壓載水管理系統(tǒng)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的選擇及振動(dòng)分析

李 超，李亞楠

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

為滿足國(guó)際海事組織(International Maritime Organization)發(fā)布的壓載水管理公約[1]，船舶所安裝的壓載水管理系統(tǒng)[2]（Ballast Water Management System，BWMS）通常會(huì)使用自動(dòng)反沖洗過濾器用來去除壓載水中尺寸較大的微生物及雜質(zhì)等物質(zhì)。自動(dòng)反沖洗過濾器工作時(shí)，海水流經(jīng)濾網(wǎng)時(shí)較大的顆粒雜質(zhì)被阻攔，其余則經(jīng)出水口流出。水中的雜質(zhì)在流經(jīng)濾網(wǎng)時(shí)不斷被阻攔，顆粒逐漸積聚在濾網(wǎng)的內(nèi)表面。當(dāng)顆粒積聚到一定程度時(shí)過濾器開啟反沖洗功能，在濾網(wǎng)外部工作壓力和外界大氣壓力差的作用下，污水經(jīng)排污管排出。為保證濾器反沖洗效果并控制壓載主管路中的流量不超過系統(tǒng)處理量限制，一般會(huì)在自動(dòng)反沖洗過濾器的出口安裝自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)整閥門的開度以控制濾器出口的壓力和流量。

1 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

調(diào)節(jié)閥是一種通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號(hào)，借助動(dòng)力操作去改變介質(zhì)流量、壓力等工藝參數(shù)的最終控制元件，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化[3]。其主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門本體兩部分組成。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源的不同，可分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥3類。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥就是以壓縮氣體為動(dòng)力源，以氣缸為執(zhí)行器，并借助于閥門定位器、電磁閥等附件去驅(qū)動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)比例式調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出推力較大，維修方便，價(jià)格低廉，動(dòng)作迅速，可防火防爆。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使用交流電或者直流電作為動(dòng)力來源，能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，防爆性能差，調(diào)節(jié)速度慢，在反復(fù)調(diào)節(jié)過程中會(huì)有執(zhí)行機(jī)構(gòu)過熱問題，因此不適用于較大口徑閥門的連續(xù)調(diào)節(jié)。液動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般使用液壓油作為動(dòng)力來源，其響應(yīng)速度快、推力大且抗偏離能力好，但需要配備獨(dú)立的液壓控制系統(tǒng)，投入及維護(hù)成本較高。其主要特點(diǎn)總結(jié)見表1。

表1 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)比Table 1 Control valve actuator comparison

從動(dòng)力來源角度考慮，3種驅(qū)動(dòng)源在船舶上均有配備，獲取簡(jiǎn)單；從抗偏離性角度考慮，過濾器出口管道對(duì)于閥板偏離性要求較低，無特殊要求；從響應(yīng)滯后性角度考慮，該閥門響應(yīng)時(shí)間不超過10s即可；從防爆性能角度考慮，油船等船舶要求該閥門具備防爆功能，3種類型閥門均可實(shí)現(xiàn)防爆要求。綜合考慮成本及運(yùn)行需要，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥使用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)源，防爆性能好、滯后性和抗偏離性可接受、成本低，是用于該系統(tǒng)的最佳選擇。

2 調(diào)節(jié)閥口徑的計(jì)算

根據(jù)船舶類型的不同，壓載水主管路的單泵流量一般控制在150m3/h～4000m3/h，揚(yáng)程一般控制在30m～50m，通常選擇蝶閥作為調(diào)節(jié)隔離閥門。蝶閥主要由閥體、閥板、閥座、閥軸等部件組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)力矩小、安裝空間小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

調(diào)節(jié)閥開度與流量主要呈現(xiàn)快開型式、直線型式、拋物線型式、等百分比型式4種，圖1為蝶閥開度與流量整體呈等百分比型式[4,5]。當(dāng)?shù)y的閥板開度在0°～30°范圍內(nèi)時(shí)，流量與閥門開度呈近似線性變化，但流量在該范圍內(nèi)變化幅度較小，不適用于調(diào)節(jié)；當(dāng)閥板開度在30°～70°范圍內(nèi)時(shí)，流量與閥門開度呈現(xiàn)非線性關(guān)系，流量變化較大，適用于調(diào)節(jié)；當(dāng)閥門開度在70°～90°范圍時(shí)，流量與閥門開度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，但此時(shí)斜率較大，在較小角度變化內(nèi)流量變化較大，不適用于調(diào)節(jié)。因此，一般閥門廠家推薦蝶閥最佳控制角度范圍是介于30°～70°之間，最佳的控制角度是在60°～65°時(shí)達(dá)到理想工作流量。

