蔡 潔 鄭福都

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

4 800標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船燃油閉式溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蔡 潔 鄭福都

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

主要對(duì)燃油閉式溢流系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)進(jìn)行分析，并以4 800標(biāo)準(zhǔn)箱（TEU）集裝箱船為例，設(shè)計(jì)其燃油閉式溢流系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行阻力計(jì)算，為以后相似系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供計(jì)算參考。

閉式溢流系統(tǒng)；阻力計(jì)算

引 言

燃油采用閉式溢流設(shè)計(jì)是既能保證燃油艙加滿(mǎn)油又能避免燃油從空氣管頭溢出而導(dǎo)致船舶污染的一種燃油注入、艙柜透氣和溢流管系設(shè)計(jì)方法。

閉式溢流系統(tǒng)包括燃油艙、注入管、溢流管、溢流艙、加油站的監(jiān)控設(shè)備及一些連接管路、閥件和附件。

為防止燃油注入時(shí)，溢流管路形成外加動(dòng)態(tài)阻力產(chǎn)生的壓力，導(dǎo)致油艙承受的總壓力超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，閉式溢流系統(tǒng)需要進(jìn)行阻力計(jì)算。

1 燃油閉式溢流型式與特點(diǎn)

燃油閉式溢流系統(tǒng)將注入管系、溢流管系和透氣管作為一個(gè)整體來(lái)考慮，因此閉式溢流系統(tǒng)的加油站應(yīng)能對(duì)加油操作實(shí)施集中控制和監(jiān)視，為此注油管路按規(guī)范要求配置相應(yīng)的設(shè)備和儀表。［1-2］采用閉式溢流系統(tǒng)的油艙以溢流管取代常規(guī)空氣管的功能，從而大大減少甲板上空氣管數(shù)量，利于管路布置。燃油艙溢流管管徑通常按照注入管的1.25倍設(shè)計(jì)，溢流總管管徑可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)放大，但最終需根據(jù)閉式溢流計(jì)算后的結(jié)果來(lái)確定。

1.1 型 式

按控制和監(jiān)視方法及系統(tǒng)配置不同，GL將燃油閉式溢流分為I、II、III組三種型式。［2］

（1）系統(tǒng)配置監(jiān)視裝置，注油時(shí)通過(guò)減少加油速率來(lái)防止油艙超壓。

（2）系統(tǒng)配置壓力限制裝置（如溢流閥）。注油時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)油艙液位達(dá)到高液位，系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)開(kāi)啟溢流閥，燃油通過(guò)溢流閥溢至溢流艙，從而防止油艙超壓。

（3）系統(tǒng)配置壓力限制裝置（如溢流閥）且燃油艙配有自動(dòng)控制的注油閥。注油時(shí)，當(dāng)燃油艙液位達(dá)到高液位時(shí)，系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)溢流閥開(kāi)啟，燃油通過(guò)溢流閥溢至溢流艙，從而防止油艙超壓。

按布置型式的不同，燃油閉式溢流有兩種型式：一種為溢流總管型，該設(shè)計(jì)適用于燃油艙布置較集中的船舶，如圖1所示。

圖1 溢流總管型燃油閉式溢流系統(tǒng)圖

從圖1中可以看出：油艙的溢流管兼作空氣管，為防止一個(gè)油艙的油溢流進(jìn)入另一個(gè)油艙，各艙的溢流管以一根高于溢流總管的彎管與溢流總管上部相連，為了燃油順暢流入燃油溢流艙，系統(tǒng)可以在溢流總管上設(shè)置空氣管頭。［3］燃油注排油時(shí)油艙的透氣通過(guò)溢流總管和燃油溢流艙上所設(shè)置的空氣管頭實(shí)現(xiàn)，燃油通過(guò)溢流總管溢向燃油溢流艙，一般溢流總管應(yīng)布置在破艙水線(xiàn)之上。

另一種型式為燃油就地閉式溢流，該設(shè)計(jì)適用于燃油儲(chǔ)存艙布置較為分散的船舶，如圖2所示。

由于燃油艙布置較分散，采用溢流總管型的方式會(huì)因溢流總管過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致管路沿程阻力損失較大，溢流總管難以布置，增加投資成本等問(wèn)題，采用就地式溢流可以很好地解決此問(wèn)題。就地式閉式溢流的燃油溢流艙通常緊鄰燃油艙布置，燃油可通過(guò)溢流管溢至就近的溢流艙，采用就地式溢流系統(tǒng)不用設(shè)計(jì)燃油溢流總管，布置較為靈活。

