15 000載重噸化學(xué)品船兩艙一泵貨油系統(tǒng)設(shè)計

方云虎，馮國增，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚州 225217;2.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

隨著中東地區(qū)主要石油產(chǎn)地深加工程度的提高和美國對頁巖氣的大規(guī)模開發(fā)以及南美地區(qū)可再生生物燃料產(chǎn)量的激增，世界范圍內(nèi)的化學(xué)品市場逐漸轉(zhuǎn)向長距離化，并呈現(xiàn)出再度繁榮的趨勢。若要在單個航次中實現(xiàn)更大的利益收入，就要盡可能多地完成貨物的配送，大噸位、多貨艙的化學(xué)品船[1-2]因其運營的多樣化而逐漸得到人們的認可。

本文研究的15 000載重噸化學(xué)品船屬于G型貨艙IMO-Ⅱ型船，全船共布置14個獨立的液貨艙和2個獨立的污油艙。貨艙分為7組，每組分為左(P)右(S)舷各1個。該船采用兩艙一泵式的貨油泵布置方案，可以同時裝載7種不同的貨品。與一艙一泵式[3]相比，兩艙一泵式的深井泵數(shù)量減少了50%，降低了船舶設(shè)計建造工作的難度，節(jié)約了人力和物力，優(yōu)化了船舶成本。

1 兩艙一泵貨油系統(tǒng)工作原理

該船的貨油系統(tǒng)主要包括2個污油艙、2個貨物泄放艙、14個獨立液貨艙，其中，液貨艙分為7組，每組分為左(P)右(S)舷各1個。

該系統(tǒng)主要安裝7臺貨油泵和2臺污油泵。每組液貨艙安裝1臺深井泵，布置在右舷艙室里面，2個污油艙內(nèi)分別安裝1臺污油泵。1號貨艙貨油系統(tǒng)布置示意圖如圖1所示。

圖1 1號貨艙貨油系統(tǒng)布置示意圖

貨油泵采用多吸口的潛水泵，吸入口布置在左右艙的吸油井內(nèi)。以1號左舷艙為例，貨油排放時，所有閥組初始狀態(tài)為關(guān)閉，打開1號貨油泵左舷主吸入口蝶閥、貨油泵出口蝶閥以及橫跨管蝶閥，管道構(gòu)成通路后，啟動貨油泵將貨油通過排出口排出；當艙內(nèi)大部分貨油排放完畢后，關(guān)閉主吸入口蝶閥和貨油泵出口蝶閥，打開掃艙出口球閥，剩余貨油經(jīng)掃艙管止回閥從掃艙管線排放至橫跨管蝶閥的排放端。貨油裝載時，所有閥組初始狀態(tài)為關(guān)閉，打開橫跨管蝶閥和貨油艙貨油注入蝶閥，貨油從注入口經(jīng)橫跨管和貨油主管直接注入至貨艙內(nèi)。

污油泵是單吸口的泵，但它的來源眾多，主要來自貨物泄放艙、主甲板艙底水井、艙室甲板、匯流排滴油盤、甲板通道、固定管路以及連接隔膜泵到不同地方的軟管。污油泵排放時，可以從污油艙吸入口吸入，經(jīng)污油泵出口處的止回閥和蝶閥進入污油主排放管，隨后進入橫跨管，經(jīng)橫跨管蝶閥排出；也可以經(jīng)污油泵出口止回閥和排油監(jiān)控系統(tǒng)入口蝶閥進入排油監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)檢驗合格后排放至舷外。

2 貨油泵的選型設(shè)計

化學(xué)品船裝載的液貨品種類繁多，為確?；瘜W(xué)品船在駁運、存儲、裝卸過程中的安全，貨油泵系統(tǒng)所選用的金屬材料絕對不允許與艙內(nèi)的任何化學(xué)品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[4-5]。本文研究的15 000載重噸化學(xué)品船貨油泵系統(tǒng)采用的耐腐蝕材料為不銹鋼AISI 316L，貨油泵驅(qū)動形式為電動機驅(qū)動。

該船液貨艙總?cè)萘繛?6 802.6 m3，但該船7組貨艙的容量并不是均勻分布的，其中以5號艙的容量最大，為2 967.6 m3。

根據(jù)船東要求，該船的設(shè)計排放時間為9 h，即7臺貨油泵同時通過貨油泵管路進行排放作業(yè)的總時間為9 h，設(shè)計總揚程為120 m。在規(guī)定時間內(nèi)，必須保證所有艙室卸載完畢，即保證艙容最大的5號艙可以按時卸載完畢。7組液貨艙中，1號艙與5號艙的艙容差距最大，大約相差1 300 m3，理論上1號艙和5號艙的貨油泵應(yīng)該選擇不同型號，但為保證船舶設(shè)備及其零部件的通用性，方便設(shè)備備份和后期維護，在工程實際中通常會統(tǒng)一選取較大流量的貨油泵。

2.1 單臺貨油泵的流量計算

單臺貨油泵的流量按照式(1)計算：

Q=b1b2V/T

(1)

式中：Q為貨油泵總排量，m3/h；b1為貨油泵排放系數(shù)，b1=1.1；b2為考慮掃艙在內(nèi)的時間系數(shù)，b2=1.2；V為艙室容量，本文以5號艙的艙容計算，V=2 967.6 m3；T為設(shè)計總排放時間，T=9 h。

經(jīng)計算，Q=435 m3/h。

最終選取單臺貨油泵的流量Q=450 m3/h。

2.2 單臺貨油泵的功率計算

估算貨艙泵所需的功率按式(2)、式(3)計算：

Ne=Nbη

(2)

