船用脱硫塔洗涤水排放管设计难点

(南通远洋船舶配套有限公司，江苏 南通 226006)

2018年某新造船安装的开式脱硫系统在调试时发生洗涤塔内高液位报警，继而系统自动停机。经排查，确定洗涤水排放管的设计不能保证洗涤水顺利排出。

洗涤水排放管的设计难点如下。

1)重力式泄放，水流动力完全来源于脱硫塔安装高度和船舶最大吃水的势能差(即静压头)。一般脱硫塔会布置在主甲板以上位置的烟囱里，其位置与船舶最大吃水的高度差不会太大。

2)船舶机舱设备多，空间有限，洗涤水排放管布置复杂，弯头使用过多，管道压降大。

3)管路走向总体下降，最好有一定的倾斜角度，方便水流顺利流动，布置难度大。

4)为保证脱硫效果，开式系统的海水量较大(大于45 m3/MW·h)[1]，致使主管路管径较大，排放管内径小。

5)排舷外管内径小。脱硫系统的洗涤水排放pH值计算公式是根据湍流喷射原理[2]得出。计算结果为每个排舷外管内径最大为150 mm，雷诺数必须大于4 000，这样就能保证洗涤水排放口4 m外的pH值不低于6.5。

所以管内流速高。高流速下的管道压降较大；并且当大管道变为很小的管道时，管路压降也会增大。

6)流量控制阀的流量系数值需要计算准确。如果阀门选择偏小，无法满足最大流量要求，管内液位升高，直至洗涤塔内的液位传感器报警和脱硫系统关闭。反之，阀门选大，阀板开度稍微变化，就引起流量很大的变动，管内液位无法保证在设定范围，而且阀门开度调整频率很大，会减少阀门的使用寿命。

为了处理好以上问题，需全面了解洗涤水重力式泄放原理。首先要确定洗涤水重力式泄放管的布置形式；然后以某船设计参数和某种型号的脱硫系统为基础，建立计算模型，进行管道压降和流量控制阀尺寸计算;根据计算结果确定产生管道压降的主要部件。

1 洗涤水排放管布置形式

将重力式泄放管布置形式分为以下三种[3]。

1)管路布置为S形，如图1所示。这样的管路容易在高点形成气囊，水流无法在气囊部位完全充满管道，此处相当于管子的内径变小。

图1 S形管路

另外，液体中混有一定量的空气。随着压力的逐渐降低，液体中的气体溶解度会变小，生成气泡。当气泡溃裂时，气体高速撞击管道内表面，产生气蚀。

2)大管径管路，如图2所示，管子为大管径，可以完全容纳最大排水量，并有很大的富裕，管子路径为总体下降趋势，管道内的气体可以自由逆流而上排出(气体需占用部分管道空间)，没有气囊形成，水流可以顺利的流出。

图2 大管径管路

但是这种方案需要大口径管子和更多的空间来布置，非常不经济。假如使用小管径的管子，当水量较少时，水流能顺利通过，但是当水量突然变大或变小时，管道内液体就会夹杂着空气流动，很多气泡挤占管道空间，并因为气体密度小，会有上升的趋势，就会阻碍管道内流体的顺利流出。

3)控制阀控制管路，布置如图3所示，由于压力传感器和开度调节阀的控制，流体完全充满管道。当排水量突然变小时，管道内液位会降低，压力传感器会控制阀门使其开度变小，通过阀门的流体减少，使得液面恢复到设定范围。反之，当水量变大时，阀门开度变大，保证管道的液位始终保持在一定高度范围。这种方案是比较经济又实用的，不易形成空气囊，可以始终保持管道流体顺利通行。

图3 控制阀控制管路

目前各大脱硫设备厂家基本都是选用第三种排放方式。

2 计算与分析

2.1 建立计算模型

洗涤塔安装在烟囱里；连接洗涤塔的主管道为DN500；流量控制阀预估管径为DN300，安装在主管道，并布置在最低水线高度；排放管为两个DN150的小管，并布置在船舶最低吃水线以下200 mm。计算模型见图4，计算工况见表1。

图4 计算模型

海水泵流量/(m3·h-1)850洗涤塔安装高度/m基线以上29.7最大吃水/m基线以上18.4最小吃水/m基线以上9.7

为了模拟跟船上实际管路布置较为一致的场景，需假设一定数量的弯头和异径接头。

2.2 计算压力损失

常用管道(液体充满)压降计算公式为：

(1)

