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摘要:目的 为了设计和优化油舱的蒸汽加热系统，对油舱的蒸汽加热过程进行计算，方法 采用Flowmaster仿真计算方法与传统计算方法进行计算，并将计算结果进行对比分析，确认其计算结果的可信性。采用2种方法，分别考察环境温度、加热盘管长度、蒸汽流量、蒸汽温度及加热盘管传热系数对加热过程的影响。结果 计算结果表明，2种方法的计算误差在3%~7%左右，且通过计算发现，油舱蒸汽加热系统存在最优的加热盘管长度和蒸汽流量等设计参数。2种方法各有其长短，其中仿真计算适用于优化设计，而传统方法便于初步估算。采用2种方法结合的设计方法，可互补长短。结论 研究结果对油舱蒸汽加热系统的设计具有一定的参考价值。Abstract:Objectives For the optimization of an oil tank steam heating system,Methods the author used the Flowmaster simulation calculation method and tradition calculation method and made comparative analysis on the calculation results to verify the dependability of the calculation results. Two methods were used to examine how ambient temperature, heating coil pipe length, steam flow rate, steam temperature and heating coil pipe HTC(heat transfer coefficient) could affect the heating process.Results the calculation results indicate that calculation error margin of the two methods is about 3%~7% and there are design parameters such as a heating coil pipe length and a steam flow rate in the design of the oil tank steam heating system. Both methods have advantages and disadvantages, where simulation calculation is suitable for optimization design while traditional calculation is favorable for preliminary estimation. Combination of the two methods can offset their disadvantages.Conclusions The study result can be used as reference for design of oil tank steam heating system.
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Keywords:
- oil tank /
- steam heating /
- simulation calculation
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0. 引言
对于使用粘度较高的油作为燃料的船舶，或者装载粘度较高的货物油的油轮而言，由于燃料油或货物油在低温下粘度高，泵送比较困难，为此，需要设置油舱加热系统，对相关油舱进行加热，提高油料的温度，降低其粘度，从而满足泵送的粘度要求。对油舱的加热保温过程进行计算研究，是完成加热系统设计及优化的需要。
常见的油舱加热系统为蒸汽盘管式加热系统，对这种蒸汽式油舱加热方式的计算已有一些研究。《油舱蒸汽加热系统计算方法》[1]为船舶标准，在蒸汽耗量估算、加热盘管参数确定及加热时间计算等方面，有一套完整的算法。张淑敏[2]采用相似的计算方法，取得了理想的结果。张有存等[3]利用集总参数法建立了油船加热数学模型，从如何使货油的加热时间最短入手，讨论蒸汽参数与加热经济性的关系，得出了不同蒸发压力下的最佳蒸汽流量。金志辉[4]采用Fluent软件对加热保温过程进行流场模拟，重点研究了油料物性和环境温度对加热效果的影响，得出油料物性和大气温度对加热效果的影响程度较小，基本可以忽略不计，海水温度的影响较大的结论。张瑞书等[5]根据非稳态导热集总参数法建立油船油舱保温数学模型，考虑向空气和海水中的散热过程，研制了油舱保温计算软件。通过实船应用比较，发现软件计算的保温时间与实际保温时间的最大误差为13%。张有存[6]根据非稳态导热集总参数法建立油轮油舱数学模型，并考虑蒸汽的潜热传递给油料的加热过程，研制了油轮货油加热、保温计算软件；通过实船应用比较，显示最大误差为8%，由此提出了最佳锅炉蒸发量的观点。庹艾莉等[7]利用文献[1]的方法开发了蒸汽加热计算专用程序。杨超[8]根据非稳态集总参数法建立加热与保温的数学物理模型，充分考虑了水文气象条件、上浪程度、主蒸汽管路的热损失以及相邻空舱对油料的自然冷却等的影响，通过对比实测数据与计算数据，显示计算精度误差为10%。吴瑜[9]通过与2个航次的实船采集数据进行对比，得出算法Ⅰ和算法Ⅱ（优化了输入操作）的总体误差分别低于9%和12%，具有较高的准确性和合理性。金志辉[4]和吴瑜[10]通过研究，确定货油传热的主要方式为对流换热。
