货油泵真空装置及系统分析

吴震宇 丁元亮 罗晓宁 汤 敏

（武汉船用机械有限责任公司 武汉 430084）

0 引 言

货油泵真空系统是油船进行卸货作业的辅助系统，通过与货油泵系统［1］和控制系统的配合运行，可使货油泵具有自动引水功能和良好的自吸性能，有效加快卸货进程。由于复杂的系统集成及苛刻的可靠性要求，对设计及制造技术、研发投入及市场开发等各项工作均提出了很高要求，目前还没有国内厂商能进行设备配套。本文围绕系统组成、功能要求、工作原理及部件间的参数联系，针对每个部件进行独立设计分析，初步形成一套较为完整的系统设计方案。

1 系统原理分析

货油泵真空系统的两个基本功能为:一是将普通的货油泵变为具有自动引水功能的设备［2］；二是当货油舱液位较低的情况下仍然可以辅助货油泵进行卸货。功能实现的原理是在货油泵工作时将吸口的液位提高，同时通过监测吸口液位和压力来相应改变货油泵的转速和流量，进而达到提高货油泵自吸能力的目的［3，4］。 系统结构如图 1 所示，具体原理如下:

（1）在货油泵吸口处设置一个筒形分离柜，以防止油蒸汽或空气吸入货油泵内。同时安装液位传感器，以实现液位实时监测。

（2）分离柜上连接真空泵，以便将管系和泵体内产生的气体抽出系统之外，为提高系统动作速度和精度，真空连接管上设置液控真空阀以便及时起动和关闭真空抽吸。

（3）为防止介质被抽入真空泵内，分离柜顶部出口设置浮动阀，当液位过高时，自动切断真空管。

（4）在货油泵出口设置流量调节阀，对货油泵流量进行比例调节，以实现货油泵自吸能力与效率之间的良好平衡。

（5）设置电磁阀组对真空阀和流量调节阀进行液压控制。

2 元件功能分析

根据系统原理，可将系统分为六个部分:气液分离器、真空泵单元、流量调节阀、真空阀、电磁阀控单元和真空罐。

2.1 气液分离器

如图1所示，气液分离罐设在货油泵的吸口之前，上部有一定的容腔。当介质流过分离罐时，内部的气体会积聚在容腔上部，而不会被吸进泵里。为防止原油中的固体杂质进入泵内，分离器内设有不锈钢滤网，过滤出的杂质集中在分离器底部，可在维护时予以清除。

浮动阀位于气液分离器的容腔顶部，阀芯由一个轻质浮球控制，常位开启。当液位过高时，浮球上浮，阀芯自动关闭，防止油液进入真空管。

由于货油泵内吸水腔顶部较高，为彻底排出泵内气体，泵上设有排气管，通过安装在气液分离器上的单向阀与分离器相连，单向阀可以防止气体回流。

液位传感器安装在气液分离柜侧面，能够提供现场液位指示。

2.2 真空泵单元

真空泵单元主要由真空泵、气密传动架、电机、集水冷却器、单向阀、真空传感器等组成，主要用于产生真空及控制真空度。

真空泵选用水环式真空泵，用于在真空管系中产生真空度［5］；连接架焊接在舱壁上，隔离泵舱与机舱，是电机、真空泵，集水冷却器和气密传动轴的安装支架；集水冷却器用于冷却淡水和真空泵，在真空泵中维持一个正确的水位，也有助于收集油水蒸汽冷凝在冷却器的内壁上；单向阀安装在真空泵吸口法兰处，当真空泵停机时，防止空气进入到系统中；真空传感器用于测量真空度，在扫舱周期内控制真空泵的起停；电机位于机舱一侧，用于驱动真空泵。

2.3 流量调节阀

如图1所示，流量调节阀位于货油泵的出口，用于调节货油泵的流量［6］，蝶阀阀芯的开度由外部液压缸驱动。液压缸上设有锁定阀组，可将阀芯锁定在任一开度上，蝶阀的阀口开度可在工作压力下连续比例调节，但由于结构特点，本阀不能用于关闭性密封。由于阀件长时间使用后可能会出现机构磨损并引起故障，因而在液压转动机构上设置位置传感器，将阀口的开度反馈给控制系统。

2.4 真空阀

如图1所示，真空阀位于气液分离器的真空管连接处［7］，主要由蝶阀、转动机构和位置开关三部分组成。蝶阀是开关式，通过液压转动机构驱动，机构上带有位置开关，以指示阀芯到位的状态，液压锁可以维持阀芯的状态。

