李中華 蔣大偉 臧大偉 王 穎 張 微 郭元俊

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究院有限公司 大連116005）

引 言

貨油泵是油船上實現(xiàn)貨油卸貨的核心設(shè)備，大型油船貨油泵驅(qū)動方式普遍采用以汽輪機(jī)為主要設(shè)備的蒸汽動力系統(tǒng)，由于復(fù)雜的系統(tǒng)集成及苛刻的可靠性要求［1］，系統(tǒng)方案設(shè)計和設(shè)備配套市場長期被國外設(shè)備公司控制。外包設(shè)計配套只是船舶系統(tǒng)設(shè)計的一部分，也只有與其他設(shè)備系統(tǒng)協(xié)調(diào)匹配才能保證其正常工作。我國造船要實現(xiàn)從大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，船舶關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備配套國產(chǎn)化是大勢所趨。對相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備開展積極研究，對系統(tǒng)配置優(yōu)化和典型故障進(jìn)行分析總結(jié)，具有重要現(xiàn)實意義。

1 故障現(xiàn)象描述

某油船試航時進(jìn)行貨油泵試驗，按照試驗要求，3 臺貨油泵透平應(yīng)能在額定輸出轉(zhuǎn)速下驅(qū)動3臺貨油泵穩(wěn)定工作。試驗開始后，貨油泵透平輸出軸轉(zhuǎn)速隨著蒸汽流量的逐步增大而逐漸升高，當(dāng)3臺貨油泵透平輸出轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，真空冷凝器內(nèi)凝水液位持續(xù)上升而觸發(fā)液位高報警（Tag 1667，VAC.CONDENSER LEVEL ALARM HIGH），從而人為中止試驗。

2 真空凝水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

船舶輔鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽在貨油泵透平中膨脹做功，帶動透平葉輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)，并經(jīng)減速齒輪降速后驅(qū)動貨油泵工作。做功后的透平乏汽進(jìn)入真空冷凝器，在一定的真空度環(huán)境中，在海水持續(xù)冷卻作用下凝結(jié)到真空冷凝器底部。在氣動三通閥控制下，凝水被冷凝水泵輸送至熱井或返回真空冷凝器，保持真空冷凝器中液位平衡，完成系統(tǒng)汽液轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)原理簡圖如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備

2.2.1 貨油泵透平

透平（Turbine），是將流體介質(zhì)中蘊(yùn)有的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的機(jī)器。貨油泵透平就是通過高溫高壓蒸汽膨脹做功，驅(qū)動透平葉片高速旋轉(zhuǎn)并輸出軸功帶動貨油泵工作的設(shè)備。

本船有3 臺貨油泵透平，每臺透平額定輸出容量為1 290 kW×1 330 r/min，其輸出功率與蒸汽耗量關(guān)系曲線如圖2 所示。3 臺貨油泵透平在額定工況下的蒸汽耗量為 13.9×3 = 41.7 t/h，這些蒸汽在膨脹做功后進(jìn)入真空冷凝器。

圖1 真空凝水系統(tǒng)

圖2 透平蒸汽耗量曲線

2.2.2 真空冷凝器

真空冷凝器為殼管式換熱器，殼側(cè)透平乏汽被管側(cè)海水持續(xù)冷卻而凝結(jié)成飽和水，體積驟然縮小，從而在殼側(cè)形成一定的真空度，并通過其附屬的真空抽射器維持真空冷凝器內(nèi)部真空度穩(wěn)定。本船真空冷凝器內(nèi)部真空度約-77.3 kPa.G，查飽和水和飽和水蒸氣熱力性質(zhì)表［2］，可知該壓力下飽和水的溫度約為63℃，這些數(shù)據(jù)是下文AFT 仿真計算的輸入?yún)?shù)。

2.2.3 凝水泵

凝水泵負(fù)責(zé)把真空冷凝器中的凝水抽走，為一用一備工作的2 臺離心泵。凝水泵布置在真空冷凝器下層，為避免離心泵進(jìn)口可能由于集聚空氣而無法正常工作，一般在泵進(jìn)口設(shè)置透氣管連至真空冷凝器殼側(cè)。真空冷凝器凝水液位過低，會影響泵的穩(wěn)定工作并加重葉輪汽蝕。［3］

