船內(nèi)貨油轉(zhuǎn)運管路阻力分析與改進設(shè)計

孟 成 楊衛(wèi)英 萬新斌

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

引 言

船內(nèi)貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)負責(zé)將貨油艙內(nèi)的貨油駁運至甲板上的裝卸站，是實現(xiàn)船-岸、船-船貨油輸運的關(guān)鍵系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各類油品的運輸船舶。

貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)由貨油泵、閥門、濾器、管路以及相關(guān)附件組成。貨油轉(zhuǎn)運需克服貨油艙內(nèi)液面至貨油裝卸站的高度差，以及管路、設(shè)備及附件帶來的流動阻力，使駁運至裝卸站的貨油滿足裝卸流量和壓力要求。實船操作時，易發(fā)生由于轉(zhuǎn)運管路阻力偏大，無法將貨油按指定流量駁運至裝卸站的現(xiàn)象，限制了貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運能力。［1-2］因此，分析貨油轉(zhuǎn)運管路阻力構(gòu)成，采取降低管路阻力的有效措施，優(yōu)化系統(tǒng)配置，設(shè)計大流量、低流阻的貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，是實現(xiàn)船舶高效貨油轉(zhuǎn)運的重要保障。

1 貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)設(shè)計概況

某型油料運輸船設(shè)置6個貨柴油艙，上甲板左右舷各設(shè)置2個貨油裝卸站。該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)配置4臺貨油泵和1臺掃艙泵。泵前后管路采用并聯(lián)設(shè)計，與貨油吸入總管和駁運總管連接。根據(jù)岸、船的接收需求，各貨油泵可獨立運行，也可并聯(lián)工作實施大流量轉(zhuǎn)運，系統(tǒng)最大工作能力為4個裝卸站同時裝卸，各裝卸站設(shè)計裝卸能力400 m3/h。多泵并聯(lián)的轉(zhuǎn)運形式提高了貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的適用范圍，可滿足各目標流量的裝卸要求。

貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)采用遙控蝶閥實現(xiàn)轉(zhuǎn)運管路的分段控制和流量調(diào)節(jié)。在貨油吸入總管上設(shè)置粗油濾器，去除油料中的顆粒雜質(zhì)，防止貨油泵的流道受到顆粒破壞。在貨油駁運總管上設(shè)置貨油凈化裝置，對柴油進行精過濾，使油品滿足接收方的凈度要求。在貨油裝卸站附近設(shè)置附帶濾器的機械式流量計，測量各裝卸站的貨油裝卸量，同時進一步濾清貨油。泵出口設(shè)置截止止回閥，貨油凈化裝置進出口、貨油裝卸站設(shè)手動蝶閥。該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要部件見表1，貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)布置原理如圖1所示。

表1 某型船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要部件 個

圖1 某型船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)原理圖

2 貨油轉(zhuǎn)運管路阻力計算方法

2.1 管路阻力計算

管路阻力計算對象是貨油轉(zhuǎn)運的流通管路，包括從貨油艙吸口至貨油泵入口，再從貨油泵出口至裝卸站的管路。管路阻力由沿程阻力和局部阻力兩部分組成，表示為：

式中：Δp為管路阻力，Pa；λ為沿程阻力系數(shù)；L為管路長度，m；d為管徑，m；ρ為密度，kg/m3；ξ為局部阻力系數(shù)；v為介質(zhì)流速，m/s。

其中，沿程阻力系數(shù)按下式計算：

根據(jù)式（1）可知，管路沿程阻力主要受介質(zhì)的物理特性以及管路長度和管徑影響。根據(jù)船廠初步放樣結(jié)果，統(tǒng)計各流通管路的長度，再結(jié)合柴油的黏度與密度特性，便可計算沿程阻力。

管路局部阻力主要受彎頭附件影響，該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)彎頭均為光滑圓管彎頭。根據(jù)船廠初步放樣結(jié)果，統(tǒng)計各流通管路的彎頭數(shù)量，再查閱獲取各型彎頭的局部阻力系數(shù)，計算局部阻力。以2號貨油艙至各貨油泵入口，再由各貨油泵出口至4號貨油裝卸站的管路通路為典型案例，各通路的管路長度和彎頭數(shù)量如表2所示。

