船用脫硫塔洗滌水排放管設計難點

(南通遠洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226006)

2018年某新造船安裝的開式脫硫系統(tǒng)在調試時發(fā)生洗滌塔內高液位報警，繼而系統(tǒng)自動停機。經排查，確定洗滌水排放管的設計不能保證洗滌水順利排出。

洗滌水排放管的設計難點如下。

1)重力式泄放，水流動力完全來源于脫硫塔安裝高度和船舶最大吃水的勢能差(即靜壓頭)。一般脫硫塔會布置在主甲板以上位置的煙囪里，其位置與船舶最大吃水的高度差不會太大。

2)船舶機艙設備多，空間有限，洗滌水排放管布置復雜，彎頭使用過多，管道壓降大。

3)管路走向總體下降，最好有一定的傾斜角度，方便水流順利流動，布置難度大。

4)為保證脫硫效果，開式系統(tǒng)的海水量較大(大于45 m3/MW·h)[1]，致使主管路管徑較大，排放管內徑小。

5)排舷外管內徑小。脫硫系統(tǒng)的洗滌水排放pH值計算公式是根據湍流噴射原理[2]得出。計算結果為每個排舷外管內徑最大為150 mm，雷諾數必須大于4 000，這樣就能保證洗滌水排放口4 m外的pH值不低于6.5。

所以管內流速高。高流速下的管道壓降較大；并且當大管道變?yōu)楹苄〉墓艿罆r，管路壓降也會增大。

6)流量控制閥的流量系數值需要計算準確。如果閥門選擇偏小，無法滿足最大流量要求，管內液位升高，直至洗滌塔內的液位傳感器報警和脫硫系統(tǒng)關閉。反之，閥門選大，閥板開度稍微變化，就引起流量很大的變動，管內液位無法保證在設定范圍，而且閥門開度調整頻率很大，會減少閥門的使用壽命。

為了處理好以上問題，需全面了解洗滌水重力式泄放原理。首先要確定洗滌水重力式泄放管的布置形式；然后以某船設計參數和某種型號的脫硫系統(tǒng)為基礎，建立計算模型，進行管道壓降和流量控制閥尺寸計算;根據計算結果確定產生管道壓降的主要部件。

1 洗滌水排放管布置形式

將重力式泄放管布置形式分為以下三種[3]。

1)管路布置為S形，如圖1所示。這樣的管路容易在高點形成氣囊，水流無法在氣囊部位完全充滿管道，此處相當于管子的內徑變小。

圖1 S形管路

另外，液體中混有一定量的空氣。隨著壓力的逐漸降低，液體中的氣體溶解度會變小，生成氣泡。當氣泡潰裂時，氣體高速撞擊管道內表面，產生氣蝕。

2)大管徑管路，如圖2所示，管子為大管徑，可以完全容納最大排水量，并有很大的富裕，管子路徑為總體下降趨勢，管道內的氣體可以自由逆流而上排出(氣體需占用部分管道空間)，沒有氣囊形成，水流可以順利的流出。

圖2 大管徑管路

但是這種方案需要大口徑管子和更多的空間來布置，非常不經濟。假如使用小管徑的管子，當水量較少時，水流能順利通過，但是當水量突然變大或變小時，管道內液體就會夾雜著空氣流動，很多氣泡擠占管道空間，并因為氣體密度小，會有上升的趨勢，就會阻礙管道內流體的順利流出。

3)控制閥控制管路，布置如圖3所示，由于壓力傳感器和開度調節(jié)閥的控制，流體完全充滿管道。當排水量突然變小時，管道內液位會降低，壓力傳感器會控制閥門使其開度變小，通過閥門的流體減少，使得液面恢復到設定范圍。反之，當水量變大時，閥門開度變大，保證管道的液位始終保持在一定高度范圍。這種方案是比較經濟又實用的，不易形成空氣囊，可以始終保持管道流體順利通行。

圖3 控制閥控制管路

目前各大脫硫設備廠家基本都是選用第三種排放方式。

2 計算與分析

2.1 建立計算模型

洗滌塔安裝在煙囪里；連接洗滌塔的主管道為DN500；流量控制閥預估管徑為DN300，安裝在主管道，并布置在最低水線高度；排放管為兩個DN150的小管，并布置在船舶最低吃水線以下200 mm。計算模型見圖4，計算工況見表1。

圖4 計算模型

海水泵流量/(m3·h-1)850洗滌塔安裝高度/m基線以上29.7最大吃水/m基線以上18.4最小吃水/m基線以上9.7

為了模擬跟船上實際管路布置較為一致的場景，需假設一定數量的彎頭和異徑接頭。

2.2 計算壓力損失

常用管道(液體充滿)壓降計算公式為：

(1)

