115 000 t油船貨油系統仿真計算分析

伍 剛，曹信來，黃信男

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

0 引言

Aframax型號油船通常采用離心式貨油泵。離心泵具有排量大、流量易調節、對雜質不敏感、易損件少、管理和維修方便、效率高等特點。離心式貨油泵布置在單獨的貨泵艙里面，貨油泵動力來自機艙里面的原動機，通過隔艙傳動軸進行驅動。 貨油艙管采用總管式。通常每臺貨油泵設有1根總管，并且各根總管間互相連通。此種形式管路布置比較復雜，特別是隨著船舶越來越大，管路越來越長，故對貨油泵管路尺寸和壓力分析十分重要。在貨油輸送系統設計中，通常參考同類船型來選用貨油管路的尺寸，或者通過經驗公式計算管路壓力降等傳統方法來選取貨油管路尺寸，但這種常規的選取方法通常會導致集合管出口的背壓達不到預期要求。

本文利用Flowmaster軟件進行建模仿真計算，分析115 000 t油船貨油系統管路阻力，并根據管路阻力計算結果，對貨油相應管路走向及尺寸大小進行優化。

1 貨油輸送及掃艙系統設計

油船貨油輸送及掃艙系統設計是油船設計中最重要部分。115 000 t油船是一艘綠色節能的Aframax油船，適合裝載閃點低于60 ℃的原油/成品油。該船共有12個貨油艙和2個污油水艙。2個污油水艙可兼作貨油艙。全船的貨油艙分為3組，每組之間通過雙閥隔離，可同時裝載3種貨油。

1.1 貨油泵選型

115 000 t油船貨油艙艙容約為133 000 m3。為了滿足船東對貨物裝卸時間的要求，本船配置3臺排量為3 000 m3/h、排出壓力為1.3 MPa的蒸汽透平離心泵。貨油泵采用隔艙傳動式，離心泵布置在貨泵艙內，蒸汽透平布置在機艙內，額定工況下貨油泵的運行速度為1 330 r/min。為了盡量掃除貨油艙和貨油管里面的殘油，配置了300 m3/h×1.3 MPa蒸汽驅動的往復式掃艙泵和500 m3/h×0.25 MPa的貨油掃艙噴射泵[1]各1臺。

1.2 真空自動掃艙系統優點和操作流程

1.2.1 優點

為了更加方便快速地掃除貨油艙里面的殘油，本船配置了真空自動掃艙系統。真空自動掃艙系統主要由氣液分離罐、泵出口流量控制閥、真空泵組(真空泵、真空柜、真空閥)等組成。真空自動掃艙系統的主要優點如下：

(1)利用排量大的貨油泵自動掃艙，明顯降低了卸貨時間。

(2)能夠自動進行，不需要人為判斷掃艙開始時間，以及閥的切換和泵啟動工作。

(3)和離心泵的自吸功能相組合，位于離心泵吸入側的氣液分離罐低液位時候能夠快速啟動。

1.2.2 真空自動掃艙系統的操作流程

(1)當氣液分離罐液位低于70%時，自動掃艙系統開始工作,否則不工作。

(2)當艙內液位下降后，吸入壓力繼續下降；壓力到達貨油蒸氣壓力時，部分貨油開始氣化并集聚在氣液分離罐中，導致氣液分離罐中的液位下降。當氣液分離罐液位下降到50%時，泵出口流量控制閥節流，自動掃艙系統的真空泵啟動，抽吸氣液分離罐中的貨油蒸氣。隨著真空泵的抽吸，氣液分離罐中的液位上升；當上升到70%時候，真空泵停止工作，泵出口流量控制閥全開。此程序將交替運行。

(3)隨著貨油艙液位繼續下降，貨油艙內的液體已下降到接近艙底，主吸口周圍的液面產生劇烈波動，大量的貨油艙蒸氣將被吸入，并聚集在氣液分離罐上面，這時候真空泵啟動。同時調小離心泵出口流量控制閥，當吸入蒸氣量小于真空泵抽吸量時，氣液分離罐的液位上升，此時泵出口流量調節閥逐漸調大，貨油泵流量增大，氣液分離器的液位又下降。上面步驟重復出現。

(4)當貨油艙液位降至艙底時，由于吸入大量貨油艙蒸氣，會導致泵出口流量調節閥關閉，氣液分離器液位又上升一點。出口流量調節閥稍開一些，氣液分離器液位再次下降。上述操作持續交替，直到氣液分離器的液位低于5%時，低液位燈亮，顯示掃艙結束。

