油船貨油粘溫特性的加熱控制策略

林華建，陳慶鵬，鄭超瑜，俞文勝

(1.集美大學輪機工程學院船舶與海洋工程省級重點實驗室，福建 廈門 361021；2.泉州師范學院交通與航海學院，福建 泉州 362000)

0 引言

油船在運輸過程中需對貨油進行升溫或降溫操作，以實現對貨油溫度的控制。然而，以單一的貨油溫度為指標無法反映貨油在受熱過程中對流運動的變化趨勢，僅靠油溫監控無法兼顧加熱過程對油品質的保護。貨油粘度是影響艙內貨油對流換熱的重要因素，且每種貨油都有最佳的卸載粘度[1]。因此，需要通過控制貨油的加熱過程，使貨油保持合適的粘度值。

貨油加熱過快會導致局部油品汽化、分層、變質等，加熱不足或加熱不充分會使貨油掛壁量、艙底殘余量增加，也會導致貨油泵轉速脈動。

目前國內外針對貨油加熱方法開展了諸多研究。吳瑜[2]針對貨油加熱保溫過程的熱傳遞方式，采用FLUENT對油船油艙的加熱過程進行流場模擬，得到貨油加熱主要采用自然對流換熱方式的結論；岳丹婷等[3]采用理論分析、實驗驗證和實船應用檢驗相結合的方法，得出貨油內部主要的傳熱方式是自然對流；金志輝[4]采取數值模擬與實驗相結合的方法，分析了貨油在加熱、保溫過程中的傳熱機理，也同樣得出貨油在加熱過程中以自然對流為主的結論。

為確定最佳加熱方案，張娟[5]采用MATLAB方法，實現了對油船加溫歷史數據的自主學習。耿宏章等[6]通過高溫高壓流變儀，在測定的原油粘度、溫度、壓力的基礎上，得出了原油的粘度和溫度符合指數特征關系的結論。朱祥等[7]利用已驗證的數值方法，研究了油船貨油在加熱過程中的流動特性，發現貨油溫度升高導致粘度降低，促進了艙內貨油流動。

由上述研究可知，油船的貨油加熱主要采用對流換熱方式，其粘度與溫度之間呈指數規律變化，而貨油粘度的降低有助于貨油的對流循環。

由此可見，利用粘度變化對貨油加熱過程進行控制具有一定的研究價值。目前，油輪貨油艙普遍沒有安裝粘度傳感器，因此，以粘度為研究對象研究貨油加熱過程的文獻很少。

為了在油船貨油加熱過程中實現對對流換熱狀況的監控，先測量油溫，再通過粘溫轉換擬合公式，獲得與油溫對應的實時粘度。為了進一步確定粘度對加熱過程的影響，搭建了油船貨油加熱模擬實驗臺，通過實驗比較貨油在不同加熱策略下粘溫與能耗的關系，以期獲得具有節能效應的粘度控制策略。

1 貨油粘度與溫度的關系

油船貨油常采用0.6～0.8 MPa的飽和蒸汽加熱，其升溫速率控制在3～5 ℃/d，卸油時的溫度較貨油傾點高15 ℃[8]。

貨油粘度與油溫之間的解析關系如下：

T=(TH+n·TM+TL)/(n+2)。

(1)

式中：TH、TM、TL分別為油艙內高位、中位、低位的油溫；n為權重因子。

貨油平均油溫所對應的平均粘度υ可表示為 ：

υ=1010k-0.8;

(2)

k=lg[lg(υ2+0.8)]-B[lg(T+273)-lg(T2+273)];

(3)

B={lg[lg(υ1+0.8)]-lg[lg(υ2+0.8)]}/[lg(T2+273)-lg(T1+273]。

(4)

式中:k為中間變量；T1、T2分別為初始、終點油溫，單位為℃；υ1、υ2分別為T1、T2所對應的粘度，單位為mm2/s；B為修正因子。

實驗用油為燃料油FO180。

運動粘度測定儀型號為DZY-0056(粘度計編號373，毛細管內徑為1.5mm，粘度常數C取0.569)，利用該測定儀對貨油粘度進行測定。

利用式(1)～式(4)可計算獲得貨油粘度值，計算值與測定值之間存在一定的偏差，偏差值隨油溫的變化成正態分布，具有收斂性，最大相對偏差8.4%。

燃料油(FO180)粘溫測定值與計算值對比如表1所示。

表1 燃料油(FO180)粘溫測定值與計算值對比

2 實驗與結果分析

2.1 實驗測試系統

油船貨油加熱測試系統示意圖如圖1所示。

電熱鍋爐產生的蒸汽經減壓閥后由電動蒸汽調節閥控制，從油艙(柜)上部引入，經過向下加熱管流至油艙的底部，加熱盤管集中于底部，產生的蒸汽凝水從油艙上部向上的加熱管引回水箱。油溫由分布在油柜內的高位、中位、低位的溫度傳感器獲取，并將信號傳遞至NI6225數據采集儀。采用LabVIEW編寫貨油粘溫測控軟件，對油溫等數據進行測取與計算，由程序控制蒸汽調節閥的開度并調節油溫。

