CN105201699B - 基于套管形式的船舶燃油预热系统及其预热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于套管形式的船舶燃油预热系统及预热方法，属于船舶燃油预热技术领域。一种基于套管形式的船舶燃油预热系统，其特征在于：在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；燃油预热管路比燃油输送管路直径小，位于储存舱内部的一段燃油预热管路B位于对应的燃油输送管路A之内，A、B管路各自设置调节阀；所述A管路的流量大于B管路的流量；所述管路A与管路B之间设有带截止阀的连通管C。

Description

基于套管形式的船舶燃油预热系统及其预热方法

技术领域

本发明涉及一种基于套管形式的船舶燃油预热系统及预热方法，属于船舶燃油预热技术领域。

背景技术

船舶燃油输送系统中，需要将燃油从储存舱中输送至沉淀柜。储存舱中的燃油一般为重燃油，其粘度随温度不同变化差别极大，温度越高，粘度越低，如某一款重燃油在50℃下粘度为380cSt，而在0℃时接近20000cSt。粘度大会导致输送泵抽吸燃油时阻力大而增加功耗甚至无法泵送，因此有必要对燃油预先进行加热至一定温度以降低粘度再泵送。目前运营船舶重油的传统加热方式是通过在船两侧的燃油舱内布置加热盘管，通过蒸汽加热重油来达到驳运条件，如图1所示。采用加热盘管来加热重油，达到输运条件后，开启阀门，从吸口往外抽吸燃油。这种方式缺点明显：1)能量利用率较低。盘管加热的是整舱燃油，而实际中需要泵送的燃油量相对燃油储存舱容积很小，因此相当部分热量被用来加热不必泵送的燃油，而这部分热量易通过舱壁与外界进行热交换而被浪费。2)会产生较大范围高温区。当储存舱邻近压载舱或货舱时，压载舱壁高温会加速腐蚀的发生，同时也会给对温度敏感的货物，比方谷物，煤炭等带来破坏。3)当燃油液位低于加热盘管的时候，暴露在空气中的盘管会加速燃气挥发并形成硬垢。4)加热盘管布置高度不能太低，当燃油液位完全低于加热盘管的时候，燃油将很难被输送，导致了燃油留存。

为了解决燃油输送系统中加热盘管带来的问题，现有技术中也出现了新型燃油转换装置，其主要设计思想是：在燃油储存舱中设置一个小隔舱，隔舱与储存舱相通，首先往小隔舱中泵入沉淀柜中的高温燃油，预热得到一定量的相对高温燃油，达到泵送条件，然后采用燃油输送泵抽吸燃油至沉淀柜，如此往复循环。图2给出的是燃油储存舱中的隔舱方案示意图。隔舱设计的主要目的是使注入的热燃油尽量主要被用来加热局部区域的冷燃油，且控制被加热的燃油不至于太分散，而是集中在小隔舱内，使被抽出燃油均为相对高温燃油，便于泵送。尽管这种燃油转换装置能较好地避免盘管加热带来的问题，也更节约运营成本，但是也存在缺点——其预热效果的好坏依赖于隔舱方案的设计，不合理的隔舱设计可能导致隔舱内燃油温度分布不均、热油积聚在隔舱上方、冷热油换热不充分、吸口附近油温过低等问题，这将弱化其相对于传统盘管加热方式的优势，运行工况恶化时甚至可能增加运营成本，甚至经济性劣于盘管加热。因此，合理的隔舱方案设计是整个燃油预热系统的关键。

公布日2015年8月5日，公布号为CN104819080A，名称为《一种船舶燃油预热系统及预热方法》公开了一种船舶燃油预热系统，该方案采用了“小隔舱”的形式，对小隔舱内的燃油进行预热，其存在的问题是：

1)燃油预热不均匀：其预热泵和输送泵时交替开启的，当预热泵关停后，输送泵开启，根据热油向上，冷油向下的原理，此时热油位于小隔舱的上部，抽吸输送时，流入管路A中的油温是不稳定的，而且随着时间推移，流入管路A中的油温会有所下降，即使严格控制输送泵和预热泵开启的时间长度，也难以确保油温的稳定性。

2)热油和冷油仅仅依靠热扩散进行换热，换热的效果不佳，油温的控制难度较大。

3)输送泵开启后随着油温降低，粘度增大，功率会有一个逐渐增大的过程，导致电机功率不稳定，寿命受到影响。

4)输送泵和预热泵需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率较低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：现有的采用小隔舱进行船舶燃油预热的方案，燃油预热不均匀；换热的效果不佳，油温的控制难度较大；泵的电机功率不稳定，寿命受到影响；输送泵和预热泵需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率较低。

本发明采取以下技术方案：

一种基于套管形式的船舶燃油预热系统，在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；燃油预热管路比燃油输送管路直径小，位于储存舱内部的一段燃油预热管路B位于对应的燃油输送管路A之内，A、B管路各自设置调节阀；所述A管路的流量大于B管路的流量；所述管路A与管路B之间设有带截止阀的连通管C。