式中：Δp为摩擦压力损失,kPa/m;f为摩擦系数，无量纲；Q为流量,m3/h；D为管道内径,mm。

阀门和管附件的压降计算一般有两种方法：阀门或管附件的等效长度或者阻力系数K[4]。但是阻力系数K的使用是有条件的，就是流体需处于湍流状态。

计算得出整个管路的压降为0.080 3 MPa。

2.3 确定压降的主要部位

重力式泄放管道的压力损失主要集中在弯头、三通、变径、管道进/出口处、小管道蝶阀和小管径(即末端排舷外管处，管内径为150 mm)。具体见表2。

表2 压降占比

2.4 分析洗涤水是否能顺利排出

表1表明，脱硫塔的安装高度为船舶基线以上29.7 m，船舶最大吃水为船舶基线以上18.4 m，所以重力式泄放管的静压头为11.3 m，考虑1 m的安全余量(发动机功率突变引起泵流量突变，同时流量控制阀反应的滞后，引起液位高度的变化，预留1 m的安全高度)，所以最终选择的静压头为10.3 m，即0.103 6 MPa。

由压降计算结果可知，0.103 6 MPa大于0.080 3 MPa，所以泄放水可以顺利流出。

2.5 计算流量控制阀通径大小

为了确定流量控制阀的通径，需要计算流量控制阀的流量系数值。流量调节阀的大小对管路压降有影响，但同时管道的压降也影响流量调节阀的选择，进而影响连接管的大小。

由脱硫厂家对流量控制阀安装要求，放在船舶最小吃水线高度为宜，又因为该阀为蝶阀，阀体厚度不大，所以环境海水静压头对流量控制阀的作用很小，可忽略。

脱硫系统厂家确认洗涤水泄放温度为45～50 ℃(计算按照50 ℃)，可查得该温度下海水蒸汽压力0.012 1 MPa，密度1 014 kg/m3，黏度0.594×10-3Pa·s，临界压力221 MPa[5]；蝶阀临界流量系数取值0.6，海水流量为850 m3/h。

由压降计算可知，流量控制阀进/出口压差为0.023 MPa。

流量控制阀流量系数CV计算公式为

(2)

式中：CV为阀流量系数；d为比重(淡水为0.988 04、50 ℃，海水为1.026、50 ℃)；qm为质量流量，乘以1 000 kg/h；Δp为流量控制阀上下游压差，105Pa。

计算可知，该流体流过流量控制阀时为亚临界状态，未出现闪蒸。按照式(2)计算结果并考虑操作系数，得到CV为2 943。

根据某蝶阀厂家提供的阀门选择表格，可选择DN200管径的阀门。因为2.1节管路压降计算的时候假设使用的阀门的尺寸是DN300，所以泄放管路压降需要重新计算。

重新计算得出管路总压降为0.115 2 MPa，超过了洗涤水泄放的总静压头0.103 6 MPa，所以DN200的流量控制阀不合适。

选取DN250的流量控制阀重做压降计算，得出管路压降为0.088 5 MPa，此时流量控制阀的压降为0.015 1 MPa，阀门全开状态下的CV=3 651，选择DN250的阀门可行。

所以泄放管路中需要把流量控制阀改成DN250的阀门。其尺寸相比DN500的总管小很多，因此流量控制阀也贡献了较大的压降。更为关键的是流量控制阀的尺寸不能选小了。

3 设计对策

1)增大静压头。船舶的最大吃水是无法改变的，若要增加重力式泄放的静压头，就需要提高洗涤塔的安装位置，选择合适的高度。同时需综合考虑船舶稳性，该型号洗涤塔湿重约49 t，如果位置太高，需要校核船舶稳性和船舶重心。

2)优化泄放管布置。在设计允许的情况下，优先保证重力式泄放管的布置，使管道尽量短、弯头尽量少。如果初始管径比末端管径大很多的，变径需要多级渐变，不可突变。经计算表明，突变的压降远远大于渐变。

3)如有可能，管路尽量设计一定的倾斜角度。如果空间受限，至少要保证管路没有“倒置U”，避免气囊形成。

4)选用摩擦系数小又耐酸性腐蚀的玻璃钢管。相对碳钢涂塑管，可以选择管径稍小点的玻璃钢管。减少了占用的空间。

5)尽量减少末端小管径管子的长度。每增加1 m的末端管子，压降增加0.002 3 MPa。

绝对限制末端管子附件数量。压降计算显示，如果小管上再增加两个90°弯头，压降会增加0.01 MPa，可能导致泄放水无法顺利排出，最终导致脱硫系统自动停止运行。

6)如果整个管道压降过大，可以适当增大调节阀的管径，以减少阀门的压降。但是需要注意的是这样会损失部分控制精度。

4 结论

1)正常情况下，管道尺寸是引起管道压降的最直接因素，应该贡献最大的压降，而管附件和阀门只会贡献少量的压降。但是，重力式泄放管道则不同，主管道尺寸一般选择较大，管道长度尽量短，如表2可知，管附件、阀门和管道进/出口反而贡献了最大的压降。

2)通过分析脱硫开式系统泄放水管的布置方式，从而确定了压降计算公式，打消了重力式泄放完全不能用压力管道计算方式计算的顾虑。

3)流量控制阀Cv计算过程中并未考虑两端的异径接头。异径接头所引起的流体变形，对CV值有一定的影响，需要进一步的探讨。