2.2 過濾設(shè)備阻力計算

該型船的貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)含粗油吸入濾器、貨油凈化裝置和流量計附帶濾器3種過濾設(shè)備。粗油濾器和流量計附帶濾器均為單聯(lián)濾筒的型式，貨油凈化裝置由6組兩兩串聯(lián)的分雜精濾器和分離過濾器組成，計算時近似視為2個串聯(lián)運行的單聯(lián)濾筒。3種過濾設(shè)備的阻力計算均按濾器阻力經(jīng)驗公式［3］：

表2 典型貨油管路通路管道和彎頭統(tǒng)計m

式中：ξi為濾器入口阻力系數(shù)，取1.1；ξc為濾器出口阻力系數(shù)，取0.5；Ln為當量直管段長度，m；dn為當量直徑，m。濾器當量直徑按下式計算：

式中：s為濾芯流通面積，m2；

c為液體濕周，c=2×（濾筒內(nèi)徑+濾筒高度）。

濾芯通流面積由濾芯過濾精度和外形尺寸決定，該貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)涉及的3種過濾設(shè)備，用于阻力計算的濾器參數(shù)如表3所示。

表3 濾器阻力計算參數(shù)

2.3 閥門阻力計算

該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)設(shè)置的閥門有遙控蝶閥、手動蝶閥和截止止回閥，其中手動蝶閥和部分遙控蝶閥為調(diào)節(jié)型，其余閥門均為啟閉型。啟閉型閥門的局部阻力系數(shù)為固定值，調(diào)節(jié)型閥門的局部阻力系數(shù)與開度的關(guān)系按線性關(guān)系估算［4］：

式中：ξ0為閥門全開阻力系數(shù)；l0為閥門全開開度，100%；l為閥門當前開度，%。

各型閥門全開情況下的局部阻力系數(shù)見表4。

表4 閥門局部阻力系數(shù)

3 貨油轉(zhuǎn)運管路阻力分析

3.1 最大工況阻力計算結(jié)果

以該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)運能力為阻力校核工況，分析貨油轉(zhuǎn)運管路阻力。各裝卸站發(fā)送流量定為400 m3/h，發(fā)送總流量為1 600 m3/h，相應(yīng)的各貨油泵流量設(shè)為400 m3/h，裝卸站背壓0.6 MPa，管路各閥門全開。貨油從離貨油泵最遠的2號貨柴油艙駁出，通過單根吸入總管運至各泵，油艙液面高度與貨油泵吸口高度一致，貨油泵出口至裝卸站高差18.8 m，將高差計入管路阻力，駁運管段阻力主要考慮各貨油泵至離泵組水平距離最遠的4號裝卸站的貨油轉(zhuǎn)運阻力，計算程序采用Excel編制，阻力計算結(jié)果如表5所示。

表5 阻力計算結(jié)果

3.2 貨油吸入管段阻力分析

該船貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)所設(shè)置的貨油泵的額定氣蝕余量為2.8 m水柱。對應(yīng)的有效氣蝕余量為7.5 m水柱，根據(jù)表5所示的阻力計算結(jié)果，2號貨油艙至各泵的阻力最小為0.13 MPa（約13 m水柱），明顯大于泵的有效氣蝕余量。為避免貨油泵發(fā)生氣蝕，需降低貨油吸入管段阻力。分解吸入管段阻力，其阻力構(gòu)成如圖2所示。

