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船用 MGO 冷卻器的選型設計

作時間:2019-07-11  來源:江門市南洋船舶工程有限公司  作者:周繼紅
   
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備的粘度要求,必須提高其粘度。文章詳細介紹了采用冷卻器進行熱交換來加以解決,對實船的設計和訂貨有一定的參考價值。
1 概述自 2010 年 1 月 1 日起,歐盟港口開始單邊實施船舶強制使用低硫燃油的法令 2005/33/EC。法令規定: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,船舶停泊后應盡早轉換為低硫燃油(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;燃油轉換操作應記錄在船舶日志上。該限制適用于所有燃油種類及所有燃燒設備,包括主鍋爐和輔鍋爐。該法令和現有的“波羅的海、英吉利海峽及美北海排放控制區(ECA)”要求的實施,意味著船舶必須備有合適的燃油及可行的儲存和操作系統。IMO 和 CARB 燃油硫含量限值及應用階段見圖 1。
2 面對的問題
長時間使用 MGO 會導致 MGO 粘度降低,因為主機的回油和新油混合會使燃油溫度提高,這樣當粘度小于 2cSt時很容易造成高壓油泵咬死,所以如果船上遵循此規范, IMO 和 CARB 燃油硫含量限值及應用階段就必須控制主機進油口的粘度,就應該添加必要的冷卻設備。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,易燃易爆的風險性很大。
(2)MGO 含硫量低同時其粘度也很低,40℃時是 1.5cSt及以上。
(3)目前冷卻設備設計還不全面,無法滿足所有要求。研究空調系統的科研人員考慮采用 Chiller Unit,用制冷劑作為熱交換介質的冷水機組,可以將 MGO 的油溫降低到20℃,燃油的粘度等級完全可以達到要求。但此冷卻設備體積較大,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 MGO 的制冷單元為例。
3.1.1 冷水機組
(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 壓縮機電機 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 蒸發器
(1)型式:臥式殼管式。(2)水進口溫度:12℃。(3)水出口溫度:7℃。
3.1.5 冷水機組配件
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)非常高工作壓力:0.25MPa。(3)附件有:用于液位控制的管子開關、手動進水閥、自動進水閥、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)非常大冷卻功率:10.52kW。(3)結垢熱損失:20%。(4)低硫油進口溫度:42℃。(5)低硫油出口溫度:20℃。(6)冷卻水進口溫度:7℃。(7)冷卻水出口溫度:12℃。(8)附件有:旁通閥、截止閥、安全閥、電動三通調節閥。
3.2.5 溫控閥
帶位置驅動溫控閥,由 PT100 輸出信號控制,以控制到 MGO 冷卻器的冷卻水量。
3.3 電氣及控制
采用 PLC 自動控制報警及各啟動功能,包括電控箱、報警信號、運行信號及電氣連接。機組啟動運行后,自動控制系統將根據燃油回油設定溫度,自動控制機組的能量調節。
從以上配置可以看出,采用冷水機組的原理可以將水制冷到 7℃,然后通過板式冷卻器進行熱交換,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。但熱交換設備復雜,占用船上空間大,且需電氣控制系統,產生故障的頻率增大,費用相當高,Chiller Unit 流程圖及外形圖見圖 2。
3.4 海水冷卻單元
在主機及發電機燃油進油管路上各安裝 1 臺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。經過試驗,燃油的粘度非常接近 2cSt。當然,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。
 Chiller Unit 流程圖及外形圖
用海水作為冷側熱交換介質板式冷卻器,板片數量少,冷卻器結構簡單,控制簡單,布置占用空間小,成本非常低。但是,海水冷卻的熱交系統是開式系統,一旦冷卻器的板片結構發生泄漏,熱側的燃油滲漏到冷側的海水側,燃油將會排入海中,對海洋環境造成污染,這是 IMO 和SOKAS 不允許的。
3.5 淡水冷卻單元
在主機及發電機燃油進油管路上各安裝 1 臺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。經過試驗,燃油的粘度非常接近 2cSt。隨著煉油技術的不斷提高,目前,只要確保 40℃左右的冷卻溫度,MGO 的粘度完全可以達到2cSt 以上。當然,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 結束語
船上的主機、發電機、鍋爐等使用燃油的設備,均要求燃油的粘度不低于 2cSt,否則將加劇零部件的磨損。對于柴油機,油泵磨損后,內部泄漏量增大,導致噴射壓力不足,可能會造成主機無法啟動。用船上造水機自產的淡水通過板式熱交換器去冷卻燃油,既經濟又清潔環保。
目前的非常新優化設計是將淡水冷卻的 MGO 冷卻器與燃油供油單元一起設計和供貨,減少了好立 MGO 冷卻單元的電氣控制系統,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,既節約空間,采購成本也將大大減少。
根據實船的安裝統計,如果采用 Chiller Unit,每條船MGO 冷卻單元的采購成本不少于 40 萬元人民幣;當采用淡水冷卻的 Cooler Unit,且 MGO 冷卻單元安裝在供油單元上,則每條船 MGO 冷卻單元的采購成本不超過 3 萬元人民幣。
 
 
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