成。其系統冷量傳遞過程主要是通過冷水機組產生冷量來制取冷凍水，然后由冷凍水來冷卻低硫燃油，使其運動粘度增加到2 mm2/s以上，以滿足現有船用柴油機和供油系統的要求。這種系統流程復雜，設備較多，而本文所涉及的4 900 t瀝青船空間有限，不適合采用該系統。

本文所設計的低硫油冷卻系統主要由船用冷水機組和水油換熱器組成。低硫燃油首先通過水油換熱器與海水進行初級換熱，然后與冷水機組中的蒸發器進行換熱。低硫燃油在蒸發器中與制冷劑換熱，釋放的熱量被制冷劑蒸發吸收，以此達到降低低硫燃油溫度的目的。該冷卻系統實現制冷劑直接與低硫燃油換熱，無低硫燃油冷卻過程中冷凍水循環的工藝環節，提高了系統的高效運行。冷卻系統原理圖見圖1。

2 低硫油冷卻系統機組設計

為了確定冷水機組的選型，從系統的制冷循環分析入手，通過理論分析確定性能計算方法，并尋找影響效率的因素，為改善提高性能和效率提供指導方向。

圖1 冷卻系統原理圖

2.1 制冷循環形式的確定以及熱力計算

制冷冷水機組的制冷方式通常采用單級蒸汽壓縮式制冷循環。蒸汽壓縮制冷循環是目前應用最廣泛的一種制冷方式。由于制冷劑換熱過程依靠相變的汽化潛熱，因此制冷劑循環量較小，機組結構比較緊湊，具有較高的循環效率。考慮瀝青船航行不同海域的各種工況，本系統采用帶回熱的單級壓縮制冷循環。制冷循環裝置流程圖見圖2。

1—壓縮機入口；2—壓縮機出口(冷凝器入口)；4—冷凝器出口；5—節流閥入口；6—節流閥出口

熱力計算的主要目的是根據制冷循環裝置的運行工況，算出實際循環的指標：壓縮機的容量、功率，以及蒸發器和冷凝器的熱負荷，為制冷系統的選擇提供數據。制冷壓縮機吸氣溫度通常設定為15 ℃。當系統使用臥式殼管式或套管式冷凝器時，可以用增大冷凝面積的方法過冷，通常取過冷溫度較同壓力下的冷凝溫度低3～5 ℃。對于立式殼管式冷凝器，則不考慮過冷。制冷循環的壓焓圖見圖3，理論循環的熱力計算結果見表1。

0、3—飽和蒸汽狀態點；1—壓縮機入口狀態點；2、4—分別為冷凝器入口、出口狀態；5—過冷液態狀態點；P0—蒸發過程中壓力狀態點；Pk—冷凝過程中壓力狀態點

表1 熱力性能指標計算

注：h1、h2分別為壓縮機入口和出口的焓值,kJ/kg；h4為冷凝器出口的焓值,kJ/kg；V1為蒸發器的容積,m3；Q0為蒸發器的冷負荷,W；λ為定容增壓比；η1為壓縮機的機械效率；η2為壓縮機的傳動效率。

2.2 制冷壓縮機的選型

根據表1熱力計算結果，考慮到增加15%的裕量，因此本系統需要的制冷量為Q=13.23 kW。單臺壓縮機的最佳工況制冷量見表2。根據海上環境的實際情況，綜合考慮后選用渦旋式壓縮機。

表2 單臺壓縮機的最佳工況制冷量

2.3 冷凝器的面積計算

冷凝器形式的選擇應當根據當地的水溫、水質、水量、氣候條件以及制冷機房的布置等方面考慮。水溫較低但水源充足時，采用臥式殼管冷凝器。制冷壓縮機排出的蒸汽進入冷凝器后，先冷卻為飽和蒸汽，接著冷凝成飽和液體，進一步成為過冷液體。由于這個過程帶走的熱量與冷凝器的總熱負荷相比很少，所以計算傳熱溫差時把制冷劑的溫度看作定值。臥式殼管式冷凝器的進出水溫差Δtm1可取4～8 ℃。冷凝器的傳熱面積按式(1)計算：

(1)

式中:Ak為冷凝器的傳熱面積，m2;K1為冷凝器的傳熱系數，K1=850 W/(m2·K)；qC為冷凝器的熱流密度，qC=3 680 W/m2。

由上述數據計算可得傳熱面積為Ak=3.90 m2；考慮到增加15%的裕量，得Ak=4.49 m2。

2.4 蒸發器的面積計算

臥式殼管式蒸發器是目前空調用冷水機組中應用最廣的一種蒸發器。該蒸發器傳熱效率高，占地面積小，與臥式殼管式冷凝器一起使用可以充分利用空間。蒸發器的傳熱面積可以按式(2)計算：

(2)

式中：K2為蒸發器的傳熱系數，K2=780 W/(m2·K)；Δtm2為蒸發器平均傳熱溫差，℃；q為蒸發器的熱流密度，W/m2。

可以計算得出A1=3.39 m2；考慮到增加15%的裕量，得A1=3.90 m2。

2.5 節流裝置的負荷計算

節流裝置選型時需要根據制冷量、蒸發溫度方位和蒸發器冷負荷的大小來確定。一般情況下，節流裝置的制冷量必須比蒸發器的負荷大20%～30%，修正系數選取1.07。由于蒸發器負荷為Q0=12.36 kW，所以節流裝置負荷為Q1=16.07 kW。

本來對于滿液式蒸發器來說，應盡量使液體制冷劑浸沒換熱管，以充分利用換熱面積，所以液位控制的節流裝置比較合適。但是由于大型冷水機組蒸發器液位變化范圍較大，液面沸騰劇烈，為了取得穩定的液位信號，浮球閥的體積龐大，所以采用溫度信號控制的熱力膨脹閥。

3 結論

(1)與其他采用中間冷凍水循環的低硫燃油冷卻系統相比，系統流程更加簡單，運行效率更高。

(2)系統結構緊湊，占用空間小，對現有船舶供油系統改造小，初投資少。

目前該系統已經應用于4 900 t瀝青船的實際生產中，運行性能穩定，效果良好。