(南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226006)

2018年某新造船安裝的開(kāi)式脫硫系統(tǒng)在調(diào)試時(shí)發(fā)生洗滌塔內(nèi)高液位報(bào)警，繼而系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。經(jīng)排查，確定洗滌水排放管的設(shè)計(jì)不能保證洗滌水順利排出。

洗滌水排放管的設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下。

1)重力式泄放，水流動(dòng)力完全來(lái)源于脫硫塔安裝高度和船舶最大吃水的勢(shì)能差(即靜壓頭)。一般脫硫塔會(huì)布置在主甲板以上位置的煙囪里，其位置與船舶最大吃水的高度差不會(huì)太大。

2)船舶機(jī)艙設(shè)備多，空間有限，洗滌水排放管布置復(fù)雜，彎頭使用過(guò)多，管道壓降大。

3)管路走向總體下降，最好有一定的傾斜角度，方便水流順利流動(dòng)，布置難度大。

4)為保證脫硫效果，開(kāi)式系統(tǒng)的海水量較大(大于45 m3/MW·h)[1]，致使主管路管徑較大，排放管內(nèi)徑小。

5)排舷外管內(nèi)徑小。脫硫系統(tǒng)的洗滌水排放pH值計(jì)算公式是根據(jù)湍流噴射原理[2]得出。計(jì)算結(jié)果為每個(gè)排舷外管內(nèi)徑最大為150 mm，雷諾數(shù)必須大于4 000，這樣就能保證洗滌水排放口4 m外的pH值不低于6.5。

所以管內(nèi)流速高。高流速下的管道壓降較大；并且當(dāng)大管道變?yōu)楹苄〉墓艿罆r(shí)，管路壓降也會(huì)增大。

6)流量控制閥的流量系數(shù)值需要計(jì)算準(zhǔn)確。如果閥門(mén)選擇偏小，無(wú)法滿足最大流量要求，管內(nèi)液位升高，直至洗滌塔內(nèi)的液位傳感器報(bào)警和脫硫系統(tǒng)關(guān)閉。反之，閥門(mén)選大，閥板開(kāi)度稍微變化，就引起流量很大的變動(dòng)，管內(nèi)液位無(wú)法保證在設(shè)定范圍，而且閥門(mén)開(kāi)度調(diào)整頻率很大，會(huì)減少閥門(mén)的使用壽命。

為了處理好以上問(wèn)題，需全面了解洗滌水重力式泄放原理。首先要確定洗滌水重力式泄放管的布置形式；然后以某船設(shè)計(jì)參數(shù)和某種型號(hào)的脫硫系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立計(jì)算模型，進(jìn)行管道壓降和流量控制閥尺寸計(jì)算;根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定產(chǎn)生管道壓降的主要部件。

1 洗滌水排放管布置形式

將重力式泄放管布置形式分為以下三種[3]。

1)管路布置為S形，如圖1所示。這樣的管路容易在高點(diǎn)形成氣囊，水流無(wú)法在氣囊部位完全充滿管道，此處相當(dāng)于管子的內(nèi)徑變小。

圖1 S形管路

另外，液體中混有一定量的空氣。隨著壓力的逐漸降低，液體中的氣體溶解度會(huì)變小，生成氣泡。當(dāng)氣泡潰裂時(shí)，氣體高速撞擊管道內(nèi)表面，產(chǎn)生氣蝕。

2)大管徑管路，如圖2所示，管子為大管徑，可以完全容納最大排水量，并有很大的富裕，管子路徑為總體下降趨勢(shì)，管道內(nèi)的氣體可以自由逆流而上排出(氣體需占用部分管道空間)，沒(méi)有氣囊形成，水流可以順利的流出。

圖2 大管徑管路

但是這種方案需要大口徑管子和更多的空間來(lái)布置，非常不經(jīng)濟(jì)。假如使用小管徑的管子，當(dāng)水量較少時(shí)，水流能順利通過(guò)，但是當(dāng)水量突然變大或變小時(shí)，管道內(nèi)液體就會(huì)夾雜著空氣流動(dòng)，很多氣泡擠占管道空間，并因?yàn)闅怏w密度小，會(huì)有上升的趨勢(shì)，就會(huì)阻礙管道內(nèi)流體的順利流出。