上述都是传统的计算方法，由公开的学术文献可知，其计算精度约为10%，最大误差不超过13%，这在工程设计实践中是可以接受的。基于传统计算方法开发的专用计算程序对设计点工况的计算来说很快捷，但难以进行瞬态计算分析（相关参数随时间的变化过程分析，或称时域分析），完成优化设计所需周期长，计算费时。若借助于一维仿真软件的计算方法，就可高效、直观地进行瞬态分析，从而高效地实现优化设计。
本文将同时利用传统方法和一维仿真软件Flowmaster对油舱蒸汽加热过程予以进一步研究，对比分析其计算误差。Flowmaster软件作为一款成熟、通用的商业管网计算软件，可以建立一维管路模型，进行稳态、瞬态，可压缩、不可压缩，热传导和两相流等分析，用于设计和分析流动、传热等问题。应用传统方法时借助开发的专用计算程序[7]，可提高计算效率。
1. 油舱加热计算方法
1.1 传统计算方法
根据能量守恒方程，利用非稳态导热集总参数法，可得相关加热计算公式[1]。主要有蒸汽耗量计算、加热盘管长度计算、加热时间计算等。
针对特定的油舱、油量和外部环境，设定蒸汽参数、需要的油温和加热时间，核算蒸汽量时，其加热耗气量qh1（单位：kg/h）的计算式为
qh1=qm+3600(KwAw+KaAa+KhAh)(θr−θ0)(eα1t−1)Δi (1) 其中，
qm=3600KwAw(θr−θw)+KaAa(θr−θa)+KhAh(θr−θh)Δiα1=3600KwAw+KaAa+KhAhm0C0 (2) 式中：qm为保温耗汽量，kg/h；Kw，Ka，Kh分别为与海水、大气接触的散热面以及与邻舱隔壁的传热系数，W/（m2·K）；Aw，Aa，Ah分别为与海水、大气接触、与邻舱隔壁的散热面积，m2；θ0，θr分别为加热前、后的油温，单位为℃；θw，θa，θh分别为海水、大气及邻舱的温度，℃；t为加热时间，h；Δi为可利用的比焓，J/kg；m0为油的质量，kg；C0为油的比热容，J/（kg·K）。
对于选定的蒸汽盘管，当加热面积一定时，其耗汽量qh2（单位：kg/h）的计算式为
qh2=KsAsΔi[(θs−θm1)+θm1−θ0eα2t]×3600 (3) 其中，
α2=3600KsAs+KwAw+KaAa+KhAhm0C0 θm1=KsAsθs+KwAwθw+KaAaθa+KhAhθhKsAs+KwAw+KaAa+KhAh 式中：Ks为加热盘管传热系数，W/（m2·K）；As为加热盘管面积，m2；θs为加热盘管的温度。
核算蒸汽加热盘管的加热面积时，利用式（1）的结果计算所需加热盘管的面积As：
As=qh1⋅ΔiKs(θs−θr)×3600 (4) 加热盘管的总长度L（单位：m）为
L = {A_{\rm{s}}}/\left( {{\rm{ \mathsf{ π} }} \cdot D} \right) (5) 耗汽量一定时，所需加热时间tr1为
{t_{{\rm{r1}}}} = \frac{{{m_0}\cdot{C_0}}}{{3\;600\left( {{K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}} \right)}}{\rm{ln}}\left( {\frac{{{\theta _{{\rm{m2}}}}-{\theta _0}}}{{{\theta _{{\rm{m2}}}}-{\theta _{\rm{r}}}}}} \right) (6) 其中，
{\theta _{{\rm{m2}}}} = \frac{{{q_{{\rm{h1}}}}\cdot\Delta i + {K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}}{\theta _{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}}{\theta _{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}{\theta _{\rm{h}}}}}{{3\;600\left( {{K_{\rm{s}}}{A_{\rm{s}}} + {K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}} \right)}} 加热面积一定时，所需加热时间tr2为
{t_{{\rm{r2}}}} = \frac{{{m_0}\cdot{C_{\rm{0}}}}}{{3\;600\left( {{K_{\rm{s}}}{A_{\rm{s}}} + {K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}} \right)}}{\rm{ln}}\left( {\frac{{{\theta _{{\rm{m1}}}}-{\theta _0}}}{{{\theta _{{\rm{m1}}}}-{\theta _{\rm{r}}}}}} \right) (7) 其中，