1.3 貨油輸送系統原理設計

油船貨油輸送系統原理圖見圖1。該船3臺貨油泵布置在貨泵艙內。貨油管系采用總管式，3根DN550貨油主管、1根DN300掃艙主管布置在貨油艙里面。每個貨油艙有1根DN400主吸口和1根DN200掃艙吸口，分別通過浸沒式遙控閥連接到相應的貨油總管和掃艙總管上。3根總管之間通過雙遙控蝶閥隔離連接。貨油艙同時能夠裝卸3種貨物，相同貨種艙共用1根貨油總管。每個貨油艙的吸油井里面布置1個主吸口和1個掃艙吸口，主吸口離開吸油井的高度高于掃艙吸入口。為了便于浸沒式遙控閥的維修，服務于該艙的遙控閥布置在相鄰的艙里面，并且為了調節裝卸速率，主吸入遙控閥為開度指示閥。考慮到船舶裝卸習慣，吸油井都布置在艙的左側[2]。

貨油總管穿過貨油艙后經過貨油艙和貨泵艙艙壁上的隔離閥后連接到貨油泵，泵出口的總管尺寸為DN500。經過貨油泵后，貨油管分2路：一路至上甲板，另一路去洗艙系統和驅動掃艙噴射泵。掃艙總管出了貨油艙后連接到掃艙噴射泵和掃艙泵上。

主甲板上布置3根DN500貨油總管、1根DN125掃艙管。為了補償貨油管的伸縮，在必要的地方按照要求布置船檢機構認可的伸縮接頭。集管區布置3根DN500的貨油橫跨管，甲板掃艙總管連接到橫跨總管的外側。集管區貨油管系的布置高度及間隔尺寸的選取嚴格參照《國際油輪和油碼頭安全指南》的推薦。

貨油注入管從上甲板主管穿過第4貨油艙，連接到貨油艙底部的貨油總管。貨油艙內貨油管采用內外鍍環氧的鋼管，貨油艙外的貨油管采用內鍍環氧、外涂環境油漆的鋼管。

圖1 貨油輸送系統原理圖

2 貨油輸送系統仿真分析

2.1 仿真計算模型

本文應用Flowmaster軟件對115 000 t油船的貨油系統進行建模仿真計算。根據實船布置，NO.1貨油艙(左)和NO.1貨油艙(右)離開貨油集管的管路最長，為阻力最不利管路。假設NO.1貨油艙(左)、NO.1貨油艙(右)都裝載滿艙貨物，貨油泵的流量為3 000 m3/h。NO.1貨油艙(左)吸入支管和NO.1貨油艙(右)吸入支管流量分別為1 500 m3/h。

基于上述邊界條件，利用Flowmaster軟件和該軟件自帶的元件庫，定義了貨油輸送系統中的管道、閥、彎頭、濾器、膨脹節等部件的參數，建立網管模型。然后在建模的基礎上開展了貨油系統的阻力仿真計算，通過計算得到了貨油集管出口處的壓力。所建的模型見圖2[3]。

1、12、57、127—節點。

2.2 貨油系統結果分析

通過計算得到主要節點壓力參數，見表1。進口節點1和出口節點127的壓力差為229 850 Pa，此差值為貨油系統最不利管路的壓力損失。貨油泵流量為3 000 m3/h時，壓頭為1.3 MPa。如果考慮到貨油的吸入口和貨油集管排出口的高度差為22 m，此時貨油集合管的壓力為0.85 MPa，這樣就保證了貨油集合管最低背壓0.7 MPa的要求。

表1 主要節點計算參數

注：基于第1貨油艙(左右)滿艙；基于泵額定流量3 000 m3/h。

3 結論

本文根據115 000 t貨油管路的實際布置情況，利用Flowmaster軟件進行建模仿真計算，計算了貨油輸送管路中最不利管路阻力損失，并且根據計算對相應管路的走向和尺寸進行了相應的調整。得出以下結論：

(1)基于Flowmster軟件模擬仿真的計算結果具有可靠性，和實船試驗結果基本吻合。

(2)Flowmster建模仿真計算簡化了設計人員的工作，能為船舶貨油系統優化提供便利。

(3)油船管路尺寸設計不能完全借鑒參考船型尺寸，需要通過計算進行優化選取。