2.5 电磁阀控单元

如图1所示，电磁阀控单元用于控制流量调节阀和真空阀，由一个三位四通阀和一个两位四通阀构成。

2.6 真空罐

如图1所示，真空罐位于真空阀和真空泵单元之间，用于提供“负压蓄能”和稳定真空度。

3 系统操作流程

货油泵真空系统用于辅助货油泵实现引水及卸货作业，工作流程如下:

（1）当货油舱内的货油液位在70%以上时，只有货油泵在工作，真空系统不工作，流量调节阀开度处于最大，真空阀关闭。

（2）随着货油舱内的液位下降，货油泵的吸入压力也下降，当压力接近货油的蒸发压力时，管系内将产生油蒸汽，并积聚在气液分离罐的顶部。货油泵中的油气通过一根单独的管路进入到气液分离罐顶部，分离罐中油气的聚集使得气压逐渐增大导致分离器内液位下降。罐上的液位传感器时时监控液位高度变化，得到的液位高度信号被转换为电信号来控制液压控制回路的动作和真空泵的起停。

（3）当液位降到50%以下时，通过分离罐上液位信号的反馈，液压控制回路中的电机开始工作，驱动真空阀的油缸和驱动流量调节阀的油缸动作，同时真空泵也开始工作。真空阀完全打开后，其控制油缸停止动作，油气从气液分离罐进入真空罐，再通过真空泵进入冷凝罐；在冷凝罐中经过海水冷凝后，排入到污油舱中。根据气液分离罐中液位的高度，确定流量调节阀调小后的开度。开度调节通过调节阀油缸活塞的位移来实现，活塞达到指定位移依靠液压锁进行锁定，从而实现输油管路货油流量调节。

由于流量调节阀开度调小，货油输出流量减小，同时真空泵抽出气体使得分离罐中的气压减小，所以分离罐液位升高。当液位恢复到70%时，液位反馈信号指示油缸推动真空阀关闭，10秒钟后，真空泵也停止，油缸驱动流量调节阀恢复到原有的开度。

（4）每当出现上述情况时，重复进行②、③抽气过程。

（5）当货油舱内液位进一步下降时，吸入口周围会产生漩涡，当漩涡凹陷的底部低于吸入口的下表面时，气体开始被吸入。同样，这些气体积聚在分离器的顶部，使分离器内的液位降低，再次重复②、③抽气过程。由于吸入的气体越来越多，流量调节阀的开度变得越来越小，真空泵处于一直运转的状态。

（6）当液位再下降时，就会有大量的气体被吸入，气体吸入的量超过了真空泵的抽出量，流量调节阀会完全关闭，如果气液分离器内的液位还会上升时，流量调节阀会再开一点，但液位再次低于5%时，黄色的信号灯就会发亮，表示卸货工作己进入到扫舱泵扫舱阶段。

（7）当真空泵连续操作时，分离柜内的液位也不上升且流量调节阀随时保持完全关闭，长时间持续这种状态，意味着己抽不到剩余液体。大约3分钟后，橘黄色灯会闪光，同时蜂鸣器发出声响，表示真空扫舱结束。

4 结 论

通过对货油泵真空系统组成、功能原理以及操作流程的分析，首先可以对这一系统的功能和配置有一个基本了解，有助于更好地研究和吸收国外高新技术；其次由于此系统目前国内还未实现自主配套，而此系统的先进性、操控性和适用性已得到越来越多的船东青睐。我们希望通过对该系统的研究，为尽早实现真空扫舱系统自主研发提供借鉴和参考。

［1］刘承民，关英华.VLCC货油综合控制系统介绍［J］.中国修船，2002（6）:29-32.

［2］凉帅.油轮货油装卸系统的自动化研究［D］.大连:大连海事大学，2008.

［3］邵昱，陈棘，唐石青.液货船的装卸自动化系统设计［J］.上海造船，2008（2）:27-29.

［4］魏雷.货油系统的分析［J］.广船科技，2006（2）:34-36.

［5］高香院.现代低温泵［M］.西安:西安交通大学出版社，1990.

［6］何存兴，张铁华.液压传动与气压传动［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.

［7］寿永龄.船用阀门液压遥控装置的设计和运行［J］.舰船科学技术，1988（6）:40-47.