{\theta _{{\rm{m1}}}} = \frac{{{K_{\rm{s}}}{A_{\rm{s}}}{\theta _{\rm{s}}} + {K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}}{\theta _{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}}{\theta _{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}{\theta _{\rm{h}}}}}{{3\;600\left( {{K_{\rm{s}}}{A_{\rm{s}}} + {K_{\rm{w}}}{A_{\rm{w}}} + {K_{\rm{a}}}{A_{\rm{a}}} + {K_{\rm{h}}}{A_{\rm{h}}}} \right)}} 1.2 Flowmaster一维仿真软件计算方法
Flowmaster是德国西门子公司旗下的一款仿真软件。该软件作为全球领先的热流体系统仿真分析软件，以其完备的分析功能、快速的求解能力以及强大的数据管理而被国内外众多公司选用。Flowmaster通过对系统管路内的压力、速度、温度等参数的解算来预测和分析流体系统各支路或各部件的工作性能，进而对系统设计进行优化与验证，从而在很大程度上减少真实试验次数，节约成本。
通过搭建一维热传导系统仿真模型，设置系统参数，适当合并简化，自动计算得到油舱温度随时间的变化曲线。蒸汽加热盘管采用两相流管道模型——AC Pipe，能够对涉及相变和传热相耦合的流动问题进行模拟。其主要输入参数为：管径、管长、绝对粗糙度（Absolute roughness）、传热系数（HTC）及外围温度（External temperature）。其中，外围温度（油温）随时间而变化，故采用控件对外围温度进行控制。
仿真模型主要利用空调（Air conditioning）计算包内可传热的三端口（3-arm）的水箱元件Reservoir：用3-arm（图 1中命名为Oil tank）模拟油舱，设置其几何尺寸、液位高及初始油温等；利用换热元件AC Pipe组成盘管网，设置管路参数（可以设置几何参数、外部温度及传热系数等），用于对油舱内的油料进行加热；利用边界元件AC Boundary设置输入蒸汽的温度、压力和流量，设置排出凝水的温度；利用两路Solid Bar元件分别模拟向海水和邻舱散热的过程。通过测量元件Gauge Template，将相关测点的比焓、温度、流量等热工参数传递给控制器Controller Template的数据输入口，通过脚本程序进行计算，将结果“总热量”通过输出口输出到Reservoir：利用3-arm进行计算，得到油料温度值，然后再将油料的温度值通过测量元件Gauge Template送到加热回路的AC Pipe输入口和散热回路的温度源输入口，以完成仿真计算。建模时，选择瞬态模型即可进行瞬态计算。设置时间步，可计算和显示指定时间内油料温度的变化曲线。
控制器的运算依靠脚本程序，在本算例中主要用于计算油舱内油料在加热过程中获得的总热量，其值由蒸汽盘管得到热量减去舱壁散掉的热量。编制控制器脚本程序为：
Enthalpy_outlet= Controller.inputvalue（1）//将控制器1号输入口获取的加热盘管出口凝水的比焓值赋予变量Enthalpy_outlet；
Enthalpy_inlet= Controller.inputvalue（2）//将控制器2号输入口获取的加热盘管进口蒸汽的比焓值赋予变量Enthalpy_inlet；
MassFlow = Controller.inputvalue（3）//将控制器3号输入口获取的加热盘管进口蒸汽的质量流量值赋予变量MassFlow；
WallHeatFlow = Controller.inputvalue（4）+Controller.inputvalue（5）//将控制器4号输入口获取的通过舱壁向海水散热的热流量与控制器4号输入口获取的通过舱壁向邻舱散热的热流量之和赋予变量WallHeatFlow，因为取值在出口，其值实际是负值；
TotalHeatFlow = abs（（Enthalpy_outlet - Enthalpy_inlet）*MassFlow）+WallHeatFlow //计算加热过程中油舱内油料能，获得总热流量（已经减去舱壁散掉的热量）；
Controller.outputvalue = TotalHeatFlow //将计算得到的热流值赋予控制输出口，并赋值于油舱模型的热流量入口。
1.3 计算条件
本文所研究的油舱基本尺寸为：长13.25 m，宽6.53 m，深1.6 m；底部接触海水，四周及顶部为邻舱。油舱容积为123.5 m3，与海水接触的散热面积Aw为86.54 m2，与海水接触的散热面传热系数Kw为19.77 W/（m2·K）（单层底），邻舱面积Ah为149.84 m2，与邻舱传热系数Kh为5.82 W/（m2·K），这些传热系数取自文献[1]。载油量m0设为109.7 t。某种油料物性参数：油料密度ρ=925 kg/m3，比热容C=2 302.7 J/（kg·K）。
加热盘管管材：材料为不锈钢，外径设为34 mm，内径设为28 mm，传热系数Ks取116.3 W/（m2·K）[1]。
