某型船油水代換系統設計和試驗方法改進探討

王鳳良王一帆

（1. 駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海200129；2. 中船重工第七O四研究所 上海200072）

某型船油水代換系統設計和試驗方法改進探討

王鳳良1王一帆2

（1. 駐滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海200129；2. 中船重工第七O四研究所 上海200072）

油水代換系統是解決艦艇因燃油消耗而引起的穩性下降的主要方法，在國內外潛艇上已有多年成功應用經驗，自20世紀末也被極少量國內水面艦船所采用。某型船由于代換過程復雜、試驗時油量浪費大，以及用戶擔心其可靠性等原因，導致該系統長期閑置。文中根據國內某型船已有的油水代換系統進行傳感器可靠性相關試驗，基于試驗結果和借鑒俄羅斯潛艇的成功經驗，對該船油水代換系統的設計、試驗和使用等提出了四項優化改進措施，以提高該型船油水代換系統的可靠性、經濟性及操作便利性，以使該系統最終能在國內水面艦船上發揮廣泛有效的作用。

油水代換；傳感器；穩性；續航力；改進措施

引 言

壓載艙通常在必要時可提高艦船穩性，但同時會占有一定的艦船空間，限制了艦船攜帶燃油的能力，而燃油儲存量是提高艦船續航力的主要限制因素。尤其是對使命任務特殊、艦船尺度和噸位固定時，又要求具有較強續航力的船舶，燃油、淡水等消耗液體與艦船穩性之間的矛盾就更為突出［1-2］。

在不能有足夠壓載水艙以壓載水的形式來補充液體消耗帶來穩性損失的情況下，油水代換系統是解決該類問題的一個有效方案［1］。油水代換系統是指艦船在燃油消耗過程中，通過不斷地向燃油艙底部注入等量海水，使得船舶液態裝載基本不隨燃油消耗而減少，最終保持整體穩性不隨著燃油消耗而下降，并可減少燃油兼壓載艙的自由液面，減少燃油艙上方的油氣混合空間，提高艦船的穩性及航行安全性能。

目前，國際上對污水排放的要求日趨嚴格。國內艦艇由于污水艙較少，致使生活污水排放成為困擾出訪官兵的一大難題。若在艦船上使用油水代換系統，在總體設計時便可將節省出來的壓載艙用作生活污水艙，從而有效增加生活污水艙容量，解決燃眉之急。

1 國內外現狀

美國在20世紀80年代就已經在水面戰斗艦艇上設計并使用油水代換系統，如DD963、CG-47、DDG-51，這樣可以保證液艙始終處于“滿”載，消除自由液面的不利影響和提高穩性［3］，同時，基于提高船舶穩性，該系統也有助于對船舶實施有效的姿態調整作業［4-5］。20世紀90年代，國內某型船也已設計安裝油水代換系統，但經調研發現，由于代換過程的不可見性以及擔心海水進入動力系統，該系統長期閑置。用戶把油水代換艙作為普通的燃油艙使用，導致資源浪費和技術滯后［6-7］。

為促進油水代換系統的發展，解決用戶擔心的技術風險，本文首先介紹國內某型船的油水代換系統，并根據在該型船上進行相關實驗，針對實驗試驗中發現的問題，借鑒引俄潛艇中油水代換系統的成功經驗，對油水代換系統的設計和使用提出四點改進措施以供探討。

2 某型船油水代換系統的組成與工作原理

國內某型船的油水代換系統采用并聯式［1］，包括燃油代換艙（7、9、10號）、燃油聚集艙（8號）、膨脹艙、燃油受油艙（1、2號）。其組成如圖1所示。

（1）膨脹艙：海水首先進入膨脹艙，膨脹艙與代換艙保持一個高度差，進入膨脹艙的海水利用高度差自流入代換艙對燃油進行代換。為了使膨脹艙保持一個恒定的水位，膨脹艙設有一個溢流口。

