貨油泵真空裝置及系統(tǒng)分析

吳震宇 丁元亮 羅曉寧 湯 敏

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司 武漢 430084）

0 引 言

貨油泵真空系統(tǒng)是油船進(jìn)行卸貨作業(yè)的輔助系統(tǒng)，通過與貨油泵系統(tǒng)［1］和控制系統(tǒng)的配合運(yùn)行，可使貨油泵具有自動(dòng)引水功能和良好的自吸性能，有效加快卸貨進(jìn)程。由于復(fù)雜的系統(tǒng)集成及苛刻的可靠性要求，對(duì)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、研發(fā)投入及市場(chǎng)開發(fā)等各項(xiàng)工作均提出了很高要求，目前還沒有國(guó)內(nèi)廠商能進(jìn)行設(shè)備配套。本文圍繞系統(tǒng)組成、功能要求、工作原理及部件間的參數(shù)聯(lián)系，針對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)分析，初步形成一套較為完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)原理分析

貨油泵真空系統(tǒng)的兩個(gè)基本功能為:一是將普通的貨油泵變?yōu)榫哂凶詣?dòng)引水功能的設(shè)備［2］；二是當(dāng)貨油艙液位較低的情況下仍然可以輔助貨油泵進(jìn)行卸貨。功能實(shí)現(xiàn)的原理是在貨油泵工作時(shí)將吸口的液位提高，同時(shí)通過監(jiān)測(cè)吸口液位和壓力來相應(yīng)改變貨油泵的轉(zhuǎn)速和流量，進(jìn)而達(dá)到提高貨油泵自吸能力的目的［3，4］。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，具體原理如下:

（1）在貨油泵吸口處設(shè)置一個(gè)筒形分離柜，以防止油蒸汽或空氣吸入貨油泵內(nèi)。同時(shí)安裝液位傳感器，以實(shí)現(xiàn)液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（2）分離柜上連接真空泵，以便將管系和泵體內(nèi)產(chǎn)生的氣體抽出系統(tǒng)之外，為提高系統(tǒng)動(dòng)作速度和精度，真空連接管上設(shè)置液控真空閥以便及時(shí)起動(dòng)和關(guān)閉真空抽吸。

（3）為防止介質(zhì)被抽入真空泵內(nèi)，分離柜頂部出口設(shè)置浮動(dòng)閥，當(dāng)液位過高時(shí)，自動(dòng)切斷真空管。

（4）在貨油泵出口設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，對(duì)貨油泵流量進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)貨油泵自吸能力與效率之間的良好平衡。

（5）設(shè)置電磁閥組對(duì)真空閥和流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行液壓控制。

2 元件功能分析

根據(jù)系統(tǒng)原理，可將系統(tǒng)分為六個(gè)部分:氣液分離器、真空泵單元、流量調(diào)節(jié)閥、真空閥、電磁閥控單元和真空罐。

2.1 氣液分離器

如圖1所示，氣液分離罐設(shè)在貨油泵的吸口之前，上部有一定的容腔。當(dāng)介質(zhì)流過分離罐時(shí)，內(nèi)部的氣體會(huì)積聚在容腔上部，而不會(huì)被吸進(jìn)泵里。為防止原油中的固體雜質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)，分離器內(nèi)設(shè)有不銹鋼濾網(wǎng)，過濾出的雜質(zhì)集中在分離器底部，可在維護(hù)時(shí)予以清除。

浮動(dòng)閥位于氣液分離器的容腔頂部，閥芯由一個(gè)輕質(zhì)浮球控制，常位開啟。當(dāng)液位過高時(shí)，浮球上浮，閥芯自動(dòng)關(guān)閉，防止油液進(jìn)入真空管。

由于貨油泵內(nèi)吸水腔頂部較高，為徹底排出泵內(nèi)氣體，泵上設(shè)有排氣管，通過安裝在氣液分離器上的單向閥與分離器相連，單向閥可以防止氣體回流。

液位傳感器安裝在氣液分離柜側(cè)面，能夠提供現(xiàn)場(chǎng)液位指示。

2.2 真空泵單元

真空泵單元主要由真空泵、氣密傳動(dòng)架、電機(jī)、集水冷卻器、單向閥、真空傳感器等組成，主要用于產(chǎn)生真空及控制真空度。

真空泵選用水環(huán)式真空泵，用于在真空管系中產(chǎn)生真空度［5］；連接架焊接在艙壁上，隔離泵艙與機(jī)艙，是電機(jī)、真空泵，集水冷卻器和氣密傳動(dòng)軸的安裝支架；集水冷卻器用于冷卻淡水和真空泵，在真空泵中維持一個(gè)正確的水位，也有助于收集油水蒸汽冷凝在冷卻器的內(nèi)壁上；單向閥安裝在真空泵吸口法蘭處，當(dāng)真空泵停機(jī)時(shí)，防止空氣進(jìn)入到系統(tǒng)中；真空傳感器用于測(cè)量真空度，在掃艙周期內(nèi)控制真空泵的起停；電機(jī)位于機(jī)艙一側(cè)，用于驅(qū)動(dòng)真空泵。

2.3 流量調(diào)節(jié)閥

如圖1所示，流量調(diào)節(jié)閥位于貨油泵的出口，用于調(diào)節(jié)貨油泵的流量［6］，蝶閥閥芯的開度由外部液壓缸驅(qū)動(dòng)。液壓缸上設(shè)有鎖定閥組，可將閥芯鎖定在任一開度上，蝶閥的閥口開度可在工作壓力下連續(xù)比例調(diào)節(jié)，但由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本閥不能用于關(guān)閉性密封。由于閥件長(zhǎng)時(shí)間使用后可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)構(gòu)磨損并引起故障，因而在液壓轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)置位置傳感器，將閥口的開度反饋給控制系統(tǒng)。