初设蒸汽参数：蒸汽压力p1=1.0 MPa；蒸汽温度θ1=205 ℃；蒸汽比焓i1=2 850 000 J/kg；蒸汽比容v=0.211 44 m3/kg；凝水温度θ2=95 ℃；凝水比焓i2=399 000 J/kg。
海水温度θw=-2 ℃；大气温度θa=5 ℃；邻舱温度θh=5 ℃；燃油加热前温度θ0=-2 ℃；燃油加热后温度θr=20 ℃。
2. 计算结果及分析
考察不同海水温度、加热盘管长度、蒸汽流量、蒸汽温度以及传热系数对加热时间的影响。运用式（1），初步按20 h加热到20 ℃，估算所需蒸汽量。再运用公式（4）、式（5）估算所需加热盘管长度，然后运用公式（6）、式（7）估算相应的所需加热时间。分别借助开发的计算程序和仿真手段，进行计算对比。
2.1 海水温度对加热效果的影响
分别用程序[7]和仿真软件进行计算，考察海水温度为-2，0，2，5，10 ℃时，油舱温度加热到20 ℃时所需的时间。其他参数设定为：盘管长度100 m；蒸汽质量流量150 kg/h；蒸汽温度205 ℃；传导系数116.3 W/（m2·K）。采取相同的计算条件，两种方法的计算结果对比如表 1所示。仿真计算的温变过程如图 2所示，仿真时长90 000 s，步长300 s。可见其计算结果趋势一致，两种方法的计算误差约为1.5%。采用Flowmaster软件进行仿真计算还可以直观地观察其温升过程曲线，曲线由Flowmaster软件自动生成，而传统方法则只能进行稳态的逐点计算。综合以上可以看出，海水温度对加热的效果影响较大，海水温度越高，加热所需时间越短。
表 1 海水温度对加热效果的影响Table 1. Influence of seawater temperature on heating of oil tank海水温度/ ℃ 程序计算/ h 仿真计算/ h -2 20.22 20.17 0 19.32 19.17 2 18.49 18.33 5 17.38 17.17 10 15.81 15.58 2.2 加热盘管长度对加热效果的影响
考察盘管长度分别为100，200，300 m时，油舱温度加热到20 ℃时所需时间。其他参数设定为：海水温度-2 ℃；蒸汽质量流量150 kg/h；蒸汽温度205 ℃；传导系数116.3 W/（m2·K）。两种方法的计算结果对比如表 2所示。采用Flowmaster软件仿真计算的温变过程如图 3所示。可见两种方法的计算误差约为3.2%；加热盘管长度的增加对加热效果的影响不大。
表 2 加热盘管长度对加热效果的影响Table 2. Influence of heating coil length on heating of oil tank盘管长度/ m 程序计算/ h 仿真计算/ h 100 20.22 20.08 200 20.22 19.75 300 20.22 19.58 2.3 蒸汽流量对加热效果的影响
考察蒸汽流量分别为150，200，250，300，350 kg/h时，油舱温度加热到20 ℃时所需时间。其他参数设定为：海水温度-2 ℃；盘管长度100 m；蒸汽温度205 ℃；传导系数116.3 W/（m2·K）。两种计算结果对比如表 3所示，采用Flowmaster软件仿真计算的温变过程如图 4所示，2种方法的计算误差约为7.5%。可以看出，蒸汽流量的增加与加热时间缩短不呈线性关系，蒸汽流量的增加对缩短加热时间贡献较大，但随着流量的加大，影响逐渐减弱。
表 3 蒸汽流量对加热效果的影响Table 3. Influence of heat flow rate on heating of oil tank蒸汽流量/（kg·h-1） 程序计算/ h 仿真计算/ h 150 20.22 20.08 200 13.85 13.92 250 10.57 10.83 300 8.55 8.92 350 7.19 7.75 2.4 蒸汽温度对加热效果的影响
考察蒸汽温度165~205℃时，油舱温度加热到20 ℃时所需时间。蒸汽按微过热考虑，并按相应的比焓值进行计算，若非过热蒸汽，计算误差将会很大。其他参数设定为：海水温度-2 ℃；盘管长度100 m；蒸汽质量流量150 kg/h；传热系数116.3 W/（m2·K）。计算结果对比如表 4所示，采用Flowmaster软件仿真计算的温变过程如图 5所示，两种方式的计算误差约为4%。可以看出，蒸汽温度的增加能适当缩短加热时间，但对缩短加热时间的贡献不大，因此设计时无需过分强调蒸汽源的温度，仅需保持一定的过热度和干度即可。
表 4 蒸汽温度对加热效果的影响Table 4. Influence of steam parameter on heating of oil tank蒸汽温度/ ℃ 程序计算/ h 仿真计算/ h 205 20.22 20.09 200 20.48 20.10 195 20.62 20.13 190 20.77 20.13 185 20.93 20.15 180 21.10 20.18 175 21.07 20.25 170 21.12 20.30 165 21.28 20.35 2.5 加热盘管传热系数对加热效果的影响
