压载水管理系统气动调节阀的选择及振动分析

李 超，李亚楠

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266100）

0 引言

为满足国际海事组织(International Maritime Organization)发布的压载水管理公约[1]，船舶所安装的压载水管理系统[2]（Ballast Water Management System，BWMS）通常会使用自动反冲洗过滤器用来去除压载水中尺寸较大的微生物及杂质等物质。自动反冲洗过滤器工作时，海水流经滤网时较大的颗粒杂质被阻拦，其余则经出水口流出。水中的杂质在流经滤网时不断被阻拦，颗粒逐渐积聚在滤网的内表面。当颗粒积聚到一定程度时过滤器开启反冲洗功能，在滤网外部工作压力和外界大气压力差的作用下，污水经排污管排出。为保证滤器反冲洗效果并控制压载主管路中的流量不超过系统处理量限制，一般会在自动反冲洗过滤器的出口安装自动调节阀，系统通过远程自动调整阀门的开度以控制滤器出口的压力和流量。

1 调节阀执行机构的选择

调节阀是一种通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变介质流量、压力等工艺参数的最终控制元件，从而实现生产过程的自动化[3]。其主要由执行机构和阀门本体两部分组成。根据执行机构的动力来源的不同，可分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀3类。气动调节阀就是以压缩气体为动力源，以气缸为执行器，并借助于阀门定位器、电磁阀等附件去驱动阀门，实现比例式调节。其结构简单，输出推力较大，维修方便，价格低廉，动作迅速，可防火防爆。电动调节阀使用交流电或者直流电作为动力来源，能源取用方便，信号传递迅速，但结构复杂，防爆性能差，调节速度慢，在反复调节过程中会有执行机构过热问题，因此不适用于较大口径阀门的连续调节。液动调节阀执行机构一般使用液压油作为动力来源，其响应速度快、推力大且抗偏离能力好，但需要配备独立的液压控制系统，投入及维护成本较高。其主要特点总结见表1。

表1 调节阀执行机构对比Table 1 Control valve actuator comparison

从动力来源角度考虑，3种驱动源在船舶上均有配备，获取简单；从抗偏离性角度考虑，过滤器出口管道对于阀板偏离性要求较低，无特殊要求；从响应滞后性角度考虑，该阀门响应时间不超过10s即可；从防爆性能角度考虑，油船等船舶要求该阀门具备防爆功能，3种类型阀门均可实现防爆要求。综合考虑成本及运行需要，气动调节阀使用压缩空气作为驱动源，防爆性能好、滞后性和抗偏离性可接受、成本低，是用于该系统的最佳选择。

2 调节阀口径的计算

根据船舶类型的不同，压载水主管路的单泵流量一般控制在150m3/h～4000m3/h，扬程一般控制在30m～50m，通常选择蝶阀作为调节隔离阀门。蝶阀主要由阀体、阀板、阀座、阀轴等部件组成，具有结构简单、驱动力矩小、安装空间小和重量轻等优点。

调节阀开度与流量主要呈现快开型式、直线型式、抛物线型式、等百分比型式4种，图1为蝶阀开度与流量整体呈等百分比型式[4,5]。当蝶阀的阀板开度在0°～30°范围内时，流量与阀门开度呈近似线性变化，但流量在该范围内变化幅度较小，不适用于调节；当阀板开度在30°～70°范围内时，流量与阀门开度呈现非线性关系，流量变化较大，适用于调节；当阀门开度在70°～90°范围时，流量与阀门开度呈现近似线性关系，但此时斜率较大，在较小角度变化内流量变化较大，不适用于调节。因此，一般阀门厂家推荐蝶阀最佳控制角度范围是介于30°～70°之间，最佳的控制角度是在60°～65°时达到理想工作流量。

图1 调节阀流量特征曲线（等百分比型）Fig.1 Flow characteristic curve of regulating valve (equal percentage type)

调节阀口径的选择是主要依据预控制的管路流量和推荐开度下的阀前、阀后的压力差，以计算在该开度下的CV值[6,7]。CV值定义为单位时间内，在管道保持恒定的压力下，管道介质流经阀门的体积流量或是质量流量，代表了阀门的流通能力，计算公式为：

式中：Q= 流量（m3/h）；G= 比重（海水取近似值1）；ΔP= 阀门前后压力差（bar）。

以某船为例，压载泵为电机驱动的离心泵，额定流量为3000m3/h，额定扬程为50m，该船压载水处理系统要求的基本工况见表2。

表2 调节阀设计工况Table 2 Control valve design conditions

1）确定流量调节范围。调节阀最大工作流量需要考虑管路流速和系统处理能力，过高的管路流速会引起阀门剧烈震动的问题。最小工作流量需考虑流量过低时，阀门调节性变弱的问题。对于该船，压载泵正常工作时流量为3000m3/h，最大工作流量取Qmax= 3200m3/h，最小工作流量取Qmin= 2500m3/h。

2）确定压差。根据实际工作情况确定该调节阀前后最大及最小压差。当压载舱空舱时，阀前压力为3.2 bar，阀后压力可认为是0，ΔP最大ΔPmax= 3.2 bar。当压载泵稳定运行后，根据经验最小压差取ΔPmin= 0.3 bar。由此可得，最大及最小CV值分别为CVmax= 6835，CVmin= 1635。