2.2.4 三通閥液位控制系統(tǒng)

真空冷凝器液位控制系統(tǒng)，主要有以下幾部分組成：氣動三通閥（圖3），氣動定位器（P/P），氣動隔膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，浮球控制器（L/C），如圖4 所示。真空冷凝器內(nèi)，浮球控制器中心高度位于系統(tǒng)設(shè)定的凝水正常工作液位（NWL）。

圖3 氣動三通閥

圖4 液位控制系統(tǒng)原理圖

液位控制系統(tǒng)的工作過程：

（1）三通閥在初始或無氣壓信號狀態(tài)，閥桿閥芯在彈簧力作用下壓緊下方閥座，使接口1-2 相通，凝水泵出水返回真空冷凝器，使其內(nèi)部凝水液面上升；

（2）當(dāng)凝水液面高于正常工作液位（NWL）時，浮球控制器輸出氣壓信號，氣動定位器據(jù)信號將相應(yīng)壓縮空氣送入隔膜執(zhí)行器內(nèi)，氣壓推動隔膜并帶動閥桿閥芯抬升，三通閥接口3 逐漸打開而接口2逐漸關(guān)閉，凝水泵出水駁至熱井，真空冷凝器內(nèi)凝水液面下降；

（3）當(dāng)凝水液面低于正常工作液位（NWL）時，液位控制系統(tǒng)又使三通閥桿閥芯下降，接口1-2 相通，凝水又返回冷凝器使液面上升。

總之，液位控制系統(tǒng)控制三通閥動作，使凝水輸送至熱井或返回真空冷凝器，從而使冷凝器內(nèi)液位在正常工作液位（NWL）上下一定范圍內(nèi)時（低液位報警LAL - 高液位報警LAH）波動，維持凝水液位動態(tài)平衡，保證真空凝水系統(tǒng)正常工作。

2.2.5 熱井

在貨油泵透平蒸汽動力循環(huán)中，熱井為輔鍋爐提供熱水用以產(chǎn)生高壓蒸汽，并接收凝水泵輸送來的真空冷凝器凝水，回收循環(huán)工質(zhì)。

3 故障分析

根據(jù)故障現(xiàn)象及以上分析，初步判斷故障原因可能為：液位控制系統(tǒng)故障，或凝水離心泵實際排量較小。

3.1 液位控制系統(tǒng)故障

液位控制系統(tǒng)故障，如三通閥閥芯卡阻在底端、信號氣壓或驅(qū)動氣壓不足等，使三通閥出水全部或大部分返回冷凝器，液位持續(xù)上升而報警。

對液位控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場拆檢，并對各疑點(diǎn)逐項檢查確認(rèn)，沒有發(fā)現(xiàn)異常。另外，貨油泵透平在較低負(fù)荷運(yùn)行時，真空凝水系統(tǒng)仍能正常工作，也支持了這一觀點(diǎn)。

3.2 凝水離心泵實際流量較小

液位控制系統(tǒng)對凝水液位的穩(wěn)定作用也是有限的，即當(dāng)凝水生成的速度（取決于透平蒸汽流量）與凝水排出的速度（取決于凝水泵排量）需在可調(diào)范圍內(nèi)。如果超出范圍，例如當(dāng)3 臺貨油泵蒸汽流量（13.9×3 = 41.7 t/h）大于凝水泵的實際排量，即便液位控制系統(tǒng)使凝水全部排向熱井，真空冷凝器內(nèi)凝水液面仍會逐漸上升，直至高位報警（LAH），發(fā)生試航時出現(xiàn)的故障現(xiàn)象。

3.2.1 凝水泵實際流量

根據(jù)離心泵揚(yáng)程計算公式［4］和故障發(fā)生時凝水泵進(jìn)出口壓力，可得凝水泵工作揚(yáng)程：

式中：Pd為泵排出壓力，2.1×105Pa；Ps為泵吸入壓力，-0.42×105Pa；ρ為液體的密度，981 kg/m3（@63℃）；g 為重力加速度，9.8 m/s2。

