15 000載重噸化學品船兩艙一泵貨油系統設計

方云虎，馮國增，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江蘇 揚州 225217;2.江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

隨著中東地區主要石油產地深加工程度的提高和美國對頁巖氣的大規模開發以及南美地區可再生生物燃料產量的激增，世界范圍內的化學品市場逐漸轉向長距離化，并呈現出再度繁榮的趨勢。若要在單個航次中實現更大的利益收入，就要盡可能多地完成貨物的配送，大噸位、多貨艙的化學品船[1-2]因其運營的多樣化而逐漸得到人們的認可。

本文研究的15 000載重噸化學品船屬于G型貨艙IMO-Ⅱ型船，全船共布置14個獨立的液貨艙和2個獨立的污油艙。貨艙分為7組，每組分為左(P)右(S)舷各1個。該船采用兩艙一泵式的貨油泵布置方案，可以同時裝載7種不同的貨品。與一艙一泵式[3]相比，兩艙一泵式的深井泵數量減少了50%，降低了船舶設計建造工作的難度，節約了人力和物力，優化了船舶成本。

1 兩艙一泵貨油系統工作原理

該船的貨油系統主要包括2個污油艙、2個貨物泄放艙、14個獨立液貨艙，其中，液貨艙分為7組，每組分為左(P)右(S)舷各1個。

該系統主要安裝7臺貨油泵和2臺污油泵。每組液貨艙安裝1臺深井泵，布置在右舷艙室里面，2個污油艙內分別安裝1臺污油泵。1號貨艙貨油系統布置示意圖如圖1所示。

圖1 1號貨艙貨油系統布置示意圖

貨油泵采用多吸口的潛水泵，吸入口布置在左右艙的吸油井內。以1號左舷艙為例，貨油排放時，所有閥組初始狀態為關閉，打開1號貨油泵左舷主吸入口蝶閥、貨油泵出口蝶閥以及橫跨管蝶閥，管道構成通路后，啟動貨油泵將貨油通過排出口排出；當艙內大部分貨油排放完畢后，關閉主吸入口蝶閥和貨油泵出口蝶閥，打開掃艙出口球閥，剩余貨油經掃艙管止回閥從掃艙管線排放至橫跨管蝶閥的排放端。貨油裝載時，所有閥組初始狀態為關閉，打開橫跨管蝶閥和貨油艙貨油注入蝶閥，貨油從注入口經橫跨管和貨油主管直接注入至貨艙內。

污油泵是單吸口的泵，但它的來源眾多，主要來自貨物泄放艙、主甲板艙底水井、艙室甲板、匯流排滴油盤、甲板通道、固定管路以及連接隔膜泵到不同地方的軟管。污油泵排放時，可以從污油艙吸入口吸入，經污油泵出口處的止回閥和蝶閥進入污油主排放管，隨后進入橫跨管，經橫跨管蝶閥排出；也可以經污油泵出口止回閥和排油監控系統入口蝶閥進入排油監控系統，經檢驗合格后排放至舷外。

2 貨油泵的選型設計

化學品船裝載的液貨品種類繁多，為確保化學品船在駁運、存儲、裝卸過程中的安全，貨油泵系統所選用的金屬材料絕對不允許與艙內的任何化學品發生化學反應[4-5]。本文研究的15 000載重噸化學品船貨油泵系統采用的耐腐蝕材料為不銹鋼AISI 316L，貨油泵驅動形式為電動機驅動。

該船液貨艙總容量為16 802.6 m3，但該船7組貨艙的容量并不是均勻分布的，其中以5號艙的容量最大，為2 967.6 m3。

根據船東要求，該船的設計排放時間為9 h，即7臺貨油泵同時通過貨油泵管路進行排放作業的總時間為9 h，設計總揚程為120 m。在規定時間內，必須保證所有艙室卸載完畢，即保證艙容最大的5號艙可以按時卸載完畢。7組液貨艙中，1號艙與5號艙的艙容差距最大，大約相差1 300 m3，理論上1號艙和5號艙的貨油泵應該選擇不同型號，但為保證船舶設備及其零部件的通用性，方便設備備份和后期維護，在工程實際中通常會統一選取較大流量的貨油泵。

2.1 單臺貨油泵的流量計算

單臺貨油泵的流量按照式(1)計算：

Q=b1b2V/T

(1)

式中：Q為貨油泵總排量，m3/h；b1為貨油泵排放系數，b1=1.1；b2為考慮掃艙在內的時間系數，b2=1.2；V為艙室容量，本文以5號艙的艙容計算，V=2 967.6 m3；T為設計總排放時間，T=9 h。

經計算，Q=435 m3/h。

最終選取單臺貨油泵的流量Q=450 m3/h。

2.2 單臺貨油泵的功率計算

估算貨艙泵所需的功率按式(2)、式(3)計算：

Ne=Nbη

(2)

Ne=ρgQH

(3)

