一種船用乏汽排放快速冷卻減壓的系統

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(1.海軍裝備部 裝備項目管理中心，北京 100071；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

水面艦船結構復雜，系統龐大，部分高溫高壓設備在使用過程中會排放產生大量的乏汽。該部分乏汽具有流速高、流量大、脈沖性等特點[1-2]，通過一定管徑內釋放排出時會產生巨大的沖擊與噪聲，如果直接排放，將對船體結構造成破壞。船用設備對乏汽排放時間和排放后管路內背壓有特殊要求，如處置不當，將對船體安全及設備使用產生不良影響，因此，在艦船總體資源極其有限的情況下，將大量乏汽快速高效地減溫、減壓是系統研究的關鍵技術難點[3-4]。結合艦船相關設備對乏汽排放的特殊處理需求，針對乏汽特點對冷卻技術開展深入研究，建立一套適用于艦船的乏汽冷卻系統技術方案，通過試驗驗證其可行性并有效化解技術風險，具有極大的工程意義。

1 乏汽冷卻系統技術方案

由于艦船內部空間小，對系統可靠性要求高，因此，考慮將高溫、高壓的乏汽通過管道直接通入裝有常溫水的液艙內，與水接觸進行均勻換熱冷卻的方式最快捷高效。該方案不僅能在最短時間內將管路中的乏汽背壓降至要求范圍內，而且不需配置過多設備及附件，對總體資源占用量較小，系統抗沖擊能力較高。

乏汽冷卻系統流程示意見圖1。

圖1 乏汽冷卻系統流程示意

乏汽冷卻系統設置1個乏汽冷卻收集艙和1套乏汽冷卻裝置，采用將設備乏汽通過排放管路經放置在乏汽冷卻收集艙內的乏汽冷卻裝置減溫、減壓后進行強制換熱的方式，實現乏汽的冷卻和收集。

乏汽冷卻收集艙最大外形尺寸約為5 300 mm×4 100 mm×4 900 mm，艙容約為80 m3，并在液艙頂部設置透氣管，用于降低乏汽排放對冷卻液艙產生的沖擊。乏汽冷卻收集艙配置2套冷卻水泵，一進一出，實現對艙內冷卻水與外界冷卻水源的有效置換，以加強艙內冷卻水的均勻換熱、降低不同液位的溫度差；系統內回流管路中設置開度可調節的電控閥，用于平衡收集艙內進出水量，保持冷卻水液位穩定。

乏汽冷卻裝置(見圖2)本體分為排汽管組、安裝支架兩部分：排汽管組由總管組件、分流管組件、多孔支管件組成，與乏汽排放管路采用DN400法蘭連接，其中多孔支管件上開有若干個直徑4～6 mm的小孔；安裝支架由立柱、橫梁、加強筋組成，與液艙底部及四周壁面采用螺栓固定，并考慮采取一定的彈性減振措施。乏汽冷卻裝置的工作環境非常惡劣，長期浸泡于水中并遭受鹽霧、霉菌、海水、油污腐蝕和蒸汽、空氣沖蝕影響，因此防腐工作十分重要。在本系統試驗中，乏汽冷卻裝置采用銅合金和雙相不銹鋼制造。

圖2 乏汽冷卻裝置示意

乏汽排放管路支架均設計為滑動支架，不限制管路的熱膨脹，盡可能減小管路熱應力；管路彎頭處設置液壓阻尼器，用于吸收蒸汽產生的脈沖式沖擊。

2 試驗

設備產生的高溫高壓乏汽汽源質量約500 kg，排汽管路(排汽閥前)壓力約為1.0 MPa，排汽管路壓力對應飽和溫度約183 ℃。試驗運行過程中，乏汽冷卻裝置多孔支管件完全浸沒在乏汽冷卻收集艙冷卻水中，艙內液位可調節，收集艙頂部預留約1 m左右的空氣層(緩沖空間)。當設備運行過程中需要排放乏汽時，開啟排放管路上的閥門，觀察系統的冷卻效果。

試驗中使用的儀器和儀表均在有效使用期內，并有經國家計量部門或有關部門校正合格的證明。

2.1 乏汽排放時間及冷卻效果

不同液位工況下乏汽排放時間見表1。

由表1可知，乏汽冷卻收集艙內冷卻水液位越高，排汽背壓越大，排汽時間越長；從試驗現象觀察可見，液位的升高使乏汽冷卻裝置多孔支管件上的小孔距離液面高度增加，氣泡在水中上升的距離延長，冷凝效果有所提高。根據試驗數據，液位位于2.7～3.2 m區間時，乏汽排放時間均不大于設備相關要求值(12 s)，透氣口出口壓力最大值均遠小于系統最大設計值(0.1 MPa)。考慮試驗過程的綜合冷卻效果，通過觀察乏汽排放過程中液面蒸汽逸出情況，對比乏汽排放前后收集艙內液位理論升高值與實際升高值之間的差異，液位高度選擇3.0～3.1 m較為合適。

表1 不同液位工況下乏汽排放時間

2.2 乏汽排放沖擊

在乏汽冷卻收集艙中，由于乏汽從乏汽冷卻裝置小孔內射流噴出，通過水的傳遞，射流的動能帶動水流必將對收集艙壁面形成沖擊應力，見表2。排汽小孔與收集艙壁面的距離影響蒸汽射流對壁面的沖擊，距離越近，沖擊越大；距離越遠，沖擊越小。考慮設備維修保養等因素，乏汽冷卻裝置最外側排汽小孔距收集艙壁面的最短距離不小于400 mm。由表2可知，乏汽排放過程中，乏汽冷卻收集艙壁受到的沖擊壓力最大值小于艙體最大設計耐受強度(0.2 MPa)，系統裝船后對船體安全不會產生影響。

2.3 乏汽排放噪聲

在乏汽排放噪聲試驗過程中，對乏汽冷卻收集艙外圍1 m處的東、西、南、北4個測點的噪聲數據進行采集記錄，試驗結果見表3。

表2 乏汽排放過程對乏汽冷卻收集艙壁面沖擊壓力 MPa

表3 乏汽排放過程噪聲數據

由表3可知，乏汽排放過程中，測得空氣噪聲最大值約為107 dB(A)，基本能夠滿足系統裝船相關技術要求。

3 系統風險分析及可靠性措施

考慮艦船設備乏汽具有的特點，乏汽冷卻收集艙及排放管路在高溫高壓乏汽排放沖擊下可能產生的疲勞損傷；同時乏汽冷卻系統相關設備在運行過程中可能會發生故障，需要維修或更換零部件。為了規避上述風險，系統盡量采用成熟技術，凡設計中使用的新工藝和新材料，均經過充分論證、分析和(或)試驗、驗證；盡量簡化設計，各分系統、設備設計中采用的緊固件、連接件、管路等滿足通用化、系列化、標準化要求，減少其規格品種及數量。系統設計中，綜合均衡可靠性、維修性、經濟性的要求，盡量減少維修內容、降低對維修技能的要求，同時要保證維修安全；多采用標準化、模塊化、集成化設計，縮短維修時間；對條件所限難于將可靠性提高到滿意程度的產品，應保證良好的維修性和規定維修周期；在采用其他設計技術均無法滿足對其可靠性要求或在有安全性要求時，可采用冗余設計技術。

4 結論

結合艦船有限的總體資源，建立一套適用于艦船設備乏汽排放快速冷卻減壓的系統技術方案，通過陸上試驗考查乏汽排放時間及冷卻效果、乏汽排放沖擊、乏汽排放噪聲等技術性能指標。結果表明，該系統運行穩定，能夠滿足相關技術要求，具備裝船條件。