圖1 調(diào)節(jié)閥流量特征曲線（等百分比型）Fig.1 Flow characteristic curve of regulating valve (equal percentage type)

調(diào)節(jié)閥口徑的選擇是主要依據(jù)預(yù)控制的管路流量和推薦開度下的閥前、閥后的壓力差，以計(jì)算在該開度下的CV值[6,7]。CV值定義為單位時(shí)間內(nèi)，在管道保持恒定的壓力下，管道介質(zhì)流經(jīng)閥門的體積流量或是質(zhì)量流量，代表了閥門的流通能力，計(jì)算公式為：

式中：Q= 流量（m3/h）；G= 比重（海水取近似值1）；ΔP= 閥門前后壓力差（bar）。

以某船為例，壓載泵為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵，額定流量為3000m3/h，額定揚(yáng)程為50m，該船壓載水處理系統(tǒng)要求的基本工況見表2。

表2 調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)工況Table 2 Control valve design conditions

1）確定流量調(diào)節(jié)范圍。調(diào)節(jié)閥最大工作流量需要考慮管路流速和系統(tǒng)處理能力，過高的管路流速會(huì)引起閥門劇烈震動(dòng)的問題。最小工作流量需考慮流量過低時(shí)，閥門調(diào)節(jié)性變?nèi)醯膯栴}。對(duì)于該船，壓載泵正常工作時(shí)流量為3000m3/h，最大工作流量取Qmax= 3200m3/h，最小工作流量取Qmin= 2500m3/h。

2）確定壓差。根據(jù)實(shí)際工作情況確定該調(diào)節(jié)閥前后最大及最小壓差。當(dāng)壓載艙空艙時(shí)，閥前壓力為3.2 bar，閥后壓力可認(rèn)為是0，ΔP最大ΔPmax= 3.2 bar。當(dāng)壓載泵穩(wěn)定運(yùn)行后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最小壓差取ΔPmin= 0.3 bar。由此可得，最大及最小CV值分別為CVmax= 6835，CVmin= 1635。

3）查表選擇閥門。根據(jù)CV值的定義，計(jì)算得出的最大及最小CV值應(yīng)處于閥門的最佳控制角度范圍內(nèi)。即閥門開啟30°時(shí)對(duì)應(yīng)CV值應(yīng)小于計(jì)算得出的CVmin值，閥門開啟70°時(shí)對(duì)應(yīng)CV值應(yīng)大于計(jì)算得出的CVmax值。根據(jù)廠家閥門CV值表可選擇合適的閥門。

查表3可知，DN400、DN450、DN500 3種口徑的調(diào)節(jié)閥均符合CV值范圍要求，此時(shí)需要根據(jù)該口徑下的海水流速進(jìn)一步地篩選。3種口徑下流速計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 某廠家調(diào)節(jié)蝶閥CV值對(duì)照表Table 3 Comparison table of CV value of regulating butterfly valve of a manufacturer

根據(jù)表4可知，閥門口徑越小，海水流經(jīng)該閥門時(shí)的流速越大。而過高的流速不僅會(huì)導(dǎo)致閥門局部壓力損失較大，還可能造成閥門及關(guān)聯(lián)管路劇烈振動(dòng)問題。因此，綜合考慮后應(yīng)選擇閥門口徑為500mm。不同的船舶壓載泵流量不同，但其運(yùn)行工況相似，總結(jié)不同項(xiàng)目實(shí)際執(zhí)行過程中經(jīng)常遇到的運(yùn)行工況，根據(jù)理論計(jì)算及運(yùn)行反饋得出不同壓載泵流量對(duì)應(yīng)的最佳調(diào)節(jié)閥口徑，結(jié)果見表5。根據(jù)表5可快速準(zhǔn)確地確定所需閥門口徑，節(jié)省時(shí)間并提高準(zhǔn)確度。

表4 海水流速Table 4 Seawater velocity

請(qǐng)注意表5僅針對(duì)1臺(tái)壓載泵對(duì)應(yīng)1臺(tái)過濾器的情況，對(duì)于兩臺(tái)或多臺(tái)壓載泵需要共用1臺(tái)過濾器進(jìn)行處理的情況，存在多臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行和僅單臺(tái)泵運(yùn)行兩種工況。兩種工況下流量變化范圍較大，正常使用單臺(tái)調(diào)節(jié)閥已不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要。此時(shí)應(yīng)考慮使用兩臺(tái)不同口徑的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行分程控制或選擇其它控制方式。

表5 調(diào)節(jié)閥口徑對(duì)應(yīng)壓載泵流量的推薦表Table 5 Recommended table for regulating valve size corresponding to ballast pump flow

