燃油儲存艙閉式溢流透氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

劉 琛 林 蓁 馮樹才

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

常規(guī)設(shè)計的燃油儲存艙閉式溢流透氣系統(tǒng)，其溢流總管上的透氣管布置在主甲板上，油氣會通過空氣管頭擴散到主甲板面，形成油氣污染。油氣中毒已經(jīng)成為造成船員意外傷害的隱患，國際勞工組織越來越重視船員的工作環(huán)境和健康狀況，國際上的大型班輪公司 （如丹麥馬士基）也要求油艙空氣管頭不得布置在主甲板上。因此，以2 200 TEU集裝箱船為例，取消燃油儲存艙溢流透氣總管上的透氣管，將溢流和透氣合二為一，通過溢流總管集中溢流透氣到機艙雙層底的燃油溢流艙，燃油溢流艙再透氣到煙囪頂部。先通過經(jīng)典公式計算溢流透氣系統(tǒng)的阻力，再通過CFD模擬檢驗計算結(jié)果，論證了該優(yōu)化設(shè)計方案的可行性，可為工程設(shè)計提供一定的參考。

1 常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計

按照燃油溢流艙布置型式分類，常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)分為總管溢流型和就地溢流型，見圖1。

圖1 常規(guī)閉式溢流透氣系統(tǒng)

2 閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計流程

閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計除了滿足規(guī)范計算外，還應(yīng)該考慮系統(tǒng)安全保護措施和補油速率選取的合理性。

2.1 閉式溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計

每個燃油儲存艙設(shè)置2根溢流透氣管，溢流透氣管的最高點（B點）要高于總體專業(yè)提供的破艙水線，通過共用的橫跨管（B-C）接到溢流總管（C-D-E），最后接到位于機艙雙層底的燃油溢流艙，見圖2。

圖2 2 200 TEU閉式溢流透氣系統(tǒng)

2.2 燃油儲存艙溢流透氣總管

按照規(guī)范要求，溢流透氣總管的截面積應(yīng)是注 入管截面積的1.25倍，見下頁表1。

表1 2 200 TEU燃油儲存艙溢流透氣總管計算

2.3 燃油溢流艙透氣管

燃油溢流艙的注入包括燃油儲存艙的溢流管、燃油沉淀艙溢流管以及機艙內(nèi)其他艙柜的溢流管，可以視作是重力注入到燃油溢流艙，燃油溢流艙透氣管的截面積為最大的2根溢流注入管截面積之和的1/3，見表2。

表2 2 200 TEU燃油溢流艙透氣管計算

燃油溢流艙透氣管延伸到煙囪頂部，透氣管在機艙2平臺處設(shè)置1個泄壓閥，泄壓閥的主要目的是衡準燃油溢流艙試驗壓力高度，可以從煙囪頂部降低到泄壓閥的安裝高度（同時考慮泄壓閥的設(shè)定值），見圖3。

圖3 2 200 TEU燃油溢流艙透氣系統(tǒng)

極端工況下發(fā)生燃油溢流時，燃油通過泄壓閥泄放到圍油井，再通過管路泄放到雙層底的燃油泄放艙。

泄壓閥壓力設(shè)定值計算：

式中：

P

為泄壓閥壓力設(shè)定值，Pa；

ρ

為水的密度，1 000 kg/m；

g

為重力加速度 ，9.8 m/s；

H

為燃油溢流艙試驗壓力高度（自基線量起），17.71 m；

H

為泄壓閥安裝高度（自基線量起），12.32 m。

根據(jù)式（1）計算結(jié)果，泄壓閥壓力設(shè)定值選取5 000 Pa（即0.5 bar）。

2.4 燃油溢流透氣系統(tǒng)防虹吸措施

由于燃油溢流艙布置在位置較低的機艙雙層底，當加注工況發(fā)生燃油溢流時會產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象。溢流透氣總管如同吸管，抽吸燃油儲存艙內(nèi)的燃油，由此產(chǎn)生的負壓會對燃油儲存艙結(jié)構(gòu)造成破壞，需要采取措施防止燃油儲存艙負壓產(chǎn)生。

在燃油溢流透氣總管上設(shè)置1個單向閥，見圖2。當燃油溢流時，單向閥能在管路抽吸作用下自動打開，空氣進入溢流透氣總管內(nèi)，破除管內(nèi)真空，避免發(fā)生虹吸現(xiàn)象。正常加注工況時，油氣不會通過單向閥溢出，只能通過溢流透氣總管進入燃油溢流艙，最后從煙囪頂部排入大氣。

2.5 燃油溢流透氣系統(tǒng)報警保護措施

燃油加注是船舶營運管理的重要環(huán)節(jié)，船上燃油儲存艙內(nèi)的剩余油量，加油站的加注速率都是已知量，經(jīng)過計算可以得出燃油加注量和加注時間。一般來說，燃油加注時不會出現(xiàn)溢流的情況，考慮到系統(tǒng)的可靠性和安全性，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的報警保護措施，見表3。

表3 2 200 TEU燃油溢流透氣系統(tǒng)報警保護措施

3 燃油儲存艙承受壓力計算

根據(jù)燃油儲存艙的布置位置，1號燃油儲存艙（左/右）距離機艙內(nèi)燃油溢流艙的位置最遠，系統(tǒng)阻力最大，因此只需要計算1號燃油儲存艙（左）溢流透氣管路阻力。

