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船舶燃油流量计计量这些常见问题如何规避

船舶燃油流量计可以精确计量主机、副机和锅炉等耗能设备的燃油消耗量,是航运企业精确统计设备能耗、评估设备效率的常用工具。作为船用计量设备,国际海事组织、政府主管机关或其他行业组织并未对流量计的设计标准、安装检验和维护保养等做出强制性统一规定,其设计制造遵循的是区域性安全标准(如欧盟承压设备指令PED、 ATEX防爆认证等),安装和使用管理遵循的是生产企业制定的标准。因此,现行流量计的设计布置、安装及使用管理中往往存在一些问题,影响计量的完整性、准确性和有效性,难以满足计量需求。 

◉ 现有船舶燃油流量计计量存在的问题

未充分考虑全船耗能设备燃油消耗问题,存在耗能设备计量不全面、流量计布置位置不合理、布置数量不能满足计量要求等问题。

1、耗能设备计量不全面

船舶耗能设备主要包括主机、副机、锅炉以及焚烧炉等,不同船型根据用途会有不同配置,如油船会配置惰性气体发生器。船舶设计、建造单位及船东更多是基于经济实用原则为耗能设备配置燃油流量计。

船舶主机和副机是常用能耗设备,船舶主机除锚泊装卸货和修船外,基本处于运转状态,副机除接入岸电或坞修时,其他时间保持运行,主副机是运行时间最长燃油消耗最多的能耗设备,因此一般为主、副机配置流量计。锅炉主要在港使用,受蒸汽压力控制间断点火燃烧,燃油消耗量小,少有为锅炉单独配置流量计。

2、已计量的燃油未全部参与燃烧

某轮主机燃油供油单元由燃油供给泵、流量计、燃油循环泵、加热器、粘度计、集油筒和滤器等主要设备组成,流量计集成在供油单元中,是现行常规设计方案。该设计方案将燃油循环泵布置在流量计之后,理论上通过流量计的燃油即为消耗量,流量计机械磨损小,所需计数器量程不用很大。反冲洗滤器布置在单元末端,是燃油进入耗能设备的最后一道净化关口,确保进入燃烧设备的燃油不会混入杂质导致设备故障。

该设计方案的优点(同时也是缺点)就是将反冲洗滤器布置在流量计之后。反冲洗滤器一般设计为自动控制冲洗,当滤器前后的压差达到设定值时启动反冲洗,冲洗过的燃油泄放到燃油泄放柜,实际未参与燃烧,但该部分燃油已经流量计计量,计入耗能设备消耗量。

冲洗掉的燃油数量取决于燃油的洁净程度和滤器的冲洗频次,表1为某18万载重吨散货船主机燃油供应单元反冲洗滤器冲洗量统计表,数据采集时间为主机停止运行、燃油供油单元正常工作的情况下,流量计计数器读数应保持不变。记录显示反冲洗滤器燃油冲洗量每小时从8升到22升不等,平均约15升/小时,每天360升约0.34吨。该轮正常航行时流量计计量油耗为39.6吨/天,其中约0.34吨未参与燃烧,约占计量油耗的0.86%,即该布置方案每天有0.86%的计量误差,实际使用时受燃油洁净程度和主机负荷的影响,精确统计该部分燃油数量困难。 

表1 反冲洗滤器冲洗量统计

3、耗能设备回油管路存在未计量的燃油

船用大型主副机和锅炉等耗能设备普遍燃用重质燃料油,主要是炼化后残油渣和柴油的混合物,也称中间燃料油,需要加温才能保证流动性。加温采用加热器和蒸汽伴温的形式,同时在燃油供应单元中配置燃油循环泵,使燃油在循环泵→加热器→耗能设备(如主机)→集油筒→循环泵之间持续循环,保证燃油在适宜的温度下即时可用。

循环系统中来自耗能设备的回油经过一个三通阀后,如图1所示,一路回到燃用供应单元的集油筒参与再循环使用,保持常开;一路回到燃油日用柜,保持常闭,需要时打开。因供油单元参与循环的燃油是已经流量计计量的,回流到集油筒的燃油不会重复计量,如因船舶震动或人为疏忽等原因,回燃油日用柜阀门关闭不严或打开,就会造成已计量的燃油未参与燃烧,导致计量不准确。