（2）燃油代換艙：將海水注入該類艙代換出動力系統運行所需要消耗的燃油。該類艙開始時充滿燃油，隨著代換的進行，逐漸充滿海水。

（3）燃油聚集艙：利用燃油和海水的比重差沉淀分離海水。系統運行時各代換艙的燃油首先進入此艙以沉淀分離燃油中可能混入的海水，沉淀分離后的燃油送入日用燃油艙。為保障系統安全，不能將海水代換進入該艙。

（4）接收受油艙：聚集艙中的燃油再進入接收受油艙，再由接收受油艙轉運到日用油艙。接收受油艙也可以作為加裝燃油時的注入油艙。

該代換主要工作過程為：海水先進入膨脹艙，然后溢流到一個代換艙底部，將該艙燃油從上部頂出而進入聚集艙，然后被輸送到受油艙。當一個燃油艙代換完成后，關閉該艙代換系統，進行下一艙代換，直至代換艙完成。其中，從理論上講代換速率只需要滿足該船兩臺主機和三臺輔機的最大油耗（約2.5 t/h），據此確定本船的油水代換速率為3.5 t/h。 選用的海水泵排量為25 t/h、壓頭為0.25 MPa，通過該泵的出口閥開度調節，達到流量計顯示的代換速率流量要求。代換艙組及其附件均涂H87防腐材料，以防止海水腐蝕。

為提高油水代換系統作業的安全性，設置油水代換監測監控系統，包括油水界面測量裝置、油水介質傳感器、油份濃度計、流量控制裝置、控制顯示箱等。該系統可以實時監測代換艙的燃油與海水存量，反映代換艙中油水分界面的位置，油水代換過程是否正常，油艙殘留海水量是否在安全限制范圍之內，以確保油水代換系統與正常使用燃油系統的工作安全。油水介質傳感器可識別油、海水和空氣三種介質，用于識別底艙安裝位置處的介質情況。控制系統可以根據界面傳感器測量的數據，實時識別油水的液位和界面高度，計算油水質量。控制面板內直觀顯示代換艙和聚集艙內的油水情況、海水泵工作狀態、設定流量和實測流量以及代換總量等，以便準確掌握代換進程。

7號～10號燃油艙（兼海水代換艙）各設置有一個油水界面傳感器和油水介質傳感器，分別實時監測油水代換艙的液位以及油水界面和代換艙底部極限位置的油水介質情況。油水界面傳感器采用導波雷達界面計測量液面和液位，測量范圍0.26～4.5 m，在船舶穩態時的測量精度為±20 mmFS。在膨脹艙的頂部和底部各設置有一個油水介質傳感器，實時測量膨脹艙頂部和底部極限位置的油水情況，掌握膨脹艙的工作狀態。另外，在由燃油聚集艙出來的凈燃油通往1號和2號燃油儲存艙的中間設置有一個流量表，實時監測代換速率，作為調整進入膨脹艙的海水速率的參考依據。在代換海水排舷外處安裝有一個測量范圍為0～30 ppm的油分濃度計，防止含油超標海水排入海里，當排水含油率超過設定值15 ppm時發出聲光報警。

為確保對整個系統代換過程進行可靠監控，系統同時配備兩套便攜式油水氣界面測量儀；其測量精度高于所安裝的油水界面傳感器，可在一定程度上對在線的介質、界面傳感器測量進行校準或判斷，保證在線測量系統故障情況下提供一種冗余備份的測量手段，這是保障代換過程準確可靠的另一種手段。

為避免殘留海水過多隨燃油一起進入日用油艙，專門在代換艙設置了海水吸干系統，使用該系統可確保燃油艙的殘留海水量始終在正常安全使用低限值之下，以保證燃油系統在常規使用方式時的使用安全。

3 試驗方法改進與效果驗證

某型船因目前采用并聯式代換系統，該系統結構比串聯方式復雜［1］，也增加了試驗和使用的復雜性；同時，由于代換艙水平截面大（幾十平方米）、船體傾斜等致使試驗時間長、油量浪費大等狀況，為解決上述問題，在該型船系統試驗時，將其系統試驗方法作了簡化改進（如下頁圖2所示）。

該船采用介質和界面檢測兩種傳感器，首先驗證介質傳感器的靈敏性和準確性。把約5 kg燃油和約5 kg淡水分別放入兩個桶內，然后把燃油和淡水混合，分別觀察介質傳感器的氣、油、水顯示和報警功能。