2.4 真空閥

如圖1所示，真空閥位于氣液分離器的真空管連接處［7］，主要由蝶閥、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和位置開關(guān)三部分組成。蝶閥是開關(guān)式，通過液壓轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)上帶有位置開關(guān)，以指示閥芯到位的狀態(tài)，液壓鎖可以維持閥芯的狀態(tài)。

2.5 電磁閥控單元

如圖1所示，電磁閥控單元用于控制流量調(diào)節(jié)閥和真空閥，由一個(gè)三位四通閥和一個(gè)兩位四通閥構(gòu)成。

2.6 真空罐

如圖1所示，真空罐位于真空閥和真空泵單元之間，用于提供“負(fù)壓蓄能”和穩(wěn)定真空度。

3 系統(tǒng)操作流程

貨油泵真空系統(tǒng)用于輔助貨油泵實(shí)現(xiàn)引水及卸貨作業(yè)，工作流程如下:

（1）當(dāng)貨油艙內(nèi)的貨油液位在70%以上時(shí)，只有貨油泵在工作，真空系統(tǒng)不工作，流量調(diào)節(jié)閥開度處于最大，真空閥關(guān)閉。

（2）隨著貨油艙內(nèi)的液位下降，貨油泵的吸入壓力也下降，當(dāng)壓力接近貨油的蒸發(fā)壓力時(shí)，管系內(nèi)將產(chǎn)生油蒸汽，并積聚在氣液分離罐的頂部。貨油泵中的油氣通過一根單獨(dú)的管路進(jìn)入到氣液分離罐頂部，分離罐中油氣的聚集使得氣壓逐漸增大導(dǎo)致分離器內(nèi)液位下降。罐上的液位傳感器時(shí)時(shí)監(jiān)控液位高度變化，得到的液位高度信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來控制液壓控制回路的動(dòng)作和真空泵的起停。

（3）當(dāng)液位降到50%以下時(shí)，通過分離罐上液位信號(hào)的反饋，液壓控制回路中的電機(jī)開始工作，驅(qū)動(dòng)真空閥的油缸和驅(qū)動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的油缸動(dòng)作，同時(shí)真空泵也開始工作。真空閥完全打開后，其控制油缸停止動(dòng)作，油氣從氣液分離罐進(jìn)入真空罐，再通過真空泵進(jìn)入冷凝罐；在冷凝罐中經(jīng)過海水冷凝后，排入到污油艙中。根據(jù)氣液分離罐中液位的高度，確定流量調(diào)節(jié)閥調(diào)小后的開度。開度調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)閥油缸活塞的位移來實(shí)現(xiàn)，活塞達(dá)到指定位移依靠液壓鎖進(jìn)行鎖定，從而實(shí)現(xiàn)輸油管路貨油流量調(diào)節(jié)。

由于流量調(diào)節(jié)閥開度調(diào)小，貨油輸出流量減小，同時(shí)真空泵抽出氣體使得分離罐中的氣壓減小，所以分離罐液位升高。當(dāng)液位恢復(fù)到70%時(shí)，液位反饋信號(hào)指示油缸推動(dòng)真空閥關(guān)閉，10秒鐘后，真空泵也停止，油缸驅(qū)動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥恢復(fù)到原有的開度。

（4）每當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，重復(fù)進(jìn)行②、③抽氣過程。

（5）當(dāng)貨油艙內(nèi)液位進(jìn)一步下降時(shí)，吸入口周圍會(huì)產(chǎn)生漩渦，當(dāng)漩渦凹陷的底部低于吸入口的下表面時(shí)，氣體開始被吸入。同樣，這些氣體積聚在分離器的頂部，使分離器內(nèi)的液位降低，再次重復(fù)②、③抽氣過程。由于吸入的氣體越來越多，流量調(diào)節(jié)閥的開度變得越來越小，真空泵處于一直運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

（6）當(dāng)液位再下降時(shí)，就會(huì)有大量的氣體被吸入，氣體吸入的量超過了真空泵的抽出量，流量調(diào)節(jié)閥會(huì)完全關(guān)閉，如果氣液分離器內(nèi)的液位還會(huì)上升時(shí)，流量調(diào)節(jié)閥會(huì)再開一點(diǎn)，但液位再次低于5%時(shí)，黃色的信號(hào)燈就會(huì)發(fā)亮，表示卸貨工作己進(jìn)入到掃艙泵掃艙階段。

（7）當(dāng)真空泵連續(xù)操作時(shí)，分離柜內(nèi)的液位也不上升且流量調(diào)節(jié)閥隨時(shí)保持完全關(guān)閉，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)這種狀態(tài)，意味著己抽不到剩余液體。大約3分鐘后，橘黃色燈會(huì)閃光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出聲響，表示真空掃艙結(jié)束。

4 結(jié) 論

通過對(duì)貨油泵真空系統(tǒng)組成、功能原理以及操作流程的分析，首先可以對(duì)這一系統(tǒng)的功能和配置有一個(gè)基本了解，有助于更好地研究和吸收國(guó)外高新技術(shù)；其次由于此系統(tǒng)目前國(guó)內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)自主配套，而此系統(tǒng)的先進(jìn)性、操控性和適用性已得到越來越多的船東青睞。我們希望通過對(duì)該系統(tǒng)的研究，為盡早實(shí)現(xiàn)真空掃艙系統(tǒng)自主研發(fā)提供借鑒和參考。

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［2］涼帥.油輪貨油裝卸系統(tǒng)的自動(dòng)化研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2008.

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