◉ 船舶燃油流量计设计布置方案

流量计布置方案需要综合船型、航线、使用燃油规格、计量目的、经济性和维护保养等因素,选择合理可行的布置方案。

1、流量计布置在燃油日用柜出口

船用燃油经过沉淀、分离净化后储存在燃油日用柜中,供主、副机和锅炉等耗能设备使用,因此在燃油日用柜出口布置一个流量计即可计量主机、副机和锅炉等全船燃油消耗,是一种最简单且成本最低的布置方案。

采用该方案时需要考虑流量计的工作条件,如流量计对进出口压差的要求,对燃油粘度要求等。流量计本身通常会产生约0.02MPa的压损,流量计到能耗设备,需流经燃油供油系统单元组件,以及阀件、管路及弯头和管路缩颈等形状渐变部件,都会产生压损;其次,重油日用柜重油出口温度为 90℃左右,IFO-180运动粘度为33mm2/s,存在较大的运动粘度,且粘度受温度影响大,无法保证流经管线部件内恒定压损,会造成实际使用中出现流量波动甚至滞流情况。理论上,只要流量计前的压力大于其后整个供油管线中所有部件中燃油流动阻力之和,即存在正向压差,流量计就可以计量,但仅靠燃油日用柜产生的静压力常常很难满足流量计对压力的要求。 

因此,采用此方案时要充分考虑具体型号流量计对压力的要求,如某型号流量计要求工作压力至少要大于介质闪蒸压力加3倍仪表本体压损,其中工作压力是指仪表处压力(如图)。以流动性好、管路压损小、无需加温的柴油作为燃料的船舶,可以采用这种布置方案。以重油为燃料的大型船舶难以保证流量计稳定工作,可以将燃油增压泵布置到流量计之前,在不增加设备的前提下,可以保证流量计对压力的要求。此方案不适用单个能耗设备计量需求。 

流量计压力要求

2、流量计布置在供油单元中

现有供油单元多为计量主、副机燃油消耗量设计,流量计布置在增压泵之后、循环泵之前,该布置方案流经流量计的燃油即为设备的消耗量,可以最大限度地降低流量计机械磨损,有效利用流量计计数器量程,布置方案有:

① 主机、副机共用一个供油单元,合并统计燃油消耗,配置费用低,相对经济,缺点是无法单独计量主、副机燃油消耗量;

② 主机、副机共用一个供油单元,合并统计燃油消耗,副机加装流量计单独计量油耗,二者之差即为主机油耗,设备费用相对高;

③ 主机、副机分别配置供油单元,可以分别计量主、副机的燃油消耗,设备费用最高。

采用供油单元布置方案,还需要考虑:

① 反冲洗滤器布置位置。设计时应考虑反冲洗对计量结果的影响,将反冲洗滤器布置到流量计之前,如存在燃油中混入杂质导致损坏能耗设备的风险,可考虑在能耗设备前加装手动清洗滤器。

② 回路燃油计量。如前所述,回油经三通阀(如图1)后一路回到集油筒,阀门保持常开状态,供燃油循环;一路回到日用柜,阀门保持常闭状态,仅在需要时打开,如因各种原因导致该阀门打开或关闭不严,则已计量的部分燃油流回日用柜,导致计量结果错误。可以考虑在回日用柜管路上加装一个流量计,如有回油就能监测计量,保证计量结果的准确性。

其他能耗设备(如锅炉)的能耗计量。由于锅炉使用时间、使用条件上的差异,一般不与主副机等耗能设备共享供油单元,因此需要为锅炉、惰性气体发生器等其他耗能设备配置流量计。

3、流量计布置在能耗设备燃油进出口管路

 将流量计直接布置在主、副机和锅炉等耗能设备的燃油进出口管路上,进口流量计和出口流量计计量数据之差即为设备燃油消耗。这种布置方案最大限度地避免了不确定性带来的计量误差。计量准确度取决于流量计精度,并且可以结合环境工况等因素,综合评估设备能效。采用此种布置方案,需要考虑:

① 流量计数量根据需要计量的能耗设备数量确定,所需流量计多,费用高;

② 流量计布置在耗能设备燃油进出口,因燃油在供油系统持续循环,进出口流量计计量的燃油并未全部参与燃烧,增加了流量计的磨损,同时也需要配置大计数器的流量计。表2为某轮主机燃油进出口流量统计,进口平均流量为5554.5千克/小时,出口平均流量为4412.83千克/小时,主机平均油耗为每1.14千克/小时,仅占进口流量的0.021%,出口流量的0.026%。