本技术方案对现有技术的带小隔舱的燃油预热系统进行优化设计：

在储存舱内部的注油管B管口位于抽油管A的内部，两者同轴，在管口处热油与冷油发生强对流换热，充分混合，且抽油管A的流量大于注油管B，热油基本被冷油包络，使得热量不容易扩散浪费，高温燃油携带的热量能充分有效用来加热储存舱内抽油管A管口的冷油，能量利用率提高。

燃油注抽同时进行。冷油、高温燃油及被加热的燃油三者都处于运动状态，对流换热占据主流，而现存燃油预热方案基本以热扩散为主，对流换热强度和速度要大大高于热扩散，因此，换热效率和程度要明显提高，且经数值模拟验证，待系统稳定运行后，被抽出燃油的温度基本维持在相对较小的范围内，能更好地符合燃油输运条件。

进一步的，位于储存舱内的A、B管路同轴。

进一步的，A管路位于储存舱内的管口部位具有喇叭口。

进一步的，在热油不至于损坏舱底的情况下A、B管口可尽量接近舱底，但不能太近，以免流动阻力过大。

一种基于套管形式的船舶燃油预热方法，包括以下步骤：

A)由预热泵注入B管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1，储存舱内的B管通过其管壁对A管内的燃油先进行预热；

B)预热泵与输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2；输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。

进一步的，步骤A)中，储存舱外的A管有蒸汽伴行加热。

另一种基于套管形式的船舶燃油预热方法，包括以下步骤：

A)打开管路C的调节阀，关闭管路B的调节阀，预热泵开启，预热燃油经A管进入储存舱，储存舱内的A管内、B管外的冷油被热油推入储存舱内；由预热泵注入A管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1；

B)关闭管路C的调节阀，打开管路B的调节阀，输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2，输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。

这种预热方法较之前一方法，起步时预热的速度更快，因为将热油直接通过管路C推动管路A内冷油向前运动，直至推至储存舱中，从而快速使管A内充满高温燃油，在输送泵工作时不会因为A管内低温燃油粘度过大造成输送泵无法启动。

本发明的有益效果在于：

1)绿色节能，降低营运成本。由于只加热部分燃油，且热量被有效利用，与外界热交换减少，符合绿色节能理念，并能有效降低船舶营运成本。

2)避免了由加热盘管带来的结垢、蒸汽泄漏、燃油留存等问题，且免于盘管加热系统的安装、维护。

3)不会因为燃油储存舱温度高而损坏邻近货物，也不会造成压载舱的腐蚀。

4)不同于盘管加热整舱燃油，本设计只需加热局部区域冷油，故比盘管方式加热速度更快，且系统简单、稳定、易操作。

5)对比对比公布号为CN104819080A中国专利文献中的现有方案，套管式方案能进一步减少热量损失，将热量利用率最大化。同时，隔舱已无必要，降低施工难度和成本。取消小隔舱的设计，没有了小隔舱与外界流体的散热，减小了系统热量的损失。

6)热油和冷油依靠强对流换热，换热的效果更好，油温的控制难度较低。

7)输送泵与预热泵的功率稳定，电机寿命得以提升。

8)输送泵和预热泵无需按照设定程序交替开启，热油输送的工作效率大大提升。

9)粗管管口处有喇叭口，且高温燃油密度较低，故使得高温燃油基本停留在抽出管内而不会流往大舱，减少了向燃油储存舱与外界的热交换损失；

10)主要在套管内形成相对高温区，只要合理布置吸口位置，就不会影响到压载舱以及货舱中的货物；

11)本设计中吸口可以放置较低(100mm)，可泵送燃油量只与吸口高度有关，而不受制于加热盘管，故燃油留存问题可显著改善。

12)双管同时运行及双管尽量同心布置，使得冷热油尽可能均匀混合，以期最好换热效果；热油注入管方向与冷油进口正好相反，冷热油充分混合，强制对流换热，能更有效地促进热交换。而且，本方案的热交换损失仅为抽出管与大舱燃油接触面的导热散热，注入管的高温燃油被最大化利用是较现存方案更好的选择。

附图说明

图1是现有技术采用盘管加热的燃油预热系统的示意图。

图2是现有技术采用燃油转换装置的燃油预热系统的示意图。

图3是本发明基于套管形式的船舶燃油预热系统运行流程图。

图4是注油管与抽油管布置在储存舱内的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明具体设计方案如图3所示：在燃油储存舱和燃油沉淀舱之间设置燃油预热和输送两条管路，两管路设置连通。预热管路设置燃油预热泵，从燃油沉淀柜泵送高温燃油至储存低温燃油的燃油储存舱；预热燃油输送管路设置燃油输送泵，将加热的燃油输送至沉淀柜。两条支路均设置相应方向的截止止回阀。高温燃油在燃油储存舱内的吸入口与燃油储存舱内的低温燃油发生强烈对流换热，对流换热后的燃油温度达到可以泵送的温度，被燃油输送泵抽走。燃油输送泵和预热泵管路的连通管阀门保持常闭，只有初始预热的时候才开启。预热完成后，两台泵同时工作。