式中：Nb為軸功率，W；Ne為有效功率，W；H為泵的揚程，H=120 m；η為泵效率，η=0.75；ρ為貨油密度，ρ=820 kg/m3；g為重力加速度，g=9.8 m2/s。

經計算，貨油泵的有效功率Ne=120.54 kW。

所需的軸功率Nb=160.72 kW。

2.3 單臺貨油泵的型號及基本參數

根據貨油泵的流量、揚程和功率等參數,選取深井泵的型號為瓦錫蘭DW200/250-2-K，具體參數見表1。

表1 貨油泵性能參數表

3 污油泵的選型設計

3.1 單臺污油泵的流量計算

污油泵的選型過程與貨油泵的選型計算過程相似[6]，其參數為：設計總揚程H=120 m，污油艙容積V′=148.7 m3，設計總排放時間T′=1.5 h，污油泵排放系數b1=1.1，考慮掃艙在內的時間系數b2=1.2。

按式(1)計算后，最終選取單臺污油泵的流量為150 m3/h。

3.2 單臺污油泵的功率計算

選取污油泵的效率為0.75，按照式(2)和式(3)計算得出，污油泵的有效功率約為40.18 kW，所需的軸功率約為53.57 kW。

3.3 單臺污油泵的型號及基本參數

根據污油泵的流量、揚程和功率等參數可選取污油深井泵的型號為瓦錫蘭DW125/100-3-K，具體參數見表2。

4 吸油井貨油殘余量計算

吸油井布置在貨艙底部的雙層底上，分布在船舶中線兩側，吸油井底部低于貨油艙的水平面，是貨油艙內的最低點，貨油艙中所有與貨物相關的管路吸口全部都布置在吸油井內。設計吸油井時需要保證貨油殘留小于規范要求的75 L，且越小越好。貨油殘留量最終雖由實船試驗驗證，但初估計算也非常重要。

表2 污油泵的性能參數表

4.1 原設計方案中吸油井貨油殘余量計算

原設計方案的吸油井的主要尺寸及吸油井中的管路吸口布置如圖2所示。

圖2 吸油井俯視圖及剖視圖(單位：mm)

吸油井的四個側面均為圓角過渡，所以其實際面積小于與其同尺寸的四棱臺體，故可以將其近似為與其同尺寸的棱臺體，以便進行貨油殘余量計算。

貨油殘余量按式(4)計算：

V=H1[a1b1+a2b2+(a1+a2)(b1+b2)]/6

(4)

式中：V為棱臺的體積， m3；H1為棱臺的高度，m；a1、b1分別為上底面的長、寬，m；a2、b2分別為下底面的長、寬， m。

貨油的排放工作一般分為兩個階段。

第一階段，貨油泵從吸入管，經獨立的貨油管路排放至橫跨管。這一階段，貨油泵可以將絕大部分的貨油排放出去。該階段結束后，吸油井中的液面下降到貨油泵吸口處。此時，a1=1.0 m ,b1=0.81 m，a2=1.15,b2=0.9 m,H=0.05 m，導入式(4)計算得出此時的貨油殘余量約為46 L。

第二階段，掃艙單元從掃艙管將剩余的貨油吸入，經獨立的掃艙管路排放至橫跨管閥的排放端。該階段結束后，吸油井中的液面下降到掃艙吸口處。此時，a1=1.0 m,b1=0.81 m,a2=1.05 m,b2=0.83 m,H1=0.008 m，導入式(4)計算得出此時的貨油殘余量約為6.725 L。

4.2 改進設計后吸油井貨油殘余量計算

改進后的設計方案，主尺寸與原來相同，不同的是在吸油井底面上再添加一個500 mm×250 mm的矩形第二底面，縱剖圖如圖3所示。掃艙管布置在該底面上，以便進一步降低貨油的殘余量。

圖3 改進后的吸油井縱剖圖(單位：mm)

工作過程與上述的兩個階段相同，只是殘余量不同。

第一階段結束后，貨油殘余量按式(5)計算：

V1=V+V0

(5)

式中：V1為改進設計棱臺的體積， m3；V為原設計棱臺的體積，V=0.046 m3；V0為增加第二底體積，V0=0.001 m3。

經計算，貨油殘余量約為47 L，大于改進前的殘余量。

第二階段結束后，此時的貨油殘余量V0約為1 L，原有設計方案的殘余量為6.725 L，相比改進前的殘余量，已經有了明顯降低。

5 結語

本文以15 000載重噸化學品船為原型，完成了兩艙一泵貨油系統的設計計算。以液貨艙艙容和設計排放時間兩個基本參數為基礎，完成了貨油泵和污油泵的選型設計。另外，計算了吸油井的殘余量，并提出了改進設計措施。改進后的第二階段的貨油殘余量從6.725 L降低為1 L，減少了貨物的損耗，從而降低了船舶成本。

參考文獻：

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