圖2 就地式燃油閉式溢流系統(tǒng)圖

1.2 優(yōu) 點(diǎn)

相比常規(guī)溢流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，燃油閉式溢流有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）燃油閉式溢流系統(tǒng)取消了每個(gè)燃油艙獨(dú)立的空氣管，僅需要在溢流總管上設(shè)置空氣管，減少了空氣管的數(shù)量，大大有利于管路的布置。

（2）采用燃油閉式溢流系統(tǒng)，在注入時(shí)，燃油不會(huì)通過(guò)空氣管溢出，避免燃油溢出至危險(xiǎn)區(qū)域或造成環(huán)境污染，從而將燃油操作置于監(jiān)管之下，提高了安全性。［4］

2 4800標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船燃油閉式溢流系統(tǒng)阻力計(jì)算

2.1 阻力計(jì)算

燃油閉式溢流系統(tǒng)必須進(jìn)行阻力計(jì)算，以保證注入時(shí)儲(chǔ)存油艙承受的壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力。

燃油注入時(shí)，燃油艙承受的壓力主要由動(dòng)壓和靜壓兩部分組成。動(dòng)壓包含兩部分：一部分是燃油沿管子流動(dòng)時(shí)因燃油粘度而產(chǎn)生的沿程阻力損失，另一部分是因燃油在經(jīng)過(guò)管路彎頭、分叉、異徑等流道邊界形狀發(fā)生急劇變化的地方而產(chǎn)生的局部阻力損失。靜壓則是由于管路輸送的燃油高度而產(chǎn)生的，計(jì)算公式如下：

最后燃油注入時(shí)儲(chǔ)存油艙承受的壓力不應(yīng)大于油艙的設(shè)計(jì)壓力。

2.2 基本情況及阻力計(jì)算

該集裝箱船入GL船級(jí)社，燃油溢流系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足GL燃油閉式溢流系統(tǒng)的要求。

船上一共設(shè)置7個(gè)燃油儲(chǔ)存艙，其中1號(hào)燃油艙（左/右）、2號(hào)燃油艙（左/右）及3號(hào)燃油艙（左/右）分散布置于貨艙之間，4號(hào)燃油艙則緊鄰機(jī)艙前壁。該船燃油艙布置較分散，從管系布置和船舶成本控制的角度出發(fā)，該船對(duì)前三對(duì)燃油艙設(shè)置了相應(yīng)單獨(dú)的溢流艙，采用就地式閉式溢流的方法進(jìn)行溢流設(shè)計(jì)。由于4號(hào)燃油艙緊鄰機(jī)艙，4號(hào)燃油艙的溢流管布置在機(jī)艙前壁（即油艙后壁）靠近燃油艙艙頂，燃油可直接溢流進(jìn)布置在機(jī)艙雙層底的燃油溢流泄放艙，燃油艙在溢流艙的上方，溢流時(shí)基本不會(huì)對(duì)燃油艙產(chǎn)生附加動(dòng)態(tài)壓力。機(jī)艙內(nèi)燃油日用艙和燃油沉淀艙由于布置位置的關(guān)系，單獨(dú)設(shè)置溢流管。圖3為該集裝箱船燃油就地式閉式溢流系統(tǒng)圖。

該船B甲板左右兩舷各設(shè)置1個(gè)加油站，燃油注油總管配置壓力表、溫度計(jì)、濾器。加油站配置電話(huà)、加油站報(bào)警板和加油站儀表板、加油說(shuō)明書(shū)等，以保證整個(gè)注油系統(tǒng)處于受控狀態(tài)。為了便于注油操作和管理，燃油艙配置遙控蝶閥注油，注油管路上設(shè)有安全閥以防止注油系統(tǒng)超壓。圖4為該集裝箱船燃油注油示意圖。