表2 主机燃油进出口流量统计

③ 需要评估流量计给主、副机等能耗设备带来的风险。因流量计直接布置在燃油进口管路上,流量计部件损坏可能对主副机高压油泵等设备造成损坏。

◉ 船舶燃油流量计选型、安装与维护

流量计分为质量流量计和体积流量计,质量流量计计量消耗燃油质量,安装所需空间较大,设备费用高;体积流量计计量燃油消耗体积,需要通过密度修正计算才能得到燃油质量,安装空间小,设备购置费用低,普遍为船舶采用。船舶应根据实际需求,在设计阶段正确选型,在建造阶段正确安装,并做好运营维护保养,才能发挥其应有的精准计量作用。

1、流量计选型

流量计涉及的规格参数有:适用的燃油种类、粘度和温度(燃油温度、环境温度),工作压力(包括管路)和流量(最大、最小),安装尺寸(管径、法兰)和使用材质(耐腐蚀 、抗压力/温度冲击、震动或其他冲击等),计量精度和计量单位等,选择时需要综合考虑,特别是将流量计布置在耗能设备燃油进出口时,其流量几乎等同于燃油循环或供给泵的排量,需要结合布置方案选择。

根据需求选择合适的计数器。计数器有机械式计数器和电子计数器,机械式计数器结构简单,一般为直读累计,输出方式单一;电子计数器可以输出直读累计、瞬时流量(L/h,L/min)、累积流量、累积总量等,可以实现远程计量。需要注意是,单纯输出瞬时流量难以满足统计需要,建议输出累积流量,并且累积值能在电子计数器中储存,一旦远程接收设备故障,不影响再恢复后的数据统计。如配合第三方管理类系统软件使用,可以实现能耗多目标统计和能效评估等智能化管理需求。

2、流量计安装

流量计的安装应遵循主管机关、设备制造商和船舶检验机构的要求,通用原则包括:

安装底座应是稳定的刚性结构,不允许使用管路支撑流量计,避免向连接法兰施加任何不必要的外力,防止因外力损坏;优选水平正向安装,不允许倒置安装,有些流量计允许垂直或成角度安装,但必须保证燃油从下向上流过仪表,避免下流可能导致虹吸或气穴。

连接管路避免截面积突变,产生压力等级变化,导致法兰和管路上可能积累气泡影响计量精度;出口管路避免长距离向下弯曲,如施工现场无法避免,应安装背压阀保证出口背压。某轮锅炉安装有进出口流量计,图3为出口流量计安装示意图,其出口管路弯曲向下,计量结果显示,其进口流量计瞬时流量稳定保持在150kg/h,而出口流量计瞬时流量在20-300kg/h之间波动,应避免这种安装方式。

图3 流量计出口管路

流量计电子计数器需要外接电源,应按说明书要求选择电源,做好接线及防护。正确设置脉冲输出单位(如1立方米/100脉冲、1 升/脉冲、10升/脉冲等),基于功能设计,脉冲发生器可连接累计数器、打印机、预置计数器等,如与D/A变换器联用,可发模拟信号,接指示器、记录仪、调节器等,可根据需要连接。

安装完成后进行管路吹通清洁,避免固体颗粒等异物导致仪表损坏。进行必要的绝热保护,防止人员烫伤或对燃油保温。流量计安装完成后,应进行效用试验及准确度校验。

3、维护保养

国际海事组织“2016船舶能效管理计划制订导则”规定,采用流量计计量燃油消耗,应对流量计进行校核,校核和维修保养记录应保留在船上;欧盟2015(757)法规要求采用流量计计量燃料消耗时,应在监控计划中明确流量计校准方法和不确定度,上述规则对流量计的维护保养提出了明确要求。

流量计维护保养包括本体部件维护和计量精度校核,应严格按照设备说明书及相关要求进行。流量计属于精密计量仪器,一般无需频繁保养,可能出现部件卡阻或部件异常磨损等情况,可视情清洁或定期更换磨损部件;日常(视情)校核可根据设备负荷进行定性判断,可利用船上校核设备(如有)定期进行船上校核,如船上无校核设备,可结合船舶年度或坞修检验,由岸上专门检测机构进行,并做好保养检测记录。

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