115 000 t油船貨油系統(tǒng)仿真計(jì)算分析

伍 剛，曹信來(lái)，黃信男

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引言

Aframax型號(hào)油船通常采用離心式貨油泵。離心泵具有排量大、流量易調(diào)節(jié)、對(duì)雜質(zhì)不敏感、易損件少、管理和維修方便、效率高等特點(diǎn)。離心式貨油泵布置在單獨(dú)的貨泵艙里面，貨油泵動(dòng)力來(lái)自機(jī)艙里面的原動(dòng)機(jī)，通過(guò)隔艙傳動(dòng)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 貨油艙管采用總管式。通常每臺(tái)貨油泵設(shè)有1根總管，并且各根總管間互相連通。此種形式管路布置比較復(fù)雜，特別是隨著船舶越來(lái)越大，管路越來(lái)越長(zhǎng)，故對(duì)貨油泵管路尺寸和壓力分析十分重要。在貨油輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常參考同類船型來(lái)選用貨油管路的尺寸，或者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算管路壓力降等傳統(tǒng)方法來(lái)選取貨油管路尺寸，但這種常規(guī)的選取方法通常會(huì)導(dǎo)致集合管出口的背壓達(dá)不到預(yù)期要求。

本文利用Flowmaster軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，分析115 000 t油船貨油系統(tǒng)管路阻力，并根據(jù)管路阻力計(jì)算結(jié)果，對(duì)貨油相應(yīng)管路走向及尺寸大小進(jìn)行優(yōu)化。

1 貨油輸送及掃艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油船貨油輸送及掃艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)是油船設(shè)計(jì)中最重要部分。115 000 t油船是一艘綠色節(jié)能的Aframax油船，適合裝載閃點(diǎn)低于60 ℃的原油/成品油。該船共有12個(gè)貨油艙和2個(gè)污油水艙。2個(gè)污油水艙可兼作貨油艙。全船的貨油艙分為3組，每組之間通過(guò)雙閥隔離，可同時(shí)裝載3種貨油。

1.1 貨油泵選型

115 000 t油船貨油艙艙容約為133 000 m3。為了滿足船東對(duì)貨物裝卸時(shí)間的要求，本船配置3臺(tái)排量為3 000 m3/h、排出壓力為1.3 MPa的蒸汽透平離心泵。貨油泵采用隔艙傳動(dòng)式，離心泵布置在貨泵艙內(nèi)，蒸汽透平布置在機(jī)艙內(nèi)，額定工況下貨油泵的運(yùn)行速度為1 330 r/min。為了盡量掃除貨油艙和貨油管里面的殘油，配置了300 m3/h×1.3 MPa蒸汽驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式掃艙泵和500 m3/h×0.25 MPa的貨油掃艙噴射泵[1]各1臺(tái)。

1.2 真空自動(dòng)掃艙系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和操作流程

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

為了更加方便快速地掃除貨油艙里面的殘油，本船配置了真空自動(dòng)掃艙系統(tǒng)。真空自動(dòng)掃艙系統(tǒng)主要由氣液分離罐、泵出口流量控制閥、真空泵組(真空泵、真空柜、真空閥)等組成。真空自動(dòng)掃艙系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)利用排量大的貨油泵自動(dòng)掃艙，明顯降低了卸貨時(shí)間。

(2)能夠自動(dòng)進(jìn)行，不需要人為判斷掃艙開(kāi)始時(shí)間，以及閥的切換和泵啟動(dòng)工作。

(3)和離心泵的自吸功能相組合，位于離心泵吸入側(cè)的氣液分離罐低液位時(shí)候能夠快速啟動(dòng)。

1.2.2 真空自動(dòng)掃艙系統(tǒng)的操作流程

(1)當(dāng)氣液分離罐液位低于70%時(shí)，自動(dòng)掃艙系統(tǒng)開(kāi)始工作,否則不工作。

(2)當(dāng)艙內(nèi)液位下降后，吸入壓力繼續(xù)下降；壓力到達(dá)貨油蒸氣壓力時(shí)，部分貨油開(kāi)始?xì)饣⒓墼跉庖悍蛛x罐中，導(dǎo)致氣液分離罐中的液位下降。當(dāng)氣液分離罐液位下降到50%時(shí)，泵出口流量控制閥節(jié)流，自動(dòng)掃艙系統(tǒng)的真空泵啟動(dòng)，抽吸氣液分離罐中的貨油蒸氣。隨著真空泵的抽吸，氣液分離罐中的液位上升；當(dāng)上升到70%時(shí)候，真空泵停止工作，泵出口流量控制閥全開(kāi)。此程序?qū)⒔惶孢\(yùn)行。

(3)隨著貨油艙液位繼續(xù)下降，貨油艙內(nèi)的液體已下降到接近艙底，主吸口周圍的液面產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，大量的貨油艙蒸氣將被吸入，并聚集在氣液分離罐上面，這時(shí)候真空泵啟動(dòng)。同時(shí)調(diào)小離心泵出口流量控制閥，當(dāng)吸入蒸氣量小于真空泵抽吸量時(shí)，氣液分離罐的液位上升，此時(shí)泵出口流量調(diào)節(jié)閥逐漸調(diào)大，貨油泵流量增大，氣液分離器的液位又下降。上面步驟重復(fù)出現(xiàn)。