3）查表选择阀门。根据CV值的定义，计算得出的最大及最小CV值应处于阀门的最佳控制角度范围内。即阀门开启30°时对应CV值应小于计算得出的CVmin值，阀门开启70°时对应CV值应大于计算得出的CVmax值。根据厂家阀门CV值表可选择合适的阀门。

查表3可知，DN400、DN450、DN500 3种口径的调节阀均符合CV值范围要求，此时需要根据该口径下的海水流速进一步地筛选。3种口径下流速计算结果见表4。

表3 某厂家调节蝶阀CV值对照表Table 3 Comparison table of CV value of regulating butterfly valve of a manufacturer

根据表4可知，阀门口径越小，海水流经该阀门时的流速越大。而过高的流速不仅会导致阀门局部压力损失较大，还可能造成阀门及关联管路剧烈振动问题。因此，综合考虑后应选择阀门口径为500mm。不同的船舶压载泵流量不同，但其运行工况相似，总结不同项目实际执行过程中经常遇到的运行工况，根据理论计算及运行反馈得出不同压载泵流量对应的最佳调节阀口径，结果见表5。根据表5可快速准确地确定所需阀门口径，节省时间并提高准确度。

表4 海水流速Table 4 Seawater velocity

请注意表5仅针对1台压载泵对应1台过滤器的情况，对于两台或多台压载泵需要共用1台过滤器进行处理的情况，存在多台泵同时运行和仅单台泵运行两种工况。两种工况下流量变化范围较大，正常使用单台调节阀已不能满足系统运行需要。此时应考虑使用两台不同口径的调节阀进行分程控制或选择其它控制方式。

表5 调节阀口径对应压载泵流量的推荐表Table 5 Recommended table for regulating valve size corresponding to ballast pump flow

3 减震措施探讨

在实际执行项目中，部分船舶存在阀门振动剧烈的问题。阀门的振动会导致阀门本体及附近管路产生金属疲劳问题，缩短使用寿命。此外，振动还会导致连接处紧固件松动等问题，最终导致漏水等现象发生甚至影响系统的正常运行。该系统中阀门的振动多是由于调节阀口径的选择不当造成的，当调节阀口径选择偏大时调节阀实际开启角度较小，此时阀板不能稳定地处于设定位置，而是在水流的冲击下左右摆动，最终导致振动发生。

对于已改造项目，更换阀门及连接管路工作量大，无法由船员在船上直接完成，可采取如下管道加固和阀门增加支撑的方式。船舶用气动阀门外形如图2，主要由阀体、手轮、气缸、智能定位器等组成。为方便特殊情况下可以手轮操作，阀门气缸需要与管路方向保持一致，设计院或船厂需根据实际空间及需求选择合适的安装方向，基本安装方向如图3。

图2 阀门外形图Fig.2 Valve outline drawing

当阀门振动时，除了对阀门安装管道进行加固处理外，还应考虑对阀门气缸进行额外加固处理，特别是大口径蝶阀。根据图3阀门气缸不同的安装方向，可采用图4中不同的固定方式。Case1：阀门竖直向上安装，气缸水平，可以利用气缸顶部吊耳加强和气缸下部水平面进行支撑，如图4(a)。实船采取该方式进行加固，未再次发生可明显感知振动情况，有效改善了阀门振动问题。Case2&3：阀门水平布置，气缸水平，可以利用气缸上部吊耳加强和气缸侧平面进行支撑，如图4(b)。Case4&5：阀门竖直布置，气缸竖直，可以利用气缸上部吊耳加强和气缸端面进行支撑，如图4(c)。

图3 阀门安装方向Fig.3 Valve installation direction

图4 阀门支撑加强示意图Fig.4 Schematic diagram of valve support reinforcement

另外，阀门手轮为应急操作时使用，可以从阀门上拆下放置在阀门附近，以减小悬空力矩造成的震动。

此外，还可要求阀门厂家对阀门顶部定位器支撑结构件进行加强以及空气管路进行优化。

对于类似未改造且压载泵扬程较高的船舶，除采用合适口径的气动调节阀及对应管路外，船舶也可采取降低调节阀前后压差方式进行减振，具体如下：

1）采用多级降压方式。在不影响系统正常运行的前提下，压载泵至该气动调节阀之间管路增设1～2个调节阀门，使到达该阀门的压力逐步降低。

2）在管路中增加节流孔板进行降压。在自动反冲洗过滤器出口至气动调节阀之前增加孔板，该孔板仅在使用压载水管理系统时生效，在需要应急压载或排载时可直接旁通滤器，保证船舶安全。

3）压载泵采用回流设计。在压载泵进出口设计一段回流管路以降低压载泵扬程，回流管也仅在使用压载水管理系统进行压载时起作用，其他过程保持关闭。

4 结论

为保证压载水管理系统中自动反冲洗过滤器良好的压差反冲洗效果，过滤器出口宜采用气动调节蝶阀进行流量与压力的控制，针对不同船舶、不同规格的压载泵根据计算及经验反馈给出了推荐调节阀口径大小。对于可能存在的调节阀振动问题，探讨并给出了不同安装情况下的调节阀加固方式及降低压差的方式。