圖2 貨油吸入管路阻力分解

圖2顯示：吸入管路阻力主要由粗油吸入濾器造成，油艙至各貨油泵的管路附件阻力次之。故欲降低吸入阻力，首先應(yīng)減小吸入濾器阻力，其次考慮減小管路附件阻力。

3.3 貨油駁運管段阻力分析

受到接收岸以及船內(nèi)部管路的阻力影響，該船貨油裝卸站口在最大轉(zhuǎn)運工況必須具備0.6 MPa的背壓。根據(jù)貨油泵的額定壓差為1.2 MPa，則貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的管路阻力余量為0.6 MPa。由表5結(jié)果可知，各貨油泵至4號裝卸站的駁運管路阻力最小為0.553 MPa，加上泵的吸入阻力，已大于阻力余量。需在減小泵前吸入阻力的基礎(chǔ)上，再降低駁運管路阻力，從而分解駁運管段阻力，阻力構(gòu)成如下頁圖3所示。可見，駁運管路阻力主要由管路附件阻力和高差阻力構(gòu)成，貨油凈化裝置阻力和流量計附帶濾器阻力次之。管路高差由船型和裝卸站位決定，無法改變。故欲降低駁運阻力，首先是減小管路附件阻力，其次考慮減小過濾裝置阻力。同時，多泵并聯(lián)的貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)運行時，各泵會自動調(diào)節(jié)出口流量，從而達到泵進出口并聯(lián)點的壓力平衡。故為使并聯(lián)各貨油泵的出口流量盡量一致，避免出現(xiàn)個別泵流量偏高引起電機過載，需調(diào)整各泵進出口支路的管路附件阻力，從而使經(jīng)貨油艙到貨油泵再至裝卸站的各管路通路阻力平衡。［5］

圖3 貨油駁運管路阻力分解

4 管路減阻改進設(shè)計

4.1 貨油吸入管路減阻改進

減小貨油吸入管路上的吸入濾器阻力，需降低濾芯的過濾精度。油濾器濾芯原設(shè)計為80目，經(jīng)與泵廠家溝通，泵組可接受的泵前濾器最低過濾精度為20目。將濾芯更換為20目后，有效過濾面積由47%提高到65%，如此吸入管路阻力計算結(jié)果如圖4所示。

圖4顯示，采用低目數(shù)濾芯后，貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的吸入阻力最低下降至0.1 MPa，約10 m水柱，但仍高于貨油泵的有效氣蝕余量，只能繼續(xù)降低管路附件阻力。由于貨油吸入管路從貨油艙伸至泵艙，多為直管段，彎頭附件較少，無法通過減少彎頭降低阻力；并且考慮到貨油流速限制和艙室布局問題，也難以通過增加管徑降低阻力。故考慮改變吸油方式，從左右對稱的兩艙吸油，再通過2根貨油吸入總管將貨油輸送至各貨油泵。從1號和2號貨柴油艙吸油，吸入阻力計算結(jié)果與原方案阻力計算結(jié)果比對如圖5所示。

圖4 濾芯更換后貨油吸入管路阻力對比

圖5 改變吸油方式貨油吸入管路阻力分解

從圖5可以看出，采用兩艙吸油后，各貨油泵的吸入管路阻力分別下降至0.032 6 MPa、0.032 9 MPa、0.033 1 MPa和 0.033 5 MPa，低于貨油泵的有效氣蝕余量，滿足貨油泵的抗氣蝕要求。同時，兩艙吸油也有利于船體保持平穩(wěn)，避免單艙吸油過多引起的船傾問題。

本船設(shè)計的貨油裝卸極限吸入工況為貨柴油艙液面高度與貨油泵吸口高度相同。當油艙液面高于貨油泵吸口時，油面正靜壓差有利于貨油的吸入；而當油艙液面低于貨油泵吸口時，油面負靜壓差會引起吸入阻力增大。實船貨油裝卸時，需特別注意油艙液位高度對貨油泵吸入性能的影響，盡量不要在過低油艙液面高度實施貨油裝卸。

4.2 貨油駁運管路減阻改進

由于需要保證駁運至接收岸、船的油品質(zhì)量，貨油駁運管路上過濾設(shè)備的過濾精度無法降低，故貨油駁運管路減阻優(yōu)化僅能降低管路附件阻力。船廠管路放樣結(jié)果顯示，從貨油泵出口至裝卸站的駁運管路附件由90°彎頭、120°彎頭和相關(guān)閥門組成，閥門作為管路功能部件不能取消，考慮減少彎頭數(shù)量。90°彎頭引起局部阻力損失較大，經(jīng)與船廠溝通，將駁運總管上的3個90°彎頭都更換為2個135°的組合彎頭，如圖6所示。

