貨油泵真空裝置及系統分析

吳震宇 丁元亮 羅曉寧 湯 敏

（武漢船用機械有限責任公司 武漢 430084）

0 引 言

貨油泵真空系統是油船進行卸貨作業的輔助系統，通過與貨油泵系統［1］和控制系統的配合運行，可使貨油泵具有自動引水功能和良好的自吸性能，有效加快卸貨進程。由于復雜的系統集成及苛刻的可靠性要求，對設計及制造技術、研發投入及市場開發等各項工作均提出了很高要求，目前還沒有國內廠商能進行設備配套。本文圍繞系統組成、功能要求、工作原理及部件間的參數聯系，針對每個部件進行獨立設計分析，初步形成一套較為完整的系統設計方案。

1 系統原理分析

貨油泵真空系統的兩個基本功能為:一是將普通的貨油泵變為具有自動引水功能的設備［2］；二是當貨油艙液位較低的情況下仍然可以輔助貨油泵進行卸貨。功能實現的原理是在貨油泵工作時將吸口的液位提高，同時通過監測吸口液位和壓力來相應改變貨油泵的轉速和流量，進而達到提高貨油泵自吸能力的目的［3，4］。 系統結構如圖 1 所示，具體原理如下:

（1）在貨油泵吸口處設置一個筒形分離柜，以防止油蒸汽或空氣吸入貨油泵內。同時安裝液位傳感器，以實現液位實時監測。

（2）分離柜上連接真空泵，以便將管系和泵體內產生的氣體抽出系統之外，為提高系統動作速度和精度，真空連接管上設置液控真空閥以便及時起動和關閉真空抽吸。

（3）為防止介質被抽入真空泵內，分離柜頂部出口設置浮動閥，當液位過高時，自動切斷真空管。

（4）在貨油泵出口設置流量調節閥，對貨油泵流量進行比例調節，以實現貨油泵自吸能力與效率之間的良好平衡。

（5）設置電磁閥組對真空閥和流量調節閥進行液壓控制。

2 元件功能分析

根據系統原理，可將系統分為六個部分:氣液分離器、真空泵單元、流量調節閥、真空閥、電磁閥控單元和真空罐。

2.1 氣液分離器

如圖1所示，氣液分離罐設在貨油泵的吸口之前，上部有一定的容腔。當介質流過分離罐時，內部的氣體會積聚在容腔上部，而不會被吸進泵里。為防止原油中的固體雜質進入泵內，分離器內設有不銹鋼濾網，過濾出的雜質集中在分離器底部，可在維護時予以清除。

浮動閥位于氣液分離器的容腔頂部，閥芯由一個輕質浮球控制，常位開啟。當液位過高時，浮球上浮，閥芯自動關閉，防止油液進入真空管。

由于貨油泵內吸水腔頂部較高，為徹底排出泵內氣體，泵上設有排氣管，通過安裝在氣液分離器上的單向閥與分離器相連，單向閥可以防止氣體回流。

液位傳感器安裝在氣液分離柜側面，能夠提供現場液位指示。

2.2 真空泵單元

真空泵單元主要由真空泵、氣密傳動架、電機、集水冷卻器、單向閥、真空傳感器等組成，主要用于產生真空及控制真空度。

真空泵選用水環式真空泵，用于在真空管系中產生真空度［5］；連接架焊接在艙壁上，隔離泵艙與機艙，是電機、真空泵，集水冷卻器和氣密傳動軸的安裝支架；集水冷卻器用于冷卻淡水和真空泵，在真空泵中維持一個正確的水位，也有助于收集油水蒸汽冷凝在冷卻器的內壁上；單向閥安裝在真空泵吸口法蘭處，當真空泵停機時，防止空氣進入到系統中；真空傳感器用于測量真空度，在掃艙周期內控制真空泵的起停；電機位于機艙一側，用于驅動真空泵。

2.3 流量調節閥

如圖1所示，流量調節閥位于貨油泵的出口，用于調節貨油泵的流量［6］，蝶閥閥芯的開度由外部液壓缸驅動。液壓缸上設有鎖定閥組，可將閥芯鎖定在任一開度上，蝶閥的閥口開度可在工作壓力下連續比例調節，但由于結構特點，本閥不能用于關閉性密封。由于閥件長時間使用后可能會出現機構磨損并引起故障，因而在液壓轉動機構上設置位置傳感器，將閥口的開度反饋給控制系統。

2.4 真空閥

如圖1所示，真空閥位于氣液分離器的真空管連接處［7］，主要由蝶閥、轉動機構和位置開關三部分組成。蝶閥是開關式，通過液壓轉動機構驅動，機構上帶有位置開關，以指示閥芯到位的狀態，液壓鎖可以維持閥芯的狀態。