3)控制閥控制管路，布置如圖3所示，由于壓力傳感器和開(kāi)度調(diào)節(jié)閥的控制，流體完全充滿管道。當(dāng)排水量突然變小時(shí)，管道內(nèi)液位會(huì)降低，壓力傳感器會(huì)控制閥門(mén)使其開(kāi)度變小，通過(guò)閥門(mén)的流體減少，使得液面恢復(fù)到設(shè)定范圍。反之，當(dāng)水量變大時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度變大，保證管道的液位始終保持在一定高度范圍。這種方案是比較經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的，不易形成空氣囊，可以始終保持管道流體順利通行。

圖3 控制閥控制管路

目前各大脫硫設(shè)備廠家基本都是選用第三種排放方式。

2 計(jì)算與分析

2.1 建立計(jì)算模型

洗滌塔安裝在煙囪里；連接洗滌塔的主管道為DN500；流量控制閥預(yù)估管徑為DN300，安裝在主管道，并布置在最低水線高度；排放管為兩個(gè)DN150的小管，并布置在船舶最低吃水線以下200 mm。計(jì)算模型見(jiàn)圖4，計(jì)算工況見(jiàn)表1。

圖4 計(jì)算模型

海水泵流量/(m3·h-1)850洗滌塔安裝高度/m基線以上29.7最大吃水/m基線以上18.4最小吃水/m基線以上9.7

為了模擬跟船上實(shí)際管路布置較為一致的場(chǎng)景，需假設(shè)一定數(shù)量的彎頭和異徑接頭。

2.2 計(jì)算壓力損失

常用管道(液體充滿)壓降計(jì)算公式為：

(1)

式中：Δp為摩擦壓力損失,kPa/m;f為摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；Q為流量,m3/h；D為管道內(nèi)徑,mm。

閥門(mén)和管附件的壓降計(jì)算一般有兩種方法：閥門(mén)或管附件的等效長(zhǎng)度或者阻力系數(shù)K[4]。但是阻力系數(shù)K的使用是有條件的，就是流體需處于湍流狀態(tài)。

計(jì)算得出整個(gè)管路的壓降為0.080 3 MPa。

2.3 確定壓降的主要部位

重力式泄放管道的壓力損失主要集中在彎頭、三通、變徑、管道進(jìn)/出口處、小管道蝶閥和小管徑(即末端排舷外管處，管內(nèi)徑為150 mm)。具體見(jiàn)表2。

表2 壓降占比

2.4 分析洗滌水是否能順利排出

表1表明，脫硫塔的安裝高度為船舶基線以上29.7 m，船舶最大吃水為船舶基線以上18.4 m，所以重力式泄放管的靜壓頭為11.3 m，考慮1 m的安全余量(發(fā)動(dòng)機(jī)功率突變引起泵流量突變，同時(shí)流量控制閥反應(yīng)的滯后，引起液位高度的變化，預(yù)留1 m的安全高度)，所以最終選擇的靜壓頭為10.3 m，即0.103 6 MPa。

由壓降計(jì)算結(jié)果可知，0.103 6 MPa大于0.080 3 MPa，所以泄放水可以順利流出。

2.5 計(jì)算流量控制閥通徑大小

為了確定流量控制閥的通徑，需要計(jì)算流量控制閥的流量系數(shù)值。流量調(diào)節(jié)閥的大小對(duì)管路壓降有影響，但同時(shí)管道的壓降也影響流量調(diào)節(jié)閥的選擇，進(jìn)而影響連接管的大小。

由脫硫廠家對(duì)流量控制閥安裝要求，放在船舶最小吃水線高度為宜，又因?yàn)樵撻y為蝶閥，閥體厚度不大，所以環(huán)境海水靜壓頭對(duì)流量控制閥的作用很小，可忽略。

脫硫系統(tǒng)廠家確認(rèn)洗滌水泄放溫度為45～50 ℃(計(jì)算按照50 ℃)，可查得該溫度下海水蒸汽壓力0.012 1 MPa，密度1 014 kg/m3，黏度0.594×10-3Pa·s，臨界壓力221 MPa[5]；蝶閥臨界流量系數(shù)取值0.6，海水流量為850 m3/h。

由壓降計(jì)算可知，流量控制閥進(jìn)/出口壓差為0.023 MPa。

流量控制閥流量系數(shù)CV計(jì)算公式為

(2)