燃油注入時，溢流透氣管總阻力由動壓和靜壓組成。動壓包含沿程阻力損失和局部阻力損失；靜壓是溢流管最高點（B點）和燃油艙頂部（A點）之間的高度差。

溢流透氣總管阻力計算公式如下：

式中：Δ

P

為溢流透氣總管總阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管沿程阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管局部阻力，Pa；Δ

P

為溢流透氣總管靜壓，Pa。

3.1 燃油加注參數(shù)

根據(jù)船東的要求，加注時間和加注速率在規(guī)格書階段已明確，當加注到燃油儲存艙高位報警（95%）時，燃油應(yīng)該以補油速率進行加注，以確保加油安全。見表4。

表4 2 200 TEU燃油加注參數(shù)

3.2 溢流透氣總管阻力計算

根據(jù)船舶加油操作規(guī)程，阻力計算時只需要考慮補油速率下溢流系統(tǒng)的阻力。加油站應(yīng)按照規(guī)范配置相應(yīng)的設(shè)備和儀表，對加油操作實施過程進行監(jiān)視和控制。溢流透氣總管的阻力計算見下頁表5。

3.3 燃油儲存艙承受壓力計算

燃油儲存艙承受的壓力除了溢流透氣管路的阻力外，還包括燃油艙深度引起的自身靜壓，該靜壓成梯度變化，燃油艙底部承受的壓力最大。燃油儲存艙承受壓力計算見下頁表6。

由表6可知，在燃油儲存艙以補油速率發(fā)生溢流時，承受的壓力小于設(shè)計許用壓力，燃油儲存艙的溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計滿足實際使用要求。

表5 2 200 TEU溢流透氣總管阻力計算

表6 2 200 TEU燃油儲存艙承受壓力計算

3.4 補油速率的選取

由表5可知，透氣溢流管路口徑按照規(guī)范的要求進行選取，長度由油艙的總布置確定，影響管路總阻力的主要因素是補油速率。不同補油速率下的管路總阻力變化見表7。

表7 2 200 TEU管路不同補油速率下管路總阻力變化

由表7可知，透氣溢流管路的總阻力隨著補油速率的加大而增加。由于燃油儲存艙承受壓力必須小于其設(shè)計許用壓力，所以建議最大補油速率不要超過120 m/h。

4 CFD驗證計算

采用流體軟件FloEFD進行CFD計算。運用軟件自帶的建模工具Soildworks，對2 200 TEU閉式溢流透氣系統(tǒng)建立計算模型，對燃油溢流工況和燃油駁出工況仿真分析。

4.1 燃油溢流工況模型

根據(jù)實船放樣布置，燃油溢流工況模型及計算結(jié)果見圖4。

圖4 2 200 TEU燃油溢流工況模型及計算結(jié)果

計算軟件基本輸入條件：

（1）管內(nèi)流體介質(zhì)為重油（1 010 kg/m，700 cst）；

（2）選取E點為標準大氣壓力（101 325 Pa）；

（3）選取A1和A2點為流量入口（燃油補油速率：100 m/h）。

計算結(jié)果見圖4，管路A-E的動壓為：

115 091 - 101 325 = 13 766 Pa。

CFD計算值（13 766 Pa）與表5經(jīng)典公式計算值（15 130 Pa）接近，故在燃油儲存艙以補油速率發(fā)生溢流時，其承受壓力小于設(shè)計許用壓力，燃油儲存艙的溢流透氣系統(tǒng)設(shè)計滿足實際使用要求。

4.2 燃油駁出工況

機艙內(nèi)燃油駁運泵駁出燃油儲存艙內(nèi)的燃油時，為了保證燃油儲存艙內(nèi)的氣壓平衡，空氣會從煙囪頂部的燃油溢流艙透氣管，經(jīng)過溢流透氣總管，自動補償?shù)饺加蛢Υ媾?，保證燃油儲存艙內(nèi)的氣壓平衡，利用CFD模擬計算此優(yōu)化方案是否可以保證燃油儲存艙氣壓平衡。

根據(jù)實船放樣布置，燃油駁出模型及計算結(jié)果見圖5。

圖5 2 200 TEU燃油駁出模型及計算結(jié)果

計算軟件基本輸入條件：

（1）管內(nèi)流體介質(zhì)為空氣；

（2）選取G點為標準大氣壓力；

（3）選取A1、A2點的出口體積總流量100 m/h（機艙內(nèi)2臺燃油駁運泵容量）。

計算結(jié)果見圖5。管路G-A的真空度為：101 325 - 101 226 = 99 Pa。

當燃油儲存艙燃油駁出時，閉式溢流透氣系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)是空氣，流速很低（0.544 m/s），溢流透氣系統(tǒng)管路的真空度為99 Pa，遠小于結(jié)構(gòu)能承受的負壓值。所以取消溢流透氣總管上的空氣管頭，既不會影響燃油駁出，燃油儲存艙內(nèi)氣壓也能保持平衡。

5 結(jié) 語

在工程設(shè)計過程中理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式是論證設(shè)計方案的有效手段，能夠同時證實理論計算結(jié)果的有效性以及仿真結(jié)果的準確性。本文從防止油氣污染的角度，對2 200 TEU集裝箱船燃油儲存艙溢流透氣系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，通過理論計算與CFD模擬仿真相結(jié)合，論證了取消燃油儲存艙溢流總管上空氣管，將溢流和透氣合二為一的設(shè)計方案能夠滿足實際使用要求，解決了主甲板面上油艙空氣管頭產(chǎn)生的油氣污染問題，其設(shè)計思路可以應(yīng)用于其他相關(guān)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，具有良好的應(yīng)用前景。