赵建华++李岩

摘 要：本文采用理论分析和实船验证相结合的方法，针对某远洋运输公司的六种型号的双壳油轮的油舱货油的温度控制方式进行了研究。应用非稳态导热集总参数法建立了油舱的加热和保温的物理数学模型，并且研制出了油轮货油温度控制软件。通过实船应用验证了货油温度控制软件建模的可靠性。将软件计算结果和实船数据的校核，软件计算得加热工况下耗油量最大误差在10.3%；恒温工况下恒温温度最大误差为3.7%

关键词：油轮；集总参数法；货油温度控制

中国经济发展正處在工业化的起飞时期，石油是中国经济稳步快速发展的基础。随着人口持续增长和经济总量迅速增加，端倪已露的石油供求矛盾将会更加严峻。2000至2009年，我国原油消费量由2.41亿吨上升到3.88亿吨，年均增长6.78%，原油净进口量由5969万吨上升至1.99亿吨，对外依存度也由24.8%飙升到51.29%。随着经济的进一步发展和人民生活水平的提高（家庭轿车数量的增加），中国原油的对外依存度将逐渐上升。在2010年原油进口中，90%来自海上运输，达到2.1亿吨。因此海上石油运输对于中国国民经济的发展起着至关重要的作用。

原油是一种粘稠的液体，原油粘度大小取决于温度、压力、溶解气量及其化学组成。当原油温度增高其粘度降低。在原油的运输途中必须对原油加温，才能保证油轮到达目的港后能顺利卸油。现今油轮普遍采用的加热方式是在油舱布置蒸汽管道加热。从经济性考虑，货油加热的起始点过早那么锅炉耗油越多经济性越差，但是加热起始点过晚则到港后货油粘度不能达到卸货要求，也将延误了航期。现今大部分油船依靠船员的经验控制加热时间，但是船员为了不延误航期宁可选择过多的加热货油，致使货油温度过高，这样不但不节能而且会延长卸油时间甚至降低石油的品质。本文根据非稳态集总参数法建立了油轮加热保温过程中的物理数学模型，研发油轮货油加热与保温过程计算系统，并且通过实船数据进行了检验，验证该计算软件的可靠性。该货油温度管理软件为油轮船员提供了操作指南，提高了船舶营运的经济性，降低了船舶运营的污染性，在绿色发展、循环发展、低碳发展的道路上做出了一定的贡献。

一、油轮货油加热保温模型

（一）研究对象

本项目针对某远洋运输公司的60000DWT、65000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT七种船型18艘双壳体油轮300多种货油运输过程中，油舱货油的加热和保温的经济方式进行分析研究。

（二）假设条件

（1）把货油与惰气按照一个整体考虑，则二者同温；

（2）运用集总参数法，忽略油舱内部货油和惰气的热阻；

（3）货油的热力学参数变化取温度变化的平均值；

（4）外界大气温度tair与海水温度tsea取实测值的平均值；

（5）忽略货油内部因为物理化学变化的内热源，忽略边界层原油和石蜡的凝固潜热；

（6）对货油进行加热的蒸汽温度t0=（t出气+t回气）/2，其传热系数为K。；

（7）忽略货油与油舱内底壳的对流换热热阻，认为油轮内底壳温度与油温相等；

（8）侧面双层内外壳之间的传热过程近似看成导热过程。

图1 油轮典型横剖图

二、油轮货油温度控制系统功能简介

油轮货油加温最佳方案操作系统是依据传热传质学、锅炉工作原理及现代控制理论建立的油轮货油加热、保温和恒温计算模型而研制的。它适用于该远洋运输公司的66000DWT、68000DWT、72000DWT、75000DWT、110000DWT、159000DWT六种船型16艘油轮。

该系统具有以下三项功能：（1）货油加热操作系统；（2）货油保温操作系统；（3）货油恒温操作系统。

（1）货油加热操作系统是根据货油舱的载货情况及加温要求，分别计算加热蒸汽压力值为0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa这九种情况下的加热时间（锅炉工作时间）、总耗油量、货油舱加热阀门操作计划及货油舱货油温度变化曲线，并以柱形图、曲线图及列表的形式显示出来，以方便进行更直观的比较、更准确的选择和更方便的操作。

（2）货油保温操作系统是根据货油舱的载货情况及保温要求，分别计算加热蒸汽压力值设定在0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa、0.6MPa、0.65MPa及0.7MPa这九种情况下的加热时间（锅炉工作时间）、总耗油量、货油舱加热阀门操作计划及货油舱货油温度变化曲线，并以柱形图、曲线图及列表的形式显示出来，以方便进行更直观的比较、更准确的选择和更方便的操作。

（3）货油恒温操作系统是根据货油舱载货情况及恒温要求，计算加热蒸汽压力值、总耗油量、货油舱加热阀门操作计划及货油舱货油温度变化曲线，并以柱形图、曲线图及列表的形式显示出来，以方便船员的操作。

三、货油温度控制系统实船验证

将货油温度控制软件应用于油船运输中，结果如下表所示。

通过将货油温度软件的计算结果和实际数值进行比较验证了该软件的可靠性。

（1）由表1可知在设计工况和加热工况下本软件的计算的耗油量是准确的。

（2）由表2和表3可知在保温工况和恒温工况下本软件计算出的耗油量较少，这是因为在保温工况和恒温工况下，油轮管理人员的经验操作是将货油一直加热，但是本软件所制订的操作计划比油轮管理人员的经验操作要更科学，所以按照软件的操作计划操作能提高船舶运营经济性。

（3）由表3可以看到恒温工况下，恒温温度比要求温度略低，符合恒温要求。综上所述将此油船货油温度控制软件应用于油船运输是可靠的。该软件不但能够为油轮船员提供科学可靠的货油温度控制操作计划，而且又能节油减排提高船舶运营的经济性，同时降低温室气体排放和改善环境污染。

四、结语

根据非稳态集总参数法建立并改进的油轮加热和保温的物理数学模型是科学的，对于货油温度的影响因素考虑更加周全，在改进的油轮加热保温数学模型的基础上开发的油轮货油温度控制软件，准确度高，操作性强。通过软件计算时间和实船数比较，该软件加热工况下耗油量最大误差在10.3%，保温工况下该软件提供了更科学的操作方案，比船员的经验操作要节油。恒温工况下软件计算得温度场和实际的温度最大误差为3.7%。

参考文献：

[1]毕浩然.飞速发展的中国油轮市场.中国远洋航务.2007年，第03期.

[2]殷佩海，史际昌，张立法.油轮货油加热节能技术的研究，纪念中国高等航海教育暨大连海运学院校庆八十周年学术报告会，中国航海学会，18页.

[3]张园园，热油管道停输降温过程的数值计算：（硕士学位论文）.中国石油大学，2007.4.

[4]金志辉.基于Fluent平台的油轮加热和保温过程的流场分析：（硕士学位论文）.大连海事大学，2006.