2.5 電磁閥控單元

如圖1所示，電磁閥控單元用于控制流量調節閥和真空閥，由一個三位四通閥和一個兩位四通閥構成。

2.6 真空罐

如圖1所示，真空罐位于真空閥和真空泵單元之間，用于提供“負壓蓄能”和穩定真空度。

3 系統操作流程

貨油泵真空系統用于輔助貨油泵實現引水及卸貨作業，工作流程如下:

（1）當貨油艙內的貨油液位在70%以上時，只有貨油泵在工作，真空系統不工作，流量調節閥開度處于最大，真空閥關閉。

（2）隨著貨油艙內的液位下降，貨油泵的吸入壓力也下降，當壓力接近貨油的蒸發壓力時，管系內將產生油蒸汽，并積聚在氣液分離罐的頂部。貨油泵中的油氣通過一根單獨的管路進入到氣液分離罐頂部，分離罐中油氣的聚集使得氣壓逐漸增大導致分離器內液位下降。罐上的液位傳感器時時監控液位高度變化，得到的液位高度信號被轉換為電信號來控制液壓控制回路的動作和真空泵的起停。

（3）當液位降到50%以下時，通過分離罐上液位信號的反饋，液壓控制回路中的電機開始工作，驅動真空閥的油缸和驅動流量調節閥的油缸動作，同時真空泵也開始工作。真空閥完全打開后，其控制油缸停止動作，油氣從氣液分離罐進入真空罐，再通過真空泵進入冷凝罐；在冷凝罐中經過海水冷凝后，排入到污油艙中。根據氣液分離罐中液位的高度，確定流量調節閥調小后的開度。開度調節通過調節閥油缸活塞的位移來實現，活塞達到指定位移依靠液壓鎖進行鎖定，從而實現輸油管路貨油流量調節。

由于流量調節閥開度調小，貨油輸出流量減小，同時真空泵抽出氣體使得分離罐中的氣壓減小，所以分離罐液位升高。當液位恢復到70%時，液位反饋信號指示油缸推動真空閥關閉，10秒鐘后，真空泵也停止，油缸驅動流量調節閥恢復到原有的開度。

（4）每當出現上述情況時，重復進行②、③抽氣過程。

（5）當貨油艙內液位進一步下降時，吸入口周圍會產生漩渦，當漩渦凹陷的底部低于吸入口的下表面時，氣體開始被吸入。同樣，這些氣體積聚在分離器的頂部，使分離器內的液位降低，再次重復②、③抽氣過程。由于吸入的氣體越來越多，流量調節閥的開度變得越來越小，真空泵處于一直運轉的狀態。

（6）當液位再下降時，就會有大量的氣體被吸入，氣體吸入的量超過了真空泵的抽出量，流量調節閥會完全關閉，如果氣液分離器內的液位還會上升時，流量調節閥會再開一點，但液位再次低于5%時，黃色的信號燈就會發亮，表示卸貨工作己進入到掃艙泵掃艙階段。

（7）當真空泵連續操作時，分離柜內的液位也不上升且流量調節閥隨時保持完全關閉，長時間持續這種狀態，意味著己抽不到剩余液體。大約3分鐘后，橘黃色燈會閃光，同時蜂鳴器發出聲響，表示真空掃艙結束。

4 結 論

通過對貨油泵真空系統組成、功能原理以及操作流程的分析，首先可以對這一系統的功能和配置有一個基本了解，有助于更好地研究和吸收國外高新技術；其次由于此系統目前國內還未實現自主配套，而此系統的先進性、操控性和適用性已得到越來越多的船東青睞。我們希望通過對該系統的研究，為盡早實現真空掃艙系統自主研發提供借鑒和參考。

［1］劉承民，關英華.VLCC貨油綜合控制系統介紹［J］.中國修船，2002（6）:29-32.

［2］涼帥.油輪貨油裝卸系統的自動化研究［D］.大連:大連海事大學，2008.

［3］邵昱，陳棘，唐石青.液貨船的裝卸自動化系統設計［J］.上海造船，2008（2）:27-29.

［4］魏雷.貨油系統的分析［J］.廣船科技，2006（2）:34-36.

［5］高香院.現代低溫泵［M］.西安:西安交通大學出版社，1990.

［6］何存興，張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動［M］.武漢:華中科技大學出版社，2000.

［7］壽永齡.船用閥門液壓遙控裝置的設計和運行［J］.艦船科學技術，1988（6）:40-47.