(4)當(dāng)貨油艙液位降至艙底時(shí)，由于吸入大量貨油艙蒸氣，會(huì)導(dǎo)致泵出口流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，氣液分離器液位又上升一點(diǎn)。出口流量調(diào)節(jié)閥稍開(kāi)一些，氣液分離器液位再次下降。上述操作持續(xù)交替，直到氣液分離器的液位低于5%時(shí)，低液位燈亮，顯示掃艙結(jié)束。

1.3 貨油輸送系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

油船貨油輸送系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。該船3臺(tái)貨油泵布置在貨泵艙內(nèi)。貨油管系采用總管式，3根DN550貨油主管、1根DN300掃艙主管布置在貨油艙里面。每個(gè)貨油艙有1根DN400主吸口和1根DN200掃艙吸口，分別通過(guò)浸沒(méi)式遙控閥連接到相應(yīng)的貨油總管和掃艙總管上。3根總管之間通過(guò)雙遙控蝶閥隔離連接。貨油艙同時(shí)能夠裝卸3種貨物，相同貨種艙共用1根貨油總管。每個(gè)貨油艙的吸油井里面布置1個(gè)主吸口和1個(gè)掃艙吸口，主吸口離開(kāi)吸油井的高度高于掃艙吸入口。為了便于浸沒(méi)式遙控閥的維修，服務(wù)于該艙的遙控閥布置在相鄰的艙里面，并且為了調(diào)節(jié)裝卸速率，主吸入遙控閥為開(kāi)度指示閥?？紤]到船舶裝卸習(xí)慣，吸油井都布置在艙的左側(cè)[2]。

貨油總管穿過(guò)貨油艙后經(jīng)過(guò)貨油艙和貨泵艙艙壁上的隔離閥后連接到貨油泵，泵出口的總管尺寸為DN500。經(jīng)過(guò)貨油泵后，貨油管分2路：一路至上甲板，另一路去洗艙系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)掃艙噴射泵。掃艙總管出了貨油艙后連接到掃艙噴射泵和掃艙泵上。

主甲板上布置3根DN500貨油總管、1根DN125掃艙管。為了補(bǔ)償貨油管的伸縮，在必要的地方按照要求布置船檢機(jī)構(gòu)認(rèn)可的伸縮接頭。集管區(qū)布置3根DN500的貨油橫跨管，甲板掃艙總管連接到橫跨總管的外側(cè)。集管區(qū)貨油管系的布置高度及間隔尺寸的選取嚴(yán)格參照《國(guó)際油輪和油碼頭安全指南》的推薦。

貨油注入管從上甲板主管穿過(guò)第4貨油艙，連接到貨油艙底部的貨油總管。貨油艙內(nèi)貨油管采用內(nèi)外鍍環(huán)氧的鋼管，貨油艙外的貨油管采用內(nèi)鍍環(huán)氧、外涂環(huán)境油漆的鋼管。

圖1 貨油輸送系統(tǒng)原理圖

2 貨油輸送系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真計(jì)算模型

本文應(yīng)用Flowmaster軟件對(duì)115 000 t油船的貨油系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真計(jì)算。根據(jù)實(shí)船布置，NO.1貨油艙(左)和NO.1貨油艙(右)離開(kāi)貨油集管的管路最長(zhǎng)，為阻力最不利管路。假設(shè)NO.1貨油艙(左)、NO.1貨油艙(右)都裝載滿艙貨物，貨油泵的流量為3 000 m3/h。NO.1貨油艙(左)吸入支管和NO.1貨油艙(右)吸入支管流量分別為1 500 m3/h。

基于上述邊界條件，利用Flowmaster軟件和該軟件自帶的元件庫(kù)，定義了貨油輸送系統(tǒng)中的管道、閥、彎頭、濾器、膨脹節(jié)等部件的參數(shù)，建立網(wǎng)管模型。然后在建模的基礎(chǔ)上開(kāi)展了貨油系統(tǒng)的阻力仿真計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到了貨油集管出口處的壓力。所建的模型見(jiàn)圖2[3]。

1、12、57、127—節(jié)點(diǎn)。

2.2 貨油系統(tǒng)結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算得到主要節(jié)點(diǎn)壓力參數(shù)，見(jiàn)表1。進(jìn)口節(jié)點(diǎn)1和出口節(jié)點(diǎn)127的壓力差為229 850 Pa，此差值為貨油系統(tǒng)最不利管路的壓力損失。貨油泵流量為3 000 m3/h時(shí)，壓頭為1.3 MPa。如果考慮到貨油的吸入口和貨油集管排出口的高度差為22 m，此時(shí)貨油集合管的壓力為0.85 MPa，這樣就保證了貨油集合管最低背壓0.7 MPa的要求。

表1 主要節(jié)點(diǎn)計(jì)算參數(shù)

注：基于第1貨油艙(左右)滿艙；基于泵額定流量3 000 m3/h。

3 結(jié)論

本文根據(jù)115 000 t貨油管路的實(shí)際布置情況，利用Flowmaster軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，計(jì)算了貨油輸送管路中最不利管路阻力損失，并且根據(jù)計(jì)算對(duì)相應(yīng)管路的走向和尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。得出以下結(jié)論：

(1)基于Flowmster軟件模擬仿真的計(jì)算結(jié)果具有可靠性，和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

(2)Flowmster建模仿真計(jì)算簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的工作，能為船舶貨油系統(tǒng)優(yōu)化提供便利。

(3)油船管路尺寸設(shè)計(jì)不能完全借鑒參考船型尺寸，需要通過(guò)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化選取。