圖6 90°彎頭改135°組合彎頭形式

如此，便將90°彎頭的局部強阻力降低為135°彎頭的局部弱阻力。彎頭改進后的駁運管路阻力與原阻力對比如圖7所示。

圖7 彎頭改進后的駁運管路阻力與原阻力對比

圖7顯示，彎頭改進后各貨油泵至4號裝卸站的貨油駁運阻力降低為0.540 4 MPa、0.541 7 MPa、0.541 6 MPa和0.541 9 MPa，加上吸入管路減阻優(yōu)化后的吸入阻力，貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)各通路阻力分別為0.572 9 MPa、0.574 5 MPa、0.573 7 MPa和0.575 4 MPa，已低于0.6 MPa的管路阻力余量，滿足額定流量下的柴油轉(zhuǎn)運要求。數(shù)據(jù)也顯示，減小泵前吸入阻力對降低管路通路阻力的效果明顯，說明減小吸入阻力不僅可防止泵發(fā)生氣蝕，而且是保證泵后壓力滿足額定流量貨油轉(zhuǎn)運要求的有效手段。

為反映各通路阻力的平衡情況，計算各通路阻力的標準偏差σ，上述改進設(shè)計后各通路的σ為0.001 1。為進一步減小各通路的阻力偏差，實現(xiàn)多泵并聯(lián)下的管路阻力平衡，對貨油泵的布置形式和管路進行調(diào)整（如圖8所示）。

圖8 貨油泵改進布置形式

調(diào)整后的各通路阻力為0.572 8 MPa、0.573 5 MPa、0.572 8 MPa和0.573 5 MPa，標準偏差σ為0.000 4，各通路阻力略有降低，阻力平衡度也明顯提高。如此安排，4臺貨油泵基本可在同一流量并聯(lián)運行，系統(tǒng)的管路流量分配更加合理。對于無法改變布置形式的管路，可通過調(diào)節(jié)流量偏高或電機電流偏高的貨油泵后的閥門開度來達到多泵并聯(lián)下的管路阻力平衡，避免出現(xiàn)電機過載現(xiàn)象。替代大角度彎頭。

（3）設(shè)計多泵并聯(lián)形式的貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，應(yīng)使各貨油泵進出口管路支路阻力基本一致。管路阻力分析與減阻優(yōu)化可在貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)設(shè)計階段對管路阻力進行評估，降低系統(tǒng)因流阻過大而無法達到流量指標的風(fēng)險，為船舶貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的設(shè)計和建造提供參考。

［參考文獻］

5 結(jié) 論

本文對某型船的貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進行了阻力計算及分析，提出了減小管路阻力的改進方案，得出以下結(jié)論：

（1）降低貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的管路阻力不僅要減小泵后駁運管路的阻力，也要特別注意減小泵前吸入管路的阻力。

（2）布置貨油轉(zhuǎn)運系統(tǒng)管路時盡量減小大角度彎頭的數(shù)量；空間允許條件下可用小角度彎頭組合

［1］ 李方晨，于鵬，金賢. 3 000 DWT不銹鋼化學(xué)品船液貨系統(tǒng)設(shè)計［J］. 船舶工程，2015（s2）：62-63.

［2］ 嚴利民，黃津津，孟成，等. LNG船液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件平臺研究［J］. 船舶，2011（3）：51-55.

［3］ 孫濤，郭錦程，孫海鷗，等. 組合式濾清器阻力特性研究［J］. 過濾與分離，2005（3）：15-17.

［4］ 周志杰，沈正帆，種道彤. 船舶管路閥門阻力系數(shù)試驗研究［J］. 中國科技論文，2015（10）：1197-1202.

［5］ 崔衛(wèi)濱，毛金堯，魏遠娟. 泵并聯(lián)運行流量增量的影響因素與并聯(lián)運行設(shè)計的初探［J］. 廣東化工，2014（1）：138-142.