林華建，陳慶鵬，鄭超瑜，俞文勝

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院船舶與海洋工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；2.泉州師范學(xué)院交通與航海學(xué)院，福建 泉州 362000)

0 引言

油船在運(yùn)輸過程中需對貨油進(jìn)行升溫或降溫操作，以實(shí)現(xiàn)對貨油溫度的控制。然而，以單一的貨油溫度為指標(biāo)無法反映貨油在受熱過程中對流運(yùn)動(dòng)的變化趨勢，僅靠油溫監(jiān)控?zé)o法兼顧加熱過程對油品質(zhì)的保護(hù)。貨油粘度是影響艙內(nèi)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(huì)導(dǎo)致局部油品汽化、分層、變質(zhì)等，加熱不足或加熱不充分會(huì)使貨油掛壁量、艙底殘余量增加，也會(huì)導(dǎo)致貨油泵轉(zhuǎn)速脈動(dòng)。

目前國內(nèi)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(jìn)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(jié)論；岳丹婷等[3]采用理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)船應(yīng)用檢驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出貨油內(nèi)部主要的傳熱方式是自然對流；金志輝[4]采取數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了貨油在加熱、保溫過程中的傳熱機(jī)理，也同樣得出貨油在加熱過程中以自然對流為主的結(jié)論。

為確定最佳加熱方案，張娟[5]采用MATLAB方法，實(shí)現(xiàn)了對油船加溫歷史數(shù)據(jù)的自主學(xué)習(xí)。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(chǔ)上，得出了原油的粘度和溫度符合指數(shù)特征關(guān)系的結(jié)論。朱祥等[7]利用已驗(yàn)證的數(shù)值方法，研究了油船貨油在加熱過程中的流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)貨油溫度升高導(dǎo)致粘度降低，促進(jìn)了艙內(nèi)貨油流動(dòng)。

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(shù)規(guī)律變化，而貨油粘度的降低有助于貨油的對流循環(huán)。

由此可見，利用粘度變化對貨油加熱過程進(jìn)行控制具有一定的研究價(jià)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(xiàn)很少。

為了在油船貨油加熱過程中實(shí)現(xiàn)對對流換熱狀況的監(jiān)控，先測量油溫，再通過粘溫轉(zhuǎn)換擬合公式，獲得與油溫對應(yīng)的實(shí)時(shí)粘度。為了進(jìn)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)比較貨油在不同加熱策略下粘溫與能耗的關(guān)系，以期獲得具有節(jié)能效應(yīng)的粘度控制策略。

1 貨油粘度與溫度的關(guān)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(shí)的溫度較貨油傾點(diǎn)高15 ℃[8]。

貨油粘度與油溫之間的解析關(guān)系如下：

T=(TH+n·TM+TL)/(n+2)。

(1)

式中：TH、TM、TL分別為油艙內(nèi)高位、中位、低位的油溫；n為權(quán)重因子。

貨油平均油溫所對應(yīng)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(diǎn)油溫，單位為℃；υ1、υ2分別為T1、T2所對應(yīng)的粘度，單位為mm2/s；B為修正因子。

實(shí)驗(yàn)用油為燃料油FO180。

運(yùn)動(dòng)粘度測定儀型號(hào)為DZY-0056(粘度計(jì)編號(hào)373，毛細(xì)管內(nèi)徑為1.5mm，粘度常數(shù)C取0.569)，利用該測定儀對貨油粘度進(jìn)行測定。

利用式(1)～式(4)可計(jì)算獲得貨油粘度值，計(jì)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(tài)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(jì)算值對比如表1所示。

表1 燃料油(FO180)粘溫測定值與計(jì)算值對比

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

油船貨油加熱測試系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

電熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)減壓閥后由電動(dòng)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制，從油艙(柜)上部引入，經(jīng)過向下加熱管流至油艙的底部，加熱盤管集中于底部，產(chǎn)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(nèi)的高位、中位、低位的溫度傳感器獲取，并將信號(hào)傳遞至NI6225數(shù)據(jù)采集儀。采用LabVIEW編寫貨油粘溫測控軟件，對油溫等數(shù)據(jù)進(jìn)行測取與計(jì)算，由程序控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度并調(diào)節(jié)油溫。

2.2 測試方案

燃料油(FO180)質(zhì)量3 900 kg；設(shè)定蒸汽減壓閥壓力波動(dòng)范圍為0.53～0.59 MPa；平均油溫的權(quán)重因子n取3。

方案1)保持蒸汽調(diào)節(jié)閥全開，燃料油加熱時(shí)長為28 240 s，初始平均油溫為28.7 ℃，終了平均油溫為60.2 ℃，環(huán)境溫度為23.6 ℃。

