15 000载重吨化学品船两舱一泵货油系统设计

方云虎，冯国增，刁海兵

(1.中航鼎衡造船有限公司，江苏 扬州 225217;2.江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

随着中东地区主要石油产地深加工程度的提高和美国对页岩气的大规模开发以及南美地区可再生生物燃料产量的激增，世界范围内的化学品市场逐渐转向长距离化，并呈现出再度繁荣的趋势。若要在单个航次中实现更大的利益收入，就要尽可能多地完成货物的配送，大吨位、多货舱的化学品船[1-2]因其运营的多样化而逐渐得到人们的认可。

本文研究的15 000载重吨化学品船属于G型货舱IMO-Ⅱ型船，全船共布置14个独立的液货舱和2个独立的污油舱。货舱分为7组，每组分为左(P)右(S)舷各1个。该船采用两舱一泵式的货油泵布置方案，可以同时装载7种不同的货品。与一舱一泵式[3]相比，两舱一泵式的深井泵数量减少了50%，降低了船舶设计建造工作的难度，节约了人力和物力，优化了船舶成本。

1 两舱一泵货油系统工作原理

该船的货油系统主要包括2个污油舱、2个货物泄放舱、14个独立液货舱，其中，液货舱分为7组，每组分为左(P)右(S)舷各1个。

该系统主要安装7台货油泵和2台污油泵。每组液货舱安装1台深井泵，布置在右舷舱室里面，2个污油舱内分别安装1台污油泵。1号货舱货油系统布置示意图如图1所示。

图1 1号货舱货油系统布置示意图

货油泵采用多吸口的潜水泵，吸入口布置在左右舱的吸油井内。以1号左舷舱为例，货油排放时，所有阀组初始状态为关闭，打开1号货油泵左舷主吸入口蝶阀、货油泵出口蝶阀以及横跨管蝶阀，管道构成通路后，启动货油泵将货油通过排出口排出；当舱内大部分货油排放完毕后，关闭主吸入口蝶阀和货油泵出口蝶阀，打开扫舱出口球阀，剩余货油经扫舱管止回阀从扫舱管线排放至横跨管蝶阀的排放端。货油装载时，所有阀组初始状态为关闭，打开横跨管蝶阀和货油舱货油注入蝶阀，货油从注入口经横跨管和货油主管直接注入至货舱内。

污油泵是单吸口的泵，但它的来源众多，主要来自货物泄放舱、主甲板舱底水井、舱室甲板、汇流排滴油盘、甲板通道、固定管路以及连接隔膜泵到不同地方的软管。污油泵排放时，可以从污油舱吸入口吸入，经污油泵出口处的止回阀和蝶阀进入污油主排放管，随后进入横跨管，经横跨管蝶阀排出；也可以经污油泵出口止回阀和排油监控系统入口蝶阀进入排油监控系统，经检验合格后排放至舷外。

2 货油泵的选型设计

化学品船装载的液货品种类繁多，为确保化学品船在驳运、存储、装卸过程中的安全，货油泵系统所选用的金属材料绝对不允许与舱内的任何化学品发生化学反应[4-5]。本文研究的15 000载重吨化学品船货油泵系统采用的耐腐蚀材料为不锈钢AISI 316L，货油泵驱动形式为电动机驱动。

该船液货舱总容量为16 802.6 m3，但该船7组货舱的容量并不是均匀分布的，其中以5号舱的容量最大，为2 967.6 m3。

根据船东要求，该船的设计排放时间为9 h，即7台货油泵同时通过货油泵管路进行排放作业的总时间为9 h，设计总扬程为120 m。在规定时间内，必须保证所有舱室卸载完毕，即保证舱容最大的5号舱可以按时卸载完毕。7组液货舱中，1号舱与5号舱的舱容差距最大，大约相差1 300 m3，理论上1号舱和5号舱的货油泵应该选择不同型号，但为保证船舶设备及其零部件的通用性，方便设备备份和后期维护，在工程实际中通常会统一选取较大流量的货油泵。

2.1 单台货油泵的流量计算

单台货油泵的流量按照式(1)计算：

Q=b1b2V/T

(1)

式中：Q为货油泵总排量，m3/h；b1为货油泵排放系数，b1=1.1；b2为考虑扫舱在内的时间系数，b2=1.2；V为舱室容量，本文以5号舱的舱容计算，V=2 967.6 m3；T为设计总排放时间，T=9 h。

经计算，Q=435 m3/h。

最终选取单台货油泵的流量Q=450 m3/h。

2.2 单台货油泵的功率计算

估算货舱泵所需的功率按式(2)、式(3)计算：

Ne=Nbη

(2)

Ne=ρgQH

(3)

式中：Nb为轴功率，W；Ne为有效功率，W；H为泵的扬程，H=120 m；η为泵效率，η=0.75；ρ为货油密度，ρ=820 kg/m3；g为重力加速度，g=9.8 m2/s。