式中：CV為閥流量系數(shù)；d為比重(淡水為0.988 04、50 ℃，海水為1.026、50 ℃)；qm為質(zhì)量流量，乘以1 000 kg/h；Δp為流量控制閥上下游壓差，105Pa。

計(jì)算可知，該流體流過(guò)流量控制閥時(shí)為亞臨界狀態(tài)，未出現(xiàn)閃蒸。按照式(2)計(jì)算結(jié)果并考慮操作系數(shù)，得到CV為2 943。

根據(jù)某蝶閥廠家提供的閥門(mén)選擇表格，可選擇DN200管徑的閥門(mén)。因?yàn)?.1節(jié)管路壓降計(jì)算的時(shí)候假設(shè)使用的閥門(mén)的尺寸是DN300，所以泄放管路壓降需要重新計(jì)算。

重新計(jì)算得出管路總壓降為0.115 2 MPa，超過(guò)了洗滌水泄放的總靜壓頭0.103 6 MPa，所以DN200的流量控制閥不合適。

選取DN250的流量控制閥重做壓降計(jì)算，得出管路壓降為0.088 5 MPa，此時(shí)流量控制閥的壓降為0.015 1 MPa，閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下的CV=3 651，選擇DN250的閥門(mén)可行。

所以泄放管路中需要把流量控制閥改成DN250的閥門(mén)。其尺寸相比DN500的總管小很多，因此流量控制閥也貢獻(xiàn)了較大的壓降。更為關(guān)鍵的是流量控制閥的尺寸不能選小了。

3 設(shè)計(jì)對(duì)策

1)增大靜壓頭。船舶的最大吃水是無(wú)法改變的，若要增加重力式泄放的靜壓頭，就需要提高洗滌塔的安裝位置，選擇合適的高度。同時(shí)需綜合考慮船舶穩(wěn)性，該型號(hào)洗滌塔濕重約49 t，如果位置太高，需要校核船舶穩(wěn)性和船舶重心。

2)優(yōu)化泄放管布置。在設(shè)計(jì)允許的情況下，優(yōu)先保證重力式泄放管的布置，使管道盡量短、彎頭盡量少。如果初始管徑比末端管徑大很多的，變徑需要多級(jí)漸變，不可突變。經(jīng)計(jì)算表明，突變的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漸變。

3)如有可能，管路盡量設(shè)計(jì)一定的傾斜角度。如果空間受限，至少要保證管路沒(méi)有“倒置U”，避免氣囊形成。

4)選用摩擦系數(shù)小又耐酸性腐蝕的玻璃鋼管。相對(duì)碳鋼涂塑管，可以選擇管徑稍小點(diǎn)的玻璃鋼管。減少了占用的空間。

5)盡量減少末端小管徑管子的長(zhǎng)度。每增加1 m的末端管子，壓降增加0.002 3 MPa。

絕對(duì)限制末端管子附件數(shù)量。壓降計(jì)算顯示，如果小管上再增加兩個(gè)90°彎頭，壓降會(huì)增加0.01 MPa，可能導(dǎo)致泄放水無(wú)法順利排出，最終導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。

6)如果整個(gè)管道壓降過(guò)大，可以適當(dāng)增大調(diào)節(jié)閥的管徑，以減少閥門(mén)的壓降。但是需要注意的是這樣會(huì)損失部分控制精度。

4 結(jié)論

1)正常情況下，管道尺寸是引起管道壓降的最直接因素，應(yīng)該貢獻(xiàn)最大的壓降，而管附件和閥門(mén)只會(huì)貢獻(xiàn)少量的壓降。但是，重力式泄放管道則不同，主管道尺寸一般選擇較大，管道長(zhǎng)度盡量短，如表2可知，管附件、閥門(mén)和管道進(jìn)/出口反而貢獻(xiàn)了最大的壓降。

2)通過(guò)分析脫硫開(kāi)式系統(tǒng)泄放水管的布置方式，從而確定了壓降計(jì)算公式，打消了重力式泄放完全不能用壓力管道計(jì)算方式計(jì)算的顧慮。

3)流量控制閥Cv計(jì)算過(guò)程中并未考慮兩端的異徑接頭。異徑接頭所引起的流體變形，對(duì)CV值有一定的影響，需要進(jìn)一步的探討。