摘 要 :MGO(Marine Gas Oil)是低硫輕柴油,粘度很低,為了滿足船用燃油設(shè)備的粘度要求,必須提高其粘度。文章詳細(xì)介紹了采用冷卻器進(jìn)行熱交換來加以解決,對(duì)實(shí)船的設(shè)計(jì)和訂貨有一定的參考價(jià)值。
1 概述自 2010 年 1 月 1 日起,歐盟港口開始單邊實(shí)施船舶強(qiáng)制使用低硫燃油的法令 2005/33/EC。法令規(guī)定:2010 年1 月 1 日起,在歐盟港口停泊(包括錨泊、系浮筒、碼頭停泊)超過 2 小時(shí)的船舶不得使用硫含量超過 0.1%m/m 的燃油,船舶停泊后應(yīng)盡早轉(zhuǎn)換為低硫燃油(硫含量不超過0.1%m/m),船舶開航前盡量晚切換成高硫燃油;燃油轉(zhuǎn)換操作應(yīng)記錄在船舶日志上。該限制適用于所有燃油種類及所有燃燒設(shè)備,包括主鍋爐和輔鍋爐。該法令和現(xiàn)有的“波羅的海、英吉利海峽及美北海排放控制區(qū)(ECA)”要求的實(shí)施,意味著船舶必須備有合適的燃油及可行的儲(chǔ)存和操作系統(tǒng)。IMO 和 CARB 燃油硫含量限值及應(yīng)用階段見圖 1。
2 面對(duì)的問題
長(zhǎng)時(shí)間使用 MGO 會(huì)導(dǎo)致 MGO 粘度降低,因?yàn)橹鳈C(jī)的回油和新油混合會(huì)使燃油溫度提高,這樣當(dāng)粘度小于 2cSt時(shí)很容易造成高壓油泵咬死,所以如果船上遵循此規(guī)范,
就必須控制主機(jī)進(jìn)油口的粘度,就應(yīng)該添加必要的冷卻設(shè)備。目前需解決的問題是:
(1) 人們把硫含量低于 0.1%的低硫柴油稱為 MGO(Marine Gas Oil),意思是船用汽油,易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)性很大。
(2)MGO 含硫量低同時(shí)其粘度也很低,40℃時(shí)是 1.5cSt及以上。
(3)目前冷卻設(shè)備設(shè)計(jì)還不全面,無(wú)法滿足所有要求。研究空調(diào)系統(tǒng)的科研人員考慮采用 Chiller Unit,用制冷劑作為熱交換介質(zhì)的冷水機(jī)組,可以將 MGO 的油溫降低到20℃,燃油的粘度等級(jí)完全可以達(dá)到要求。但此冷卻設(shè)備體積較大,且投入成本較高。
(4)采用板式冷卻器(Cooler Unit)。
3 選型研究
3.1 制冷單元
以輔機(jī) MGO 的制冷單元為例。
3.1.1 冷水機(jī)組
(1) 冷 媒 :R404A 或 R134A 或R407C。(2)冷凝器端冷卻水類型:36℃低溫淡水。(3) 冷凝器端冷凝溫度:40℃。(4)蒸發(fā)器端冷卻水溫度:從 12℃到 7℃。(5)MGO 端冷卻溫度:從 42℃到 20℃。(6)MGO 冷卻器冷媒:36℃低溫淡水。
3.1.2 壓縮機(jī)電機(jī) 4.2kW/1200rpm
3.1.3 冷凝器
(1)型式:臥式殼管式。(2)冷卻水類型:36℃低溫淡水。(3) 冷卻水消耗量:3m 3 /h。(4)冷凝溫度:40℃。
3.1.4 蒸發(fā)器
(1)型式:臥式殼管式。(2)水進(jìn)口溫度:12℃。(3)水出口溫度:7℃。
3.1.5 冷水機(jī)組配件
制冷劑貯液罐、電磁閥、膨脹閥、視液鏡、干燥濾器等。
3.2 MGO 低硫油冷卻單元
3.2.1 膨脹水箱
(1)容量大約 49 升。(2)#高工作壓力:0.25MPa。(3)附件有:用于液位控制的管子開關(guān)、手動(dòng)進(jìn)水閥、自動(dòng)進(jìn)水閥、止回閥、出水閥、泄放閥、排氣閥、安全閥、
隔膜壓力表等。
3.2.2 水濾器
3.2.3 冷卻水泵
3.2.4 冷卻器
(1)型式:板式熱交換器。(2)#大冷卻功率:10.52kW。(3)結(jié)垢熱損失:20%。(4)低硫油進(jìn)口溫度:42℃。(5)低硫油出口溫度:20℃。(6)冷卻水進(jìn)口溫度:7℃。(7)冷卻水出口溫度:12℃。(8)附件有:旁通閥、截止閥、安全閥、電動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥。