经计算，货油泵的有效功率Ne=120.54 kW。

所需的轴功率Nb=160.72 kW。

2.3 单台货油泵的型号及基本参数

根据货油泵的流量、扬程和功率等参数,选取深井泵的型号为瓦锡兰DW200/250-2-K，具体参数见表1。

表1 货油泵性能参数表

3 污油泵的选型设计

3.1 单台污油泵的流量计算

污油泵的选型过程与货油泵的选型计算过程相似[6]，其参数为：设计总扬程H=120 m，污油舱容积V′=148.7 m3，设计总排放时间T′=1.5 h，污油泵排放系数b1=1.1，考虑扫舱在内的时间系数b2=1.2。

按式(1)计算后，最终选取单台污油泵的流量为150 m3/h。

3.2 单台污油泵的功率计算

选取污油泵的效率为0.75，按照式(2)和式(3)计算得出，污油泵的有效功率约为40.18 kW，所需的轴功率约为53.57 kW。

3.3 单台污油泵的型号及基本参数

根据污油泵的流量、扬程和功率等参数可选取污油深井泵的型号为瓦锡兰DW125/100-3-K，具体参数见表2。

4 吸油井货油残余量计算

吸油井布置在货舱底部的双层底上，分布在船舶中线两侧，吸油井底部低于货油舱的水平面，是货油舱内的最低点，货油舱中所有与货物相关的管路吸口全部都布置在吸油井内。设计吸油井时需要保证货油残留小于规范要求的75 L，且越小越好。货油残留量最终虽由实船试验验证，但初估计算也非常重要。

表2 污油泵的性能参数表

4.1 原设计方案中吸油井货油残余量计算

原设计方案的吸油井的主要尺寸及吸油井中的管路吸口布置如图2所示。

图2 吸油井俯视图及剖视图(单位：mm)

吸油井的四个侧面均为圆角过渡，所以其实际面积小于与其同尺寸的四棱台体，故可以将其近似为与其同尺寸的棱台体，以便进行货油残余量计算。

货油残余量按式(4)计算：

V=H1[a1b1+a2b2+(a1+a2)(b1+b2)]/6

(4)

式中：V为棱台的体积， m3；H1为棱台的高度，m；a1、b1分别为上底面的长、宽，m；a2、b2分别为下底面的长、宽， m。

货油的排放工作一般分为两个阶段。

第一阶段，货油泵从吸入管，经独立的货油管路排放至横跨管。这一阶段，货油泵可以将绝大部分的货油排放出去。该阶段结束后，吸油井中的液面下降到货油泵吸口处。此时，a1=1.0 m ,b1=0.81 m，a2=1.15,b2=0.9 m,H=0.05 m，导入式(4)计算得出此时的货油残余量约为46 L。

第二阶段，扫舱单元从扫舱管将剩余的货油吸入，经独立的扫舱管路排放至横跨管阀的排放端。该阶段结束后，吸油井中的液面下降到扫舱吸口处。此时，a1=1.0 m,b1=0.81 m,a2=1.05 m,b2=0.83 m,H1=0.008 m，导入式(4)计算得出此时的货油残余量约为6.725 L。

4.2 改进设计后吸油井货油残余量计算

改进后的设计方案，主尺寸与原来相同，不同的是在吸油井底面上再添加一个500 mm×250 mm的矩形第二底面，纵剖图如图3所示。扫舱管布置在该底面上，以便进一步降低货油的残余量。

图3 改进后的吸油井纵剖图(单位：mm)

工作过程与上述的两个阶段相同，只是残余量不同。

第一阶段结束后，货油残余量按式(5)计算：

V1=V+V0

(5)

式中：V1为改进设计棱台的体积， m3；V为原设计棱台的体积，V=0.046 m3；V0为增加第二底体积，V0=0.001 m3。

经计算，货油残余量约为47 L，大于改进前的残余量。

第二阶段结束后，此时的货油残余量V0约为1 L，原有设计方案的残余量为6.725 L，相比改进前的残余量，已经有了明显降低。

5 结语

本文以15 000载重吨化学品船为原型，完成了两舱一泵货油系统的设计计算。以液货舱舱容和设计排放时间两个基本参数为基础，完成了货油泵和污油泵的选型设计。另外，计算了吸油井的残余量，并提出了改进设计措施。改进后的第二阶段的货油残余量从6.725 L降低为1 L，减少了货物的损耗，从而降低了船舶成本。

参考文献：

[1] 冯树才,王英.46 000 DWT成品油/化学品船液货系统设计[J].船舶,2010(3):35-40.

[2] 钱育浩,张德荣.37 500 t化学品船液货系统设计[J].广东造船,2002,21(3):16-20.

[3] 李奉香,黄政,高旗.化学品船一舱一泵货油系统的设计与安装[J].造船技术,2008 (3):11-14.

[4] 韩海林,孙莉.3 000 t化学品船设计[J].江苏船舶，2009，26(5):10-13.

[5] 徐勇杰.3 800 t成品油船货油装卸系统设计[J].船舶设计通讯,2007 (1):76-78.

[6] 林维渊.化学品船液货装卸系统设计[J].船舶设计通讯,2005 (2):38-41.