2.2 測試方案

燃料油(FO180)質量3 900 kg；設定蒸汽減壓閥壓力波動范圍為0.53～0.59 MPa；平均油溫的權重因子n取3。

方案1)保持蒸汽調節閥全開，燃料油加熱時長為28 240 s，初始平均油溫為28.7 ℃，終了平均油溫為60.2 ℃，環境溫度為23.6 ℃。

方案2)蒸汽調節閥采用PID程序控制，加熱過程油溫均勻變化，加熱總時長為36 990 s，初始平均油溫為28.7 ℃，終了平均油溫為60.2 ℃，環境溫度為22.7 ℃。

2.3 實驗結果分析

2.3.1 方案1

保持蒸汽調節閥全開，對燃料油進行加熱，油溫與平均粘度變化分別如圖2和圖3所示。其中：A為平均溫度變化曲線；B為與平均溫度對應的平均粘度變化曲線。重要參量的變化如表2所示。

表2 蒸汽閥門全開時的重要參量變化

從圖3可看出，Ⅰ段初期加熱平均粘度下降較快，對應圖2的高位油溫上升較快，中位和低位油溫上升緩慢，平均油溫上升較快。Ⅰ段實際整艙(柜)的油并沒有充分升溫，存在局部過熱現象。經過Ⅰ段初期加熱后，出現Ⅱ段接近恒粘度變化狀態，該狀態表明油艙(柜)內的油品經過局部的對流換熱后艙柜內形成較為整體的對流換熱方式，四周低溫的油團不斷向換熱盤管移動，吸收熱量，使得平均溫度和平均粘度近似恒變。在Ⅱ段與Ⅲ段之間，艙柜內的燃料油粘度不均勻的油團變小，并能在對流作用下開始影響溫度傳感器的測量值，從而造成測量值波動。Ⅲ段與Ⅳ段粘度更低，低溫油團基本消失，對流換熱作用更強，進入平穩下降期。對于貨油加熱一般只需大于凝點15 ℃即可滿足泵送卸油，所以Ⅳ段及后面部分對于卸油操作沒有影響。每段耗電均為0.6 kW/h。

2.3.2 方案2

蒸氣調節閥采用PID程序控制，加熱過程平均油溫均勻變化，實驗結果如圖4、圖5所示。其中：C為等平均溫度設定線；D為以等平均溫度設定線對應的平均粘度變化線。圖5的Ⅴ段平均粘度在800 mm2/s左右，為一段接近等粘度線。Ⅴ段前期為粘度陡降段，表明油品吸收熱量后粘度會較大幅度減小。經過Ⅴ段后平均粘度又以一定的幅值下降。而且隨著不斷吸熱，粘度的異常波動減小，表明對流效果逐漸加強，油溫分布的不均勻度減小。

2.3.3 方案對比

方案1的圖3和方案2的圖5均出現一段近似水平的等平均粘度線，對應的粘度值分別約為700 mm2/s、800 mm2/s。在這一水平段前、后可以作為控制貨油加熱的拐點。當前期拐點出現時，表明經過初期加熱油艙內貨油已由局部區域對流換熱擴展至大范圍的對流換熱，可以適當提高加熱量，以縮短加熱時間。當后期拐點出現時，粘度隨加熱過程繼續下降，艙柜內已形成整體的對流放熱方式，可以適當減小加熱量，其目的在于盡可能減小對貨油持續性的高負荷加熱過程，避免油品汽化、變質、分層等。兩種方案能耗數據對比分析如表3所示。

表3 方案1與方案2能耗對比

從表3可以看出，方案1比方案2加熱時間少，總耗電量也少，但單位耗電量多0.02 kW·h。方案2由于采用PID控制加熱過程，使高位油溫上升受到抑制，避免了貨油質變。但是，過低負荷的加熱過程，必然延長加熱總時間，進而增加能量消耗。

兩種方案對比分析結果：高負荷加熱可降低加熱耗能，但易引發貨油質變；而低負荷加熱雖然可以保護油品質量，但加熱耗能會增加。

加熱過程平均粘度變化具有陡降期、恒定期、小幅下降期，可以通過PID程序控制貨油加熱量，從而控制油品粘度。陡降期貨油粘度較高，對流換熱效果較差，適當減小加熱強度，避免高熱負荷使油品發生劣化、分層等不良現象。當加熱使貨油粘度變化進入恒定期時，說明艙內對流循環加強，應加大蒸汽供應量，適當提高熱負荷，以節省燃料消耗。當進入小幅下降期，說明艙內貨油對流效果良好，油品粘度基本滿足泵送最低要求，可以結合不同油品的實際需要控制加熱升溫速度，或者使該艙進入保溫加熱模式。因此，利用恒定期出現的前期與后期作為判斷艙內貨油熱對流強度的依據，并以此作為調控加熱量的信號拐點，獲得合理的加熱總時間和加熱能量消耗，避免油品長期在高熱負荷下加熱。

3 結論

模仿油船貨油加熱方式，搭建實驗臺，選用FO180燃料油作為實驗對象，采用高位、中位、低位溫度傳感器對加熱過程的油溫進行測取，并通過粘溫轉換公式獲得粘度，得到如下結論：

1)可利用加熱過程貨油粘度穩定的持續時間作為調整蒸汽調節閥開度的依據。如在圖5的Ⅴ段，油艙內已形成較好的對流換熱方式，在該階段應增加加熱量以提高貨油的升溫率。而該過程的前、后均應適當降低加熱量以保護油品。

2)可將粘度的變化作為判斷艙內貨油熱對流強弱的依據。可利用貨油的粘溫特性優化貨油加熱控制過程，實現合理加熱與節省耗能的目標。