考察加热盘管的传热系数（HTC）不同时，油舱温度加热到20 ℃时所需时间。其他参数设定为：海水温度-2 ℃；盘管长度100 m；蒸汽质量流量150 kg/h；蒸汽温度205 ℃。本例仅采用仿真计算，传热系数为60~180 W/（m2·K）之间时计算结果如表 5所示，其“传热系数—加热时间”曲线见图 6（a），其“时间—温度”曲线见图 6（b），传热系数为10~60 W/（m2·K）时的“时间—温度”曲线如图 6（c）所示。传热系数与蒸汽盘管材质及加热环境有关，其准确取值应在试验中验证，计算取值是经验值，可能与实际情况存在误差，但其趋势是一致的。
表 5 盘管传热系数对加热效果的影响Table 5. Influence of heat flow rate on heating of oil tank传热系数/（W·（m2·K）-1） 仿真计算/ h 60 20.88 90 20.26 116.3 20.08 150 19.98 180 19.94 由此可知，只要传热系数大于60 W/（m2·K），传热系数的增大对加热效果的影响有限，但传热系数不能过低，由算例知，低于20 W/（m2·K）就无法加热到所需温度。
3. 结论
本文利用Flowmaster仿真与传统计算方法对油舱蒸汽加热进行计算，计算了不同环境温度、加热盘管长度、蒸汽流量、蒸汽温度及加热盘管传热系数下所需的加热时间，并进行了对比分析，得出以下结论：
1）与传统的计算方法相比，在文中Flowmaster仿真模型精度下，两者计算结果的平均误差约为3%~7%，工程设计中可接受，据此可利用仿真计算方法进行优化设计。
2）环境温度影响加热燃油达到设计温度的时间，在本文给定的条件下，海水温度每升高2 ℃，约减少1 h。
3）达到设计长度后，再增加加热盘管的长度对加热效果影响不大，长度增加1倍，时间只缩短约1.6%；长度增加2倍，时间只缩短约2.5%。
4）增加蒸汽流量能显著缩短加热时间，但不呈线性关系，随着流量的大幅增加，加热时间减少不多。
5）从165~205 ℃，蒸汽温度的高低对加热效果的影响不大，但要保持微过热状态。
6）在一定范围内，盘管传热系数对加热效果的影响不大，但不能过低，若传热系数过低，油舱加热就可能无法达到预定温度。
综合利用仿真分析结果用于指导设计时，需首先确定盘管的管材，保证其传热系数不至于过低，然后再确定管径。根据实船条件确定合理、可行的蒸汽温度和压力（保持微过热），根据设定的油料温度和允许的加热时间即可估算蒸汽的需要量，然后对蒸汽盘管长度进行优化设计，最终确定最短所需长度。
本文计算模型并没有考虑蒸汽传输过程的热损失及出口疏水系统对加热过程的影响，与实际加热过程存在一定的差距，还有待进一步进行精确建模计算分析。
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表 1 海水温度对加热效果的影响
Table 1 Influence of seawater temperature on heating of oil tank
海水温度/ ℃ 程序计算/ h 仿真计算/ h -2 20.22 20.17 0 19.32 19.17 2 18.49 18.33 5 17.38 17.17 10 15.81 15.58 
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表 2 加热盘管长度对加热效果的影响
Table 2 Influence of heating coil length on heating of oil tank
盘管长度/ m 程序计算/ h 仿真计算/ h 100 20.22 20.08 200 20.22 19.75 300 20.22 19.58
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表 3 蒸汽流量对加热效果的影响
Table 3 Influence of heat flow rate on heating of oil tank
蒸汽流量/（kg·h-1） 程序计算/ h 仿真计算/ h 150 20.22 20.08 200 13.85 13.92 250 10.57 10.83 300 8.55 8.92 350 7.19 7.75
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表 4 蒸汽温度对加热效果的影响
Table 4 Influence of steam parameter on heating of oil tank
蒸汽温度/ ℃ 程序计算/ h 仿真计算/ h 205 20.22 20.09 200 20.48 20.10 195 20.62 20.13 190 20.77 20.13 185 20.93 20.15 180 21.10 20.18 175 21.07 20.25 170 21.12 20.30 165 21.28 20.35
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表 5 盘管传热系数对加热效果的影响
Table 5 Influence of heat flow rate on heating of oil tank
传热系数/（W·（m2·K）-1） 仿真计算/ h 60 20.88 90 20.26 116.3 20.08 150 19.98 180 19.94
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