壓載水管理系統(tǒng)氣動調(diào)節(jié)閥的選擇及振動分析

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）通常會使用自動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)。自動反沖洗過濾器工作時，海水流經(jīng)濾網(wǎng)時較大的顆粒雜質(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，一般會在自動反沖洗過濾器的出口安裝自動調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)通過遠程自動調(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，借助動力操作去改變介質(zhì)流量、壓力等工藝參數(shù)的最終控制元件，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化[3]。其主要由執(zhí)行機構(gòu)和閥門本體兩部分組成。根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的動力來源的不同，可分為氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥、液動調(diào)節(jié)閥3類。氣動調(diào)節(jié)閥就是以壓縮氣體為動力源，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)動閥門，實現(xiàn)比例式調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力較大，維修方便，價格低廉，動作迅速，可防火防爆。電動調(diào)節(jié)閥使用交流電或者直流電作為動力來源，能源取用方便，信號傳遞迅速，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)過程中會有執(zhí)行機構(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)。液動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)一般使用液壓油作為動力來源，其響應(yīng)速度快、推力大且抗偏離能力好，但需要配備獨立的液壓控制系統(tǒng)，投入及維護成本較高。其主要特點總結(jié)見表1。

表1 調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)對比Table 1 Control valve actuator comparison

從動力來源角度考慮，3種驅(qū)動源在船舶上均有配備，獲取簡單；從抗偏離性角度考慮，過濾器出口管道對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種類型閥門均可實現(xiàn)防爆要求。綜合考慮成本及運行需要，氣動調(diào)節(jié)閥使用壓縮空氣作為驅(qū)動源，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)簡單、驅(qū)動力矩小、安裝空間小和重量輕等優(yōu)點。

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，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，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，流量與閥門開度呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，但此時斜率較大，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°時達到理想工作流量。

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，以計算在該開度下的CV值[6,7]。CV值定義為單位時間內(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，壓載泵為電機驅(qū)動的離心泵，額定流量為3000m3/h，額定揚程為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，過高的管路流速會引起閥門劇烈震動的問題。最小工作流量需考慮流量過低時，閥門調(diào)節(jié)性變?nèi)醯膯栴}。對于該船，壓載泵正常工作時流量為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，閥前壓力為3.2 bar，閥后壓力可認為是0，ΔP最大ΔPmax= 3.2 bar。當(dāng)壓載泵穩(wěn)定運行后，根據(jù)經(jīng)驗最小壓差取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°時對應(yīng)CV值應(yīng)小于計算得出的CVmin值，閥門開啟70°時對應(yīng)CV值應(yīng)大于計算得出的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，此時需要根據(jù)該口徑下的海水流速進一步地篩選。3種口徑下流速計算結(jié)果見表4。

表3 某廠家調(diào)節(jié)蝶閥CV值對照表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)該閥門時的流速越大。而過高的流速不僅會導(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，但其運行工況相似，總結(jié)不同項目實際執(zhí)行過程中經(jīng)常遇到的運行工況，根據(jù)理論計算及運行反饋得出不同壓載泵流量對應(yīng)的最佳調(diào)節(jié)閥口徑，結(jié)果見表5。根據(jù)表5可快速準確地確定所需閥門口徑，節(jié)省時間并提高準確度。

表4 海水流速Table 4 Seawater velocity

請注意表5僅針對1臺壓載泵對應(yīng)1臺過濾器的情況，對于兩臺或多臺壓載泵需要共用1臺過濾器進行處理的情況，存在多臺泵同時運行和僅單臺泵運行兩種工況。兩種工況下流量變化范圍較大，正常使用單臺調(diào)節(jié)閥已不能滿足系統(tǒng)運行需要。此時應(yīng)考慮使用兩臺不同口徑的調(diào)節(jié)閥進行分程控制或選擇其它控制方式。

表5 調(diào)節(jié)閥口徑對應(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

在實際執(zhí)行項目中，部分船舶存在閥門振動劇烈的問題。閥門的振動會導(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，振動還會導(dǎo)致連接處緊固件松動等問題，最終導(dǎo)致漏水等現(xiàn)象發(fā)生甚至影響系統(tǒng)的正常運行。該系統(tǒng)中閥門的振動多是由于調(diào)節(jié)閥口徑的選擇不當(dāng)造成的，當(dāng)調(diào)節(jié)閥口徑選擇偏大時調(diào)節(jié)閥實際開啟角度較小，此時閥板不能穩(wěn)定地處于設(shè)定位置，而是在水流的沖擊下左右擺動，最終導(dǎo)致振動發(fā)生。

對于已改造項目，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)計院或船廠需根據(jù)實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)閥門振動時，除了對閥門安裝管道進行加固處理外，還應(yīng)考慮對閥門氣缸進行額外加固處理，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和氣缸下部水平面進行支撐，如圖4(a)。實船采取該方式進行加固，未再次發(fā)生可明顯感知振動情況，有效改善了閥門振動問題。Case2&3：閥門水平布置，氣缸水平，可以利用氣缸上部吊耳加強和氣缸側(cè)平面進行支撐，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和氣缸端面進行支撐，如圖4(c)。

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

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

另外，閥門手輪為應(yīng)急操作時使用，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。

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

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

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

2）在管路中增加節(jié)流孔板進行降壓。在自動反沖洗過濾器出口至氣動調(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)時生效，在需要應(yīng)急壓載或排載時可直接旁通濾器，保證船舶安全。

3）壓載泵采用回流設(shè)計。在壓載泵進出口設(shè)計一段回流管路以降低壓載泵揚程，回流管也僅在使用壓載水管理系統(tǒng)進行壓載時起作用，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調(diào)節(jié)蝶閥進行流量與壓力的控制，針對不同船舶、不同規(guī)格的壓載泵根據(jù)計算及經(jīng)驗反饋給出了推薦調(diào)節(jié)閥口徑大小。對于可能存在的調(diào)節(jié)閥振動問題，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。