啟動專用海水泵可通過調整閥門開度調節代換速率，向膨脹艙內打入海水，此時只打開10號代換艙的海水管路閥門，關閉7號至9號艙的海水入口閥門，觀察海水是否能平緩進入代換艙，最后把燃油桶放入10號代換艙內，檢驗界面傳感器顯示功能的準確性。

該試驗方法的原理是：由于頂裝雷達式油水界面傳感器感受的是垂向的油水界面，因此在艙內設置一深形圓桶，將深形桶底打穿使得界面傳感器的導線套在其中心部位，置于水平面上下的適當位置，往圓柱形桶圈圍住的范圍內倒入少量燃油。此時，燃油在桶圈內由于存在一定的厚度，因而不會溢出（見圖3），相當于往整個艙內注入該厚度的燃油。

由圖3可知，實驗開始時，介質和液位界面傳感器均處于空氣中，除9號艙因底部側裝有介質傳感器，感應頭有水因而誤讀為海水外，其他艙均顯示為空氣。上述以10號艙代換實驗為例，由于液艙線性為圖5所示的筋板縱橫式斜艙底及傳感器安裝位置限制會產生一定測量盲區，需要修正，所以顯示起始其總液位高為0.547 m，界面高為0.546 m，海水和燃油的質量設定為0 t。隨著海水進入代換艙，由圖4（a）可以看出總液位為0.959 m，界面高度為0.958 m，兩者高度幾乎一致，三角箭頭幾乎在界面的頂部，所以顯示為海水，海水重2.74 t。緩慢改變界面傳感器雷達波面高度則可以看到總液位和界面高度均增加，圖4（b）顯示總液位和界面分別增加為1.105 m和1.104 m，兩者數據幾乎相同，系統實時計算出海水重3.85 t，同時也可以看到三角箭頭在界面的頂部。以上測試說明界面傳感器能可靠地反映液面高度的變化。

啟動專用海水泵向膨脹艙內供水，同時只開啟10號代換艙。由于油水代換系統依靠燃油和海水密度不同，根據相似相容原理，油和水有清晰的界面。在艦船不存在大幅度晃動的情況下，這種顯著的分層非常有利于代換的進行；但艦船若存在大幅度晃動，會導致油水一定程度的混合，給代換帶來一定的困難。要求由膨脹艙到各個代換艙的海水，在代換艙內的自由液面應該沒有明顯的水花和顯著的波動，所以觀察進入10號代換艙的海水自由液面。圖5（a）顯示進入代換艙內的海水在入口處有輕微的流動水紋，這可能是艙內隔板的開口較小所致。而隨著進水量的增加，圖5（b）為海水剛浸沒過代換艙隔板時的液面，可以看出在附近隔艙的液面較為平整，這是因為隔艙之間海水是靠重力流動，不存在流場梯度較大的區域。圖5（c）為10號代換艙內隔段的分布，在大風浪情況下這種布局將會給代換帶來一定困難。

4 油水代換系統設計優化及實操培訓等改進方法

通過前述實驗可以看出，傳感器能否可靠工作對代換過程安全性有重要影響。根據油水代換系統的實際應用背景，該型船后續設計可從以下四個方面重點考慮，以提高油水代換系統的可靠性，解決用戶擔心的技術風險，增強實戰應用能力。