Ne=ρgQH

(3)

式中：Nb為軸功率，W；Ne為有效功率，W；H為泵的揚程，H=120 m；η為泵效率，η=0.75；ρ為貨油密度，ρ=820 kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 m2/s。

經(jīng)計算，貨油泵的有效功率Ne=120.54 kW。

所需的軸功率Nb=160.72 kW。

2.3 單臺貨油泵的型號及基本參數(shù)

根據(jù)貨油泵的流量、揚程和功率等參數(shù),選取深井泵的型號為瓦錫蘭DW200/250-2-K，具體參數(shù)見表1。

表1 貨油泵性能參數(shù)表

3 污油泵的選型設(shè)計

3.1 單臺污油泵的流量計算

污油泵的選型過程與貨油泵的選型計算過程相似[6]，其參數(shù)為：設(shè)計總揚程H=120 m，污油艙容積V′=148.7 m3，設(shè)計總排放時間T′=1.5 h，污油泵排放系數(shù)b1=1.1，考慮掃艙在內(nèi)的時間系數(shù)b2=1.2。

按式(1)計算后，最終選取單臺污油泵的流量為150 m3/h。

3.2 單臺污油泵的功率計算

選取污油泵的效率為0.75，按照式(2)和式(3)計算得出，污油泵的有效功率約為40.18 kW，所需的軸功率約為53.57 kW。

3.3 單臺污油泵的型號及基本參數(shù)

根據(jù)污油泵的流量、揚程和功率等參數(shù)可選取污油深井泵的型號為瓦錫蘭DW125/100-3-K，具體參數(shù)見表2。

4 吸油井貨油殘余量計算

吸油井布置在貨艙底部的雙層底上，分布在船舶中線兩側(cè)，吸油井底部低于貨油艙的水平面，是貨油艙內(nèi)的最低點，貨油艙中所有與貨物相關(guān)的管路吸口全部都布置在吸油井內(nèi)。設(shè)計吸油井時需要保證貨油殘留小于規(guī)范要求的75 L，且越小越好。貨油殘留量最終雖由實船試驗驗證，但初估計算也非常重要。

表2 污油泵的性能參數(shù)表

4.1 原設(shè)計方案中吸油井貨油殘余量計算

原設(shè)計方案的吸油井的主要尺寸及吸油井中的管路吸口布置如圖2所示。

圖2 吸油井俯視圖及剖視圖(單位：mm)

吸油井的四個側(cè)面均為圓角過渡，所以其實際面積小于與其同尺寸的四棱臺體，故可以將其近似為與其同尺寸的棱臺體，以便進行貨油殘余量計算。

貨油殘余量按式(4)計算：

V=H1[a1b1+a2b2+(a1+a2)(b1+b2)]/6

(4)

式中：V為棱臺的體積， m3；H1為棱臺的高度，m；a1、b1分別為上底面的長、寬，m；a2、b2分別為下底面的長、寬， m。

貨油的排放工作一般分為兩個階段。

第一階段，貨油泵從吸入管，經(jīng)獨立的貨油管路排放至橫跨管。這一階段，貨油泵可以將絕大部分的貨油排放出去。該階段結(jié)束后，吸油井中的液面下降到貨油泵吸口處。此時，a1=1.0 m ,b1=0.81 m，a2=1.15,b2=0.9 m,H=0.05 m，導(dǎo)入式(4)計算得出此時的貨油殘余量約為46 L。

第二階段，掃艙單元從掃艙管將剩余的貨油吸入，經(jīng)獨立的掃艙管路排放至橫跨管閥的排放端。該階段結(jié)束后，吸油井中的液面下降到掃艙吸口處。此時，a1=1.0 m,b1=0.81 m,a2=1.05 m,b2=0.83 m,H1=0.008 m，導(dǎo)入式(4)計算得出此時的貨油殘余量約為6.725 L。

4.2 改進設(shè)計后吸油井貨油殘余量計算

改進后的設(shè)計方案，主尺寸與原來相同，不同的是在吸油井底面上再添加一個500 mm×250 mm的矩形第二底面，縱剖圖如圖3所示。掃艙管布置在該底面上，以便進一步降低貨油的殘余量。

圖3 改進后的吸油井縱剖圖(單位：mm)

工作過程與上述的兩個階段相同，只是殘余量不同。

第一階段結(jié)束后，貨油殘余量按式(5)計算：

V1=V+V0

(5)

式中：V1為改進設(shè)計棱臺的體積， m3；V為原設(shè)計棱臺的體積，V=0.046 m3；V0為增加第二底體積，V0=0.001 m3。

經(jīng)計算，貨油殘余量約為47 L，大于改進前的殘余量。

第二階段結(jié)束后，此時的貨油殘余量V0約為1 L，原有設(shè)計方案的殘余量為6.725 L，相比改進前的殘余量，已經(jīng)有了明顯降低。

5 結(jié)語

本文以15 000載重噸化學(xué)品船為原型，完成了兩艙一泵貨油系統(tǒng)的設(shè)計計算。以液貨艙艙容和設(shè)計排放時間兩個基本參數(shù)為基礎(chǔ)，完成了貨油泵和污油泵的選型設(shè)計。另外，計算了吸油井的殘余量，并提出了改進設(shè)計措施。改進后的第二階段的貨油殘余量從6.725 L降低為1 L，減少了貨物的損耗，從而降低了船舶成本。

參考文獻：

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