方案2)蒸汽調(diào)節(jié)閥采用PID程序控制，加熱過程油溫均勻變化，加熱總時(shí)長為36 990 s，初始平均油溫為28.7 ℃，終了平均油溫為60.2 ℃，環(huán)境溫度為22.7 ℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 方案1

保持蒸汽調(diào)節(jié)閥全開，對燃料油進(jìn)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(yīng)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(shí)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(yīng)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(shí)際整艙(柜)的油并沒有充分升溫，存在局部過熱現(xiàn)象。經(jīng)過Ⅰ段初期加熱后，出現(xiàn)Ⅱ段接近恒粘度變化狀態(tài)，該狀態(tài)表明油艙(柜)內(nèi)的油品經(jīng)過局部的對流換熱后艙柜內(nèi)形成較為整體的對流換熱方式，四周低溫的油團(tuán)不斷向換熱盤管移動(dòng)，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(nèi)的燃料油粘度不均勻的油團(tuán)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(dòng)。Ⅲ段與Ⅳ段粘度更低，低溫油團(tuán)基本消失，對流換熱作用更強(qiáng)，進(jìn)入平穩(wěn)下降期。對于貨油加熱一般只需大于凝點(diǎn)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(diào)節(jié)閥采用PID程序控制，加熱過程平均油溫均勻變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。其中：C為等平均溫度設(shè)定線；D為以等平均溫度設(shè)定線對應(yīng)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(huì)較大幅度減小。經(jīng)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(dòng)減小，表明對流效果逐漸加強(qiáng)，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(xiàn)一段近似水平的等平均粘度線，對應(yīng)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(diǎn)。當(dāng)前期拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，表明經(jīng)過初期加熱油艙內(nèi)貨油已由局部區(qū)域?qū)α鲹Q熱擴(kuò)展至大范圍的對流換熱，可以適當(dāng)提高加熱量，以縮短加熱時(shí)間。當(dāng)后期拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，粘度隨加熱過程繼續(xù)下降，艙柜內(nèi)已形成整體的對流放熱方式，可以適當(dāng)減小加熱量，其目的在于盡可能減小對貨油持續(xù)性的高負(fù)荷加熱過程，避免油品汽化、變質(zhì)、分層等。兩種方案能耗數(shù)據(jù)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(shí)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(zhì)變。但是，過低負(fù)荷的加熱過程，必然延長加熱總時(shí)間，進(jìn)而增加能量消耗。

兩種方案對比分析結(jié)果：高負(fù)荷加熱可降低加熱耗能，但易引發(fā)貨油質(zhì)變；而低負(fù)荷加熱雖然可以保護(hù)油品質(zhì)量，但加熱耗能會(huì)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(dāng)減小加熱強(qiáng)度，避免高熱負(fù)荷使油品發(fā)生劣化、分層等不良現(xiàn)象。當(dāng)加熱使貨油粘度變化進(jìn)入恒定期時(shí)，說明艙內(nèi)對流循環(huán)加強(qiáng)，應(yīng)加大蒸汽供應(yīng)量，適當(dāng)提高熱負(fù)荷，以節(jié)省燃料消耗。當(dāng)進(jìn)入小幅下降期，說明艙內(nèi)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(jié)合不同油品的實(shí)際需要控制加熱升溫速度，或者使該艙進(jìn)入保溫加熱模式。因此，利用恒定期出現(xiàn)的前期與后期作為判斷艙內(nèi)貨油熱對流強(qiáng)度的依據(jù)，并以此作為調(diào)控加熱量的信號(hào)拐點(diǎn)，獲得合理的加熱總時(shí)間和加熱能量消耗，避免油品長期在高熱負(fù)荷下加熱。

3 結(jié)論

模仿油船貨油加熱方式，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，選用FO180燃料油作為實(shí)驗(yàn)對象，采用高位、中位、低位溫度傳感器對加熱過程的油溫進(jìn)行測取，并通過粘溫轉(zhuǎn)換公式獲得粘度，得到如下結(jié)論：

1)可利用加熱過程貨油粘度穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間作為調(diào)整蒸汽調(diào)節(jié)閥開度的依據(jù)。如在圖5的Ⅴ段，油艙內(nèi)已形成較好的對流換熱方式，在該階段應(yīng)增加加熱量以提高貨油的升溫率。而該過程的前、后均應(yīng)適當(dāng)降低加熱量以保護(hù)油品。

2)可將粘度的變化作為判斷艙內(nèi)貨油熱對流強(qiáng)弱的依據(jù)。可利用貨油的粘溫特性優(yōu)化貨油加熱控制過程，實(shí)現(xiàn)合理加熱與節(jié)省耗能的目標(biāo)。