4.1 油水代換系統結構形式設計優化

該型船油水代換系統為并聯式，管系復雜，操作繁瑣，傳感器需求多成本高，各艙分別代換，其底部、頂部測量盲區大。若改為串聯式，則系統管

由于實際代換過程中油水會同時存在，但向10號艙內注入燃油會極大地增加實驗成本。所以本處采用簡化的方法來驗證油水同時存在時界面傳感器的準確性。即如圖2方法，圓柱形桶圈將垂直安裝的10號代換艙內界面傳感器圍在中心，并置于水面上下。倒入5 kg左右的燃油，圖6中的控制面板內會顯示海水位于底部，總液位高1.099 m、界面高1.021 m、燃油重0.51 t、海水重3.18 t，通過該控制面板便可算出燃油高度為0.078 m。同時由左側顯示的液位高度可以看出三角箭頭在液位頂部以下，說明燃油和海水均存在，箭頭在靠近的液位頂部的位置則說明燃油相對較少。系和傳感器均可簡化，且測量精準，一次便可將所有代換艙代換完畢，操作方便［1］。這種串聯式代換系統已在潛艇上成功應用幾十年。由圖6可知，原代換艙艙室可能會存在較大的自由液面，若改為串聯式（見下頁圖7），則方便采用多個隔段，這樣能最大限度地降低自由液面對穩性的影響，保證在風浪較大時進行代換和艦船安全。這種串聯式設計不僅簡化了管路系統，增強了代換系統的可靠性，而且降低了建造和維護成本。潛艇的油水代換艙艙壁較厚，能避免代換艙加壓太大而引起的爆倉問題。但水面艦艇的代換艙艙壁較薄，所以要求代換泵的壓頭不能太大，同時透氣帽管的尺寸可以適當加大，保證溢流以防止爆倉。為了防止在大風浪航行代換時燃油從透氣帽流出而引發火災，需要對透氣帽進行特殊考慮以防火災等事故的發生，比如透氣帽流出的燃油排向舷外等。

因此在該型后續船總體設計時，建議將該系統由并聯方式改為為串聯，同時適當增加艙壁厚度；代換艙盡量采用靠近船舯底部區域的艙，方便使用及盡量多的代換艙容設置，使其效益最大化。

4.2 油水代換系統自動化從監測到監控的改進

該型船目前的油水代換系統4個代換艙共可代換出220 t燃油，實際除保留必要的首尾、左右4個必須的調整艦船姿態的壓載艙外，可用代換艙替換其余十多個專用壓載艙（該船共設有19個壓載艙）可代換出遠大于220 t的設計燃油代換量，并把代換艙納入全船綜合信息平臺管理系統，便于全船姿態調整［4-5］、穩性計算和燃油儲量續航力顯示等。

在3級以下海況條件進行油水代換時，為保證代換過程的安全，需要在頂部設置介質傳感器，當該傳感器監測到水時，可以自動停止該艙室代換，轉至下一個代換艙室工作，或者代換終止。但在3級以上海況條件下進行油水代換時，代換艙內會產生復雜的晃動問題，頂部的介質傳感器可能會發生測量錯誤，這會導致燃油未完全進入聚集艙或聚集艙內進入海水，所以需要對傳感器的位置進行合理優化，以保證在2級以上海況進行代換時的安全性。此外，還需要考慮大陸架較淺和潮汐等綜合作用對該系統的影響。我國近海區域，尤其是東海含泥沙較多，這給代換系統在這些區域的使用帶來新的挑戰，因為泥沙會在代換艙內沉積，當泥沙沉積到一定的深度時會影響底部傳感器的使用，堵塞管路影響代換或造成油質變差等，需在膨脹艙底部安裝相應的泥沙傳感器或條件允許時開設透明觀察窗口，發現有一定泥沙堆積時進行放泄或抽吸等清除泥沙工作，而這也對安裝在該位置的介質傳感器提出了更高的抗泥沙性能要求。

油水代換系統從監測到監控的改進，建議將目前主要布置在軸弄的監控設備移至機艙集控室，目的是能在機艙集控室啟動、監控油水代換系統。當受油艙的油位到低位時，代換系統自動啟動進行代換補油；當受油艙的油位到達高位時，系統自動停泵；分控系統能在代換流量超過一定范圍時報警停止進行代換，自動或手動調整后再恢復運行。系統油艙非正常進水、積泥沙或出現故障時，也能自動報警停止系統運行。系統具備一定的自診斷能力，當整個代換系統代換結束時能夠自動報警停止工作，最終實現油水代換系統工作的全自動化功能。