套管方案设计如图4所示，在燃油储存舱一角(邻近无压载舱、货舱等易受高温影响处所)布置该套管；管径由燃油消耗量和输送泵、预热泵排量定；抽出管管口加工一个喇叭口，防止热油溢出；条件允许的情况下，注油管内置于抽油管的长度越长越好，储存舱部分可保持套管式，储存舱外由于有蒸汽伴行，可分开。

关键点：本发明的目的在于使注入的热油与冷油热交换得到符合泵送条件的相对高温燃油，本设计以燃油t＝40℃作为适合输送标准。因此，如何使热油和冷油充分热交换得到尽可能多的相对高温燃油，以及如何使热量被主要用于加热某区域内的燃油就显得十分重要。鉴于此，本发明的关键点和保护点如下：

注入管内置于抽出管，二者尽量保持同心。热油注入与冷油补充反向，在吸口以内冷热油能充分混合，发生强制对流换热，且注入管口径相对于吸口要小很多，热油基本被冷油包络，使得热量不容易扩散至基本为低温重油的大舱区，高温燃油携带的热量能充分有效用来加热小隔舱内冷油，能量利用率提高。此外，热油与大舱冷油接触面面积明显减小，降低了散热量。

燃油注抽同时进行。冷油、高温燃油及被加热的燃油三者都处于运动状态，对流换热占据主流，而现存燃油预热方案基本以热扩散为主，一般而言，对流换热强度和速度要大大高于热扩散，因此，换热效率和程度要明显提高，且经数值模拟验证，待系统稳定运行后，被抽出燃油的温度基本维持在相对较小的范围内，能更好地符合燃油输运条件。

本预热系统的具体预热过程有两种：

第一种，包括以下步骤：

A)由预热泵注入B管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1，储存舱内的B管通过其管壁对A管内的燃油先进行预热；

B)预热泵与输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2；输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。

第二种，包括以下步骤：

A)打开管路C的调节阀，关闭管路B的调节阀，预热泵开启，预热燃油经A管进入储存舱，储存舱内的A管内、B管外的冷油被热油推入储存舱内；由预热泵注入A管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1；

B)关闭管路C的调节阀，打开管路B的调节阀，输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2，输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。

这种预热过程较之前一过程，起步时预热的速度更快，因为将热油直接通过管路C推动管路A内冷油向前运动，直至推至储存舱中，从而快速使管A内充满高温燃油，在输送泵工作时不会因为A管内低温燃油粘度过大造成输送泵无法启动。

Claims (6)

1.一种基于套管形式的船舶燃油预热方法，其特征在于，采用船舶燃油预热系统：在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；燃油预热管路比燃油输送管路直径小，位于储存舱内部的一段燃油预热管路B位于对应的燃油输送管路A之内，A、B管路各自设置调节阀；所述A管路的流量大于B管路的流量；所述管路A与管路B之间设有带截止阀的连通管C；

所述船舶燃油预热方法包括以下步骤：

A)由预热泵注入B管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1，储存舱内的B管通过其管壁对A管内的燃油先进行预热；

B)预热泵与输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2；输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。

2.如权利要求1所述的船舶燃油预热方法，其特征在于：步骤A)中，储存舱外的A、B管有蒸汽伴行加热。

3.如权利要求1所述的船舶燃油预热方法，其特征在于：位于储存舱内的A、B管路同轴。

4.如权利要求1所述的船舶燃油预热方法，其特征在于：A管路位于储存舱内的管口部位具有喇叭口。

5.如权利要求1所述的船舶燃油预热方法，其特征在于：在热油不至于损坏舱底的情况下A、B管口可尽量接近舱底，但不能太近，以免流动阻力过大。

6.一种基于套管形式的船舶燃油预热方法，其特征在于，采用船舶燃油预热系统：在储存舱和沉淀柜之间设置燃油预热和输送两条管路，一路设置预热泵，为储存舱提供高温燃油，另一路设置输送泵，将加热的重油输送至沉淀柜，两条支路均设置相应方向的截止止回阀，防止管路方向错位；燃油预热管路比燃油输送管路直径小，位于储存舱内部的一段燃油预热管路B位于对应的燃油输送管路A之内，A、B管路各自设置调节阀；所述A管路的流量大于B管路的流量；所述管路A与管路B之间设有带截止阀的连通管C；

所述船舶燃油预热方法包括以下步骤：

A)打开管路C的调节阀，关闭管路B的调节阀，预热泵开启，预热燃油经A管进入储存舱，储存舱内的A管内、B管外的冷油被热油推入储存舱内；由预热泵注入A管往储存舱注入t1时间的高温燃油，流量Qv1；

B)关闭管路C的调节阀，打开管路B的调节阀，输送泵同时开启，A、B两条管路同时运行：预热泵经管B注入，流量Qv2，输送泵经管A抽出，流量Qv3，Qv3大于Qv2。