3.2.5 溫控閥
帶位置驅(qū)動(dòng)溫控閥,由 PT100 輸出信號(hào)控制,以控制到 MGO 冷卻器的冷卻水量。
3.3 電氣及控制
采用 PLC 自動(dòng)控制報(bào)警及各啟動(dòng)功能,包括電控箱、報(bào)警信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)及電氣連接。機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行后,自動(dòng)控制系統(tǒng)將根據(jù)燃油回油設(shè)定溫度,自動(dòng)控制機(jī)組的能量調(diào)節(jié)。
從以上配置可以看出,采用冷水機(jī)組的原理可以將水制冷到 7℃,然后通過板式冷卻器進(jìn)行熱交換,將 42℃的MGO 低硫油冷卻到 20℃,從根本上確保了 MGO 的粘度能夠控制到 2cSt 以下。但熱交換設(shè)備復(fù)雜,占用船上空間大,且需電氣控制系統(tǒng),產(chǎn)生故障的頻率增大,費(fèi)用相當(dāng)高,Chiller Unit 流程圖及外形圖見圖 2。
3.4 海水冷卻單元
在主機(jī)及發(fā)電機(jī)燃油進(jìn)油管路上各安裝 1 臺(tái)好立的板式熱交換器,用 32℃的海水去冷卻 NGO,可以冷卻到35℃,板片的材料采用 0.5mm 厚的鈦板。經(jīng)過試驗(yàn),燃油的粘度非常接近 2cSt。當(dāng)然,如果海水溫度低于 32℃,則MGO 冷卻后的溫度更低,粘度將低于 2cSt。
用海水作為冷側(cè)熱交換介質(zhì)板式冷卻器,板片數(shù)量少,冷卻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制簡(jiǎn)單,布置占用空間小,成本非常低。但是,海水冷卻的熱交系統(tǒng)是開式系統(tǒng),一旦冷卻器的板片結(jié)構(gòu)發(fā)生泄漏,熱側(cè)的燃油滲漏到冷側(cè)的海水側(cè),燃油將會(huì)排入海中,對(duì)海洋環(huán)境造成污染,這是 IMO 和SOKAS 不允許的。
3.5 淡水冷卻單元
在主機(jī)及發(fā)電機(jī)燃油進(jìn)油管路上各安裝 1 臺(tái)好立的板式熱交換器,用 36℃的淡水去冷卻 NGO,可以冷卻到35℃,板片的材料采用 0.5mm 厚的鈦板。經(jīng)過試驗(yàn),燃油的粘度非常接近 2cSt。隨著煉油技術(shù)的不斷提高,目前,只要確保 40℃左右的冷卻溫度,MGO 的粘度完全可以達(dá)到2cSt 以上。當(dāng)然,如果海水溫度低于 32℃,則 MGO 冷卻后的溫度更低,粘度將低于 2cSt。
4 結(jié)束語(yǔ)
船上的主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等使用燃油的設(shè)備,均要求燃油的粘度不低于 2cSt,否則將加劇零部件的磨損。對(duì)于柴油機(jī),油泵磨損后,內(nèi)部泄漏量增大,導(dǎo)致噴射壓力不足,可能會(huì)造成主機(jī)無(wú)法啟動(dòng)。用船上造水機(jī)自產(chǎn)的淡水通過板式熱交換器去冷卻燃油,既經(jīng)濟(jì)又清潔環(huán)保。
目前的#新優(yōu)化設(shè)計(jì)是將淡水冷卻的 MGO 冷卻器與燃油供油單元一起設(shè)計(jì)和供貨,減少了好立 MGO 冷卻單元的電氣控制系統(tǒng),且 MGO 粘度控制和油溫的顯示與供油單元一起安裝到船上,36℃的淡水冷卻,既節(jié)約空間,采購(gòu)成本也將大大減少。
根據(jù)實(shí)船的安裝統(tǒng)計(jì),如果采用 Chiller Unit,每條船MGO 冷卻單元的采購(gòu)成本不少于 40 萬(wàn)元人民幣;當(dāng)采用淡水冷卻的 Cooler Unit,且 MGO 冷卻單元安裝在供油單元上,則每條船 MGO 冷卻單元的采購(gòu)成本不超過 3 萬(wàn)元人民幣。
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