圖3 燃油閉式溢流系統(tǒng)圖

圖4 燃油注油示意圖

根據(jù)該船管路布置情況，選擇溢流管規(guī)格為DN = 0.3 m，若按照最大加油速率加油至結(jié)束（800 m3/h），根據(jù)閉式溢流阻力估算，2號(hào)燃油艙（右）將會(huì)超壓。因此該船燃油儲(chǔ)存艙液位設(shè)有高位報(bào)警（90%）和超高位報(bào)警（98%），注油時(shí)先以最大加油速率對(duì)每個(gè)燃油艙分別進(jìn)行注油至90%，當(dāng)報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，停止本艙加油，進(jìn)行下一個(gè)艙的加油。當(dāng)所有燃油艙的液位均達(dá)到90%時(shí)，注油停止。然后轉(zhuǎn)入補(bǔ)油操作，將燃油艙逐個(gè)以補(bǔ)油速率補(bǔ)油至98%，當(dāng)報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，停止該艙補(bǔ)油，當(dāng)所有燃油艙液位均達(dá)到98%時(shí)，補(bǔ)油停止。該船通過(guò)設(shè)置燃油艙液位報(bào)警點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)船舶注油過(guò)程，當(dāng)達(dá)到高液位后轉(zhuǎn)入補(bǔ)油速率補(bǔ)油，從而保證船舶加油安全。

該船主要參數(shù)如下：

加油速率： Q1= 800 m3/h

補(bǔ)油速率：Q2= 150 m3/h

燃油黏度： v = 700 cst（50℃時(shí)）

燃油密度：ρ = 980 kg /m3

燃油艙注入管徑：DN = 0.25 m

燃油艙溢流管徑：DN = 0.3 m

燃油溢流管內(nèi)徑：di= 0.305 m

對(duì)于4 800標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船，從燃油艙的布置位置來(lái)看，1號(hào)燃油艙（右）距離溢流泄放艙的位置最遠(yuǎn)，管路沿程阻力最大，2號(hào)燃油艙（右）與3號(hào)燃油艙（右）溢流管承受靜壓相同，比其他幾個(gè)艙大，因此計(jì)算中需計(jì)算1號(hào)燃油艙（右） 和2號(hào)燃油艙（右）的阻力。根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合圖5對(duì)1號(hào)燃油艙（右）進(jìn)行溢流阻力計(jì)算。

圖5 1號(hào)燃油艙（右）閉式溢流系統(tǒng)圖

燃油溢流速度：

式中：L1為燃油溢流管長(zhǎng)度，約4.92 m。

燃油溢流管距燃油艙底部高度H 為13.66 m（其中燃油艙高度Hi=12.955 m）。

燃油艙承受的靜壓：

圖6 2號(hào)燃油艙(右)閉式溢流系統(tǒng)圖

根據(jù)以上參數(shù)，結(jié)合圖6對(duì)2號(hào)燃油艙（右）進(jìn)行溢流阻力計(jì)算：燃油

溢流速度：

管子阻力系數(shù)：

局部阻力系數(shù)：

溢流出口： ζ1= 0.5

90°彎頭： ζ2= 0.25管子沿程阻力損失：

式中：L2為 燃油溢流管長(zhǎng)度，約2.396 m。

燃油溢流管距油艙底部高度H為18.756 m（其中燃油艙高度Hi=17.92 m）。

燃油艙承受的靜壓：

3 結(jié) 論

本文以4 800標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船為例，設(shè)計(jì)其燃油閉式溢流系統(tǒng)，阻力計(jì)算結(jié)果表明，根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的燃油閉式溢流系統(tǒng)，選用DN 為0.3 m的溢流管，燃油注入時(shí)，油艙不會(huì)超壓。

在燃油閉式溢流系統(tǒng)中，應(yīng)將燃油注入、透氣和溢流系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)考慮，只有合理考慮閉式溢流系統(tǒng)和溢流管管徑并選擇合適的閉式溢流系統(tǒng)型式并對(duì)其進(jìn)行阻力計(jì)算，才能使船舶加油更加安全可靠。

［1］張富明，張舒蓉.閉式燃油溢流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.船舶，1999（3）：36-43.

［2］GL. Rules & Guidelines［M］. 2013.

［3］張富明，王英.16 500 m3液化氣體船燃油閉式溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶工程，1999（2）：32-34，62.

［4］楊軼.空氣溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2006（3）：38-40.

Design of closed fuel oil over fl ow systems for 4 800 TEU ship

CAI Jie ZHENG Fu-du
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the composition and characteristics of the closed fuel oil over fl ow system. Taking a 4 800 TEU ship as an example, it designed the closed fuel oil over fl ow system, and calculated the resistance, thus providing calculation reference for the design of similar systems.

closed over fl ow system; resistance calculation

U664.81+2

A

1001-9855（2014）04-0066-05

2014-01-20 ；

2014-02-18

蔡 潔（1982-），女，碩士，工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)。 鄭福都（1974-），男，高級(jí)工程師，研究方向：輪機(jī)設(shè)計(jì)。