根據(jù)凝水泵出廠實驗特性曲線（圖5），可得其工作揚(yáng)程26.3 m 時的體積流量約38 m3/h（質(zhì)量流量37.2 t/h），小于3 臺貨油泵透平額定蒸汽流量（41.7 t/h）。

圖5 凝水泵出廠實驗特性曲線（原泵）

3.2.2 凝水泵工況點(diǎn)分析

離心泵實際工作的性能參數(shù)不一定等于銘牌上標(biāo)注的額定工況數(shù)值，而是由離心泵和工作管路的特性共同決定的［4］。將離心泵的揚(yáng)程特性曲線和工作管路的特性曲線畫在同一坐標(biāo)圖上，稱為該泵的裝置特性，兩條曲線的交點(diǎn)稱為泵的工況點(diǎn)，如圖6 所示，曲線1 為管路特性曲線，曲線2 為泵的揚(yáng)程特性曲線，交點(diǎn)C為泵工況點(diǎn)。

圖6 離心泵的裝置特性

管路特性曲線用公式表示為［4］：

式中：HST是管路靜壓頭，m；Σh是管路阻力，m；Q是管路液體流量，m3/h；K是比例常數(shù)。

根據(jù)圖6 及式（2），以下情況可造成凝水泵實際流量偏小：

（1）凝水離心泵選型偏小

對于既定管路，如果泵選型偏小，會使泵特性曲線偏低，泵的工況點(diǎn)流量偏小。

（2）管路靜壓頭偏大

對于既定離心泵，如果管路靜壓頭HST偏大，管路特性曲線上移，泵工況點(diǎn)流量偏小。管路靜壓頭包括吸、排液位之間的高度差和壓力差產(chǎn)生的位置頭和壓力頭。熱井和真空冷凝器液位壓力差基本為定值，液位高度差與兩者布置位置高度有關(guān)。

（3）管路阻力偏大

對于既定離心泵，如果管路口徑偏小，或管路臟堵及閥門未完全打開等情況，會使K值變大，管路特性曲線變陡，從而使泵工況點(diǎn)流量偏小。根據(jù)現(xiàn)場拆檢，未發(fā)現(xiàn)管路及閥件臟堵等情況。

3.2.3 AFT 仿真分析

AFT Fathom 是一款真實流體的動態(tài)模擬分析軟件，可計算不可壓縮流體和低速氣體管網(wǎng)的壓降及流量分配等，近年來在造船行業(yè)應(yīng)用越來越多。

在AFT Fathom 軟件中對真空冷凝系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)系統(tǒng)原理、設(shè)備管路三維模型、設(shè)備資料等，搭建AFT 仿真模型，設(shè)置系統(tǒng)流體壓力、溫度等參數(shù)，輸入真空冷凝器及熱井位置高度、液位壓力，凝水泵流量揚(yáng)程數(shù)據(jù)，閥件的流量系數(shù)［5］，管路口徑及長度等信息，運(yùn)行模型得到仿真結(jié)果。根據(jù)分析需要，分別對以下情況進(jìn)行仿真：

（1）既有系統(tǒng)模型

既有真空凝水系統(tǒng)中，真空冷凝器、凝水泵、三通控制閥等主要設(shè)備由貨油泵廠家選型并提供，管路及閥件口徑也按廠家要求，結(jié)合三維管系模型搭建仿真模型，運(yùn)行仿真結(jié)果見圖7 和圖8。

圖7 仿真界面-既有系統(tǒng)

圖8 凝水泵工況點(diǎn)

根據(jù)仿真計算，在既有凝水泵選型參數(shù)（50 m3/h×25 m）下，泵的工況點(diǎn)流量為36.0 m3/h（質(zhì)量流量35.3 t/h），小于3 臺透平額定工況下凝水量（41.7 t/h），會發(fā)生實船故障現(xiàn)象。

（2）降低熱井布置高度

對于既有系統(tǒng)仿真模型，若降低熱井布置高度，如從二平臺（16 370 A/B）降到三平臺（11 200 A/B），其他條件不變，進(jìn)行仿真計算，得到凝水泵的工況點(diǎn)流量為46.0 m3/h（質(zhì)量流量45.1 t/h），大于3 臺透平額定工況下凝水量（41.7 t/h）。