式中：Δp為摩擦壓力損失,kPa/m;f為摩擦系數，無量綱；Q為流量,m3/h；D為管道內徑,mm。

閥門和管附件的壓降計算一般有兩種方法：閥門或管附件的等效長度或者阻力系數K[4]。但是阻力系數K的使用是有條件的，就是流體需處于湍流狀態(tài)。

計算得出整個管路的壓降為0.080 3 MPa。

2.3 確定壓降的主要部位

重力式泄放管道的壓力損失主要集中在彎頭、三通、變徑、管道進/出口處、小管道蝶閥和小管徑(即末端排舷外管處，管內徑為150 mm)。具體見表2。

表2 壓降占比

2.4 分析洗滌水是否能順利排出

表1表明，脫硫塔的安裝高度為船舶基線以上29.7 m，船舶最大吃水為船舶基線以上18.4 m，所以重力式泄放管的靜壓頭為11.3 m，考慮1 m的安全余量(發(fā)動機功率突變引起泵流量突變，同時流量控制閥反應的滯后，引起液位高度的變化，預留1 m的安全高度)，所以最終選擇的靜壓頭為10.3 m，即0.103 6 MPa。

由壓降計算結果可知，0.103 6 MPa大于0.080 3 MPa，所以泄放水可以順利流出。

2.5 計算流量控制閥通徑大小

為了確定流量控制閥的通徑，需要計算流量控制閥的流量系數值。流量調節(jié)閥的大小對管路壓降有影響，但同時管道的壓降也影響流量調節(jié)閥的選擇，進而影響連接管的大小。

由脫硫廠家對流量控制閥安裝要求，放在船舶最小吃水線高度為宜，又因為該閥為蝶閥，閥體厚度不大，所以環(huán)境海水靜壓頭對流量控制閥的作用很小，可忽略。

脫硫系統(tǒng)廠家確認洗滌水泄放溫度為45～50 ℃(計算按照50 ℃)，可查得該溫度下海水蒸汽壓力0.012 1 MPa，密度1 014 kg/m3，黏度0.594×10-3Pa·s，臨界壓力221 MPa[5]；蝶閥臨界流量系數取值0.6，海水流量為850 m3/h。

由壓降計算可知，流量控制閥進/出口壓差為0.023 MPa。

流量控制閥流量系數CV計算公式為

(2)

式中：CV為閥流量系數；d為比重(淡水為0.988 04、50 ℃，海水為1.026、50 ℃)；qm為質量流量，乘以1 000 kg/h；Δp為流量控制閥上下游壓差，105Pa。

計算可知，該流體流過流量控制閥時為亞臨界狀態(tài)，未出現閃蒸。按照式(2)計算結果并考慮操作系數，得到CV為2 943。

根據某蝶閥廠家提供的閥門選擇表格，可選擇DN200管徑的閥門。因為2.1節(jié)管路壓降計算的時候假設使用的閥門的尺寸是DN300，所以泄放管路壓降需要重新計算。

重新計算得出管路總壓降為0.115 2 MPa，超過了洗滌水泄放的總靜壓頭0.103 6 MPa，所以DN200的流量控制閥不合適。

選取DN250的流量控制閥重做壓降計算，得出管路壓降為0.088 5 MPa，此時流量控制閥的壓降為0.015 1 MPa，閥門全開狀態(tài)下的CV=3 651，選擇DN250的閥門可行。

所以泄放管路中需要把流量控制閥改成DN250的閥門。其尺寸相比DN500的總管小很多，因此流量控制閥也貢獻了較大的壓降。更為關鍵的是流量控制閥的尺寸不能選小了。

3 設計對策

1)增大靜壓頭。船舶的最大吃水是無法改變的，若要增加重力式泄放的靜壓頭，就需要提高洗滌塔的安裝位置，選擇合適的高度。同時需綜合考慮船舶穩(wěn)性，該型號洗滌塔濕重約49 t，如果位置太高，需要校核船舶穩(wěn)性和船舶重心。

2)優(yōu)化泄放管布置。在設計允許的情況下，優(yōu)先保證重力式泄放管的布置，使管道盡量短、彎頭盡量少。如果初始管徑比末端管徑大很多的，變徑需要多級漸變，不可突變。經計算表明，突變的壓降遠遠大于漸變。

3)如有可能，管路盡量設計一定的傾斜角度。如果空間受限，至少要保證管路沒有“倒置U”，避免氣囊形成。

4)選用摩擦系數小又耐酸性腐蝕的玻璃鋼管。相對碳鋼涂塑管，可以選擇管徑稍小點的玻璃鋼管。減少了占用的空間。

5)盡量減少末端小管徑管子的長度。每增加1 m的末端管子，壓降增加0.002 3 MPa。

絕對限制末端管子附件數量。壓降計算顯示，如果小管上再增加兩個90°彎頭，壓降會增加0.01 MPa，可能導致泄放水無法順利排出，最終導致脫硫系統(tǒng)自動停止運行。

6)如果整個管道壓降過大，可以適當增大調節(jié)閥的管徑，以減少閥門的壓降。但是需要注意的是這樣會損失部分控制精度。

4 結論

1)正常情況下，管道尺寸是引起管道壓降的最直接因素，應該貢獻最大的壓降，而管附件和閥門只會貢獻少量的壓降。但是，重力式泄放管道則不同，主管道尺寸一般選擇較大，管道長度盡量短，如表2可知，管附件、閥門和管道進/出口反而貢獻了最大的壓降。

2)通過分析脫硫開式系統(tǒng)泄放水管的布置方式，從而確定了壓降計算公式，打消了重力式泄放完全不能用壓力管道計算方式計算的顧慮。

3)流量控制閥Cv計算過程中并未考慮兩端的異徑接頭。異徑接頭所引起的流體變形，對CV值有一定的影響，需要進一步的探討。