3 減震措施探討

在實(shí)際執(zhí)行項(xiàng)目中，部分船舶存在閥門振動(dòng)劇烈的問題。閥門的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致閥門本體及附近管路產(chǎn)生金屬疲勞問題，縮短使用壽命。此外，振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致連接處緊固件松動(dòng)等問題，最終導(dǎo)致漏水等現(xiàn)象發(fā)生甚至影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。該系統(tǒng)中閥門的振動(dòng)多是由于調(diào)節(jié)閥口徑的選擇不當(dāng)造成的，當(dāng)調(diào)節(jié)閥口徑選擇偏大時(shí)調(diào)節(jié)閥實(shí)際開啟角度較小，此時(shí)閥板不能穩(wěn)定地處于設(shè)定位置，而是在水流的沖擊下左右擺動(dòng)，最終導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)生。

對(duì)于已改造項(xiàng)目，更換閥門及連接管路工作量大，無法由船員在船上直接完成，可采取如下管道加固和閥門增加支撐的方式。船舶用氣動(dòng)閥門外形如圖2，主要由閥體、手輪、氣缸、智能定位器等組成。為方便特殊情況下可以手輪操作，閥門氣缸需要與管路方向保持一致，設(shè)計(jì)院或船廠需根據(jù)實(shí)際空間及需求選擇合適的安裝方向，基本安裝方向如圖3。

圖2 閥門外形圖Fig.2 Valve outline drawing

當(dāng)閥門振動(dòng)時(shí)，除了對(duì)閥門安裝管道進(jìn)行加固處理外，還應(yīng)考慮對(duì)閥門氣缸進(jìn)行額外加固處理，特別是大口徑蝶閥。根據(jù)圖3閥門氣缸不同的安裝方向，可采用圖4中不同的固定方式。Case1：閥門豎直向上安裝，氣缸水平，可以利用氣缸頂部吊耳加強(qiáng)和氣缸下部水平面進(jìn)行支撐，如圖4(a)。實(shí)船采取該方式進(jìn)行加固，未再次發(fā)生可明顯感知振動(dòng)情況，有效改善了閥門振動(dòng)問題。Case2&3：閥門水平布置，氣缸水平，可以利用氣缸上部吊耳加強(qiáng)和氣缸側(cè)平面進(jìn)行支撐，如圖4(b)。Case4&5：閥門豎直布置，氣缸豎直，可以利用氣缸上部吊耳加強(qiáng)和氣缸端面進(jìn)行支撐，如圖4(c)。

圖3 閥門安裝方向Fig.3 Valve installation direction

圖4 閥門支撐加強(qiáng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of valve support reinforcement

另外，閥門手輪為應(yīng)急操作時(shí)使用，可以從閥門上拆下放置在閥門附近，以減小懸空力矩造成的震動(dòng)。

此外，還可要求閥門廠家對(duì)閥門頂部定位器支撐結(jié)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)以及空氣管路進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于類似未改造且壓載泵揚(yáng)程較高的船舶，除采用合適口徑的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥及對(duì)應(yīng)管路外，船舶也可采取降低調(diào)節(jié)閥前后壓差方式進(jìn)行減振，具體如下：

1）采用多級(jí)降壓方式。在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，壓載泵至該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間管路增設(shè)1～2個(gè)調(diào)節(jié)閥門，使到達(dá)該閥門的壓力逐步降低。

2）在管路中增加節(jié)流孔板進(jìn)行降壓。在自動(dòng)反沖洗過濾器出口至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥之前增加孔板，該孔板僅在使用壓載水管理系統(tǒng)時(shí)生效，在需要應(yīng)急壓載或排載時(shí)可直接旁通濾器，保證船舶安全。

3）壓載泵采用回流設(shè)計(jì)。在壓載泵進(jìn)出口設(shè)計(jì)一段回流管路以降低壓載泵揚(yáng)程，回流管也僅在使用壓載水管理系統(tǒng)進(jìn)行壓載時(shí)起作用，其他過程保持關(guān)閉。

4 結(jié)論

為保證壓載水管理系統(tǒng)中自動(dòng)反沖洗過濾器良好的壓差反沖洗效果，過濾器出口宜采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)行流量與壓力的控制，針對(duì)不同船舶、不同規(guī)格的壓載泵根據(jù)計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)反饋給出了推薦調(diào)節(jié)閥口徑大小。對(duì)于可能存在的調(diào)節(jié)閥振動(dòng)問題，探討并給出了不同安裝情況下的調(diào)節(jié)閥加固方式及降低壓差的方式。