圖9 仿真界面-降低熱井布置高度

（3）增大三通閥到熱井管路口徑

對于既有系統(tǒng)仿真模型，三通閥到熱井管路口徑為DN80，加大管路及板式止回閥口徑并進(jìn)行仿真對比，結(jié)果參見表1。

表1 管路及閥件口徑對凝水泵流量影響

由表1 可知，增大三通閥到熱井管路及板式止回閥口徑可增加凝水泵工況點(diǎn)流量，當(dāng)兩者口徑增大至DN100，凝水泵質(zhì)量流量（45.1 t/h）可大于3臺透平額定工況下的凝水量（41.7 t/h）。

4 故障解決

4.1 修改方案

根據(jù)以上理論及仿真分析可知，要增大凝水泵的工況點(diǎn)流量，有以下兩種方案，一是增大泵的選型參數(shù)；二是減小系統(tǒng)管路阻力或靜壓頭，如增大管路口徑或降低熱井布置高度等。經(jīng)船東、船廠、設(shè)備廠家共同商議研究，綜合考慮方案可行性、交船時間限制、修改施工量等因素，最終選擇加大凝水泵及板式止回閥的方案。

根據(jù)貨油泵廠家核算，新泵的額定參數(shù)為50 m3/h×30 m，根據(jù)新泵的出廠實驗特性曲線（圖10），同時將板式止回閥從DN80 加大到DN100，再次對系統(tǒng)進(jìn)行AFT 仿真，仿真結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

圖10 凝水泵出廠實驗特性曲線（新泵）

圖11 仿真界面（新泵）

圖12 凝水泵工況點(diǎn)（新泵）

仿真結(jié)果中，新泵的工況點(diǎn)流量為48.6 m3/h（質(zhì)量流量47.7 t/h），大于貨油泵透平最大凝水流量41.7 t/h。

4.2 實船驗證

實船按既定方案修改后再次進(jìn)行試驗，當(dāng)3臺貨油泵透平達(dá)到額定輸出轉(zhuǎn)速時（1 330 r/min），真空凝水系統(tǒng)工作正常。

此時凝水泵進(jìn)口壓力-0.45×105Pa，出口壓力2.41×105Pa，根據(jù)離心泵揚(yáng)程公式（1），求得工作揚(yáng)程約29.7 m，根據(jù)新泵出廠實驗特性曲線，獲知此時凝水泵的實際流量約50 m3/h，即泵的實際工況點(diǎn)參數(shù)接近額定參數(shù)。

圖13 貨油泵透平輸出轉(zhuǎn)速

4.3 反思總結(jié)

（1）船廠設(shè)計與設(shè)備廠家之間要加強(qiáng)溝通及核查。尤其對廠家打包設(shè)計，廠家要明確與船廠相關(guān)設(shè)計輸入的要求及確認(rèn)，船廠設(shè)計要加強(qiáng)對打包設(shè)計的學(xué)習(xí)研究及審查核對。

圖14 新凝水泵進(jìn)出口壓力

（2）利用仿真工具對系統(tǒng)設(shè)計和三維模型進(jìn)行校驗，及時發(fā)現(xiàn)問題并給出解決方案或建議。制系統(tǒng)、離心泵等典型設(shè)備，各設(shè)備既有獨(dú)立功能，又緊密配合協(xié)同工作。本文結(jié)合實船凝水液位高位報警故障案例，重點(diǎn)對凝水液位自動平衡邏輯、離心泵工況點(diǎn)特性進(jìn)行分析，并結(jié)合AFT Fathom流體仿真軟件對故障原因和解決方案進(jìn)行分析。文章對以后船舶真空凝水系統(tǒng)綜合配置、仿真校核以及對于故障分析和排查提供了理定的理論依據(jù)參考。

5 結(jié) 語

真空凝水系統(tǒng)作為透平蒸汽動力循環(huán)重要組成部分，包含貨油泵透平、真空冷凝器、液位控