為進一步提高系統自動化程度，可以采用遠程遙控閥門來實現代換過程操作控制、安全保障及在異常情況下的緊急措施采取，并簡化人員操作，提高作業過程的可靠性。

傳感器作為測量元件是油水代換系統的核心部件，需適當考慮進口或冗余備份以及傳感器感應頭吹掃自凈等防誤讀措施；另建議加裝一臺適當排量的手搖代換泵，提供失電時恢復應急電站少量用油時使用，以提高油水代換系統使用的可靠性以保障艦船機動性。

4.3 防止海水進入動力系統措施改進

當有海水進入1號和2號燃油儲存艙時，也可以采用以下相應的措施來阻止海水進入動力系統：

（1）在1號和2號燃油儲存艙的底部分別安裝一個油水介質傳感器，監測燃油儲存艙的積水情況。若有積水存在則使用燃油分油機對燃油艙內的燃油進行循環除水。

（2）日用燃油柜底部設計為漏斗形式，并加裝泄放閥，同時加裝油水介質傳感器。若有積水存在則發出聲光報警，需打開泄放閥排出積水。

（3）安裝一只可以從艙底進行連續油水界面測量的傳感器，實時掌握水量情況。

（4）改裝管系使受油艙到日用燃油柜之間經過船上現有燃油水分離機處理，以確保進入主副機等用戶的燃油純度滿足要求。

（5）水面艦艇的燃油管路、海水管路、日用油柜等多屬“備份”設計，所以可使代換出的燃油只能進入指定的燃油柜并專供部分用戶，其余用戶由另設的純燃油系統正常供油，以保障裝備使用安全。

4.4 增強油水代換系統的實操培訓

該系統涉及到動力電力系統的安全性問題。首先，總體設計需對該系統編制相關操作使用維護保養說明書，并在船舶交付時對用戶進行系統培訓，必須進行系統化學習、規范化操作，熟練使用。并制定一套完善的應急預案，在出現相關問題后，經過相關訓練，可以采取有效措施，消除安全隱患，以利于油水代換系統實船的有效使用。

建議借鑒CO2釋放等消防系統，在總體設計時增加用于油水代換系統的訓練系統設計，做到實際操作和訓練系統無縫集成。通過簡單切換，便可用于模擬訓練，熟練掌握該系統的操作流程，為實船使用操作奠定基礎。

5 結 論

本文從油水代換系統的設計和使用方面探討相應的改進完善措施。通過對某型船油水代換系統結構串聯式改變、核心部件傳感器的準確性試驗驗證及提高系統自動化程度、簡化方法減少試驗浪費、增強系統實操培訓等方法探討，降低建造試驗成本，消除用戶對油水代換系統可靠性的擔心，推進油水代換系統在水面艦船（特別是偵查、水聲測量、醫療、拖船等需遠航且不宜補油的艦船）的設計和使用普及。油水代換系統油水代換艙部分取代燃油艙、專用壓載艙的設計，使艦船最大限度增加有效艙容裝載燃油、污水或儲物能力，提高穩性和安全性，增加艦船續航力，有效發揮該系統的軍事經濟價值。

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Improvement of design and experiment method for oil-water replaceable ship system

WANG Feng-liang1W ANG Yi-fan2
(1. Representative Off ce of Navy Stationed in Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., shanghai 200129, China; 2. 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 200072, China)

Oil-water replaceable system is a major method to solve the reduction of the ship stability due to the fuel consumption, which has been successfully used for many years both at home and abroad. The oil-water replaceable system has also been used on only a few domestic water-surface ships since the end-twentieth century. However, this system on the ship was unused for a long period because of the complex replaceable process, large waste of fuel during the test, and the system reliability doubted by the users. This paper carries out the sensor reliability test of the oil-water replaceable system on the ship. Based on the experimental results and the experience from the Russian submarine, four bptimum and improvement methods are proposed for the design, test and usage of the oil-water replaceable system to improve its reliability, economy and operation convenience, thus widely and effectively used on the domestic water-surface ships.

oil-water replaceable system; sensor; stability; endurance ability; improvement method

U664.1

A

1001-9855（2017）03-0054-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.054

2017-02-13；

2017-03-20

王鳳良（1965-），男，高級工程師。研究方向：船舶動力、船舶系統與管理。

王一帆（1991-），男，助理工程師。研究方向：船舶系統與電氣自動化。