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2 000 t沥青运输船液货系统设计

2007-01-28

船海工程 2007年3期
关键词:热油螺杆泵滤器

武汉船舶职业技术学院 武汉 430050

我国高速公路建设迅猛发展,大量沥青需从国外进口,液态沥青运输船近年来得到了较快的发展。

华中航运集团公司先后将两条2 300 t散货船改造成为2 000 t的江海直达沥青运输船。液货系统是改造的重点。

1 沥青的运输要求

液态沥青在装卸和运输过程中,要求始终处于加热状态,使沥青保持适宜的粘度。一般要求粘度在100~200 cst,此时沥青适宜温度一般在160 ℃左右。不同品种沥青,其适宜温度不同,改性沥青适宜温度高达175 ℃。因此,沥青船的液货系统与一般油船不同,除货油管路外,还必须要有保温加热系统、伴热管路、特殊的扫线管路等。此外,由于水与沥青接触会汽化,使沥青起泡,因此必须防止液货系统渗水。

2 保温加热系统设计

2.1 保温设计

2 000 t沥青运输船在货油区设有两个独立沥青罐,每罐分为左、右两舱,一号罐左右舱容积均为513 m3,二号罐左右舱容积均为570 m3。沥青罐和管路外选用新型优质防水矿棉作绝热包扎材料,其导热系数小于或等于0.043 W/(m·K)。综合考虑安装空间、安装工艺、保温要求等因素,选取保温层厚度为100 mm。经实船测试,罐内沥青平均温降小于2.5 ℃/天,保温层厚度与保温材料的导热系数达到了比较理想的匹配。

2.2 加热系统设计

沥青适宜温度最高达180 ℃,其加热介质温度应在200 ℃以上,选用热油加热系统,与传统的蒸汽加热系统比较,具有如下主要优点:

1) 热效率高。用热油加热时,系统介质不存在相变,而热油的热载荷大大高于水蒸气,所以热油锅炉的热效率高,发热量大;而且热油系统采用闭路循环,加热效果好,热能损耗小。

2) 安全可靠。200 ℃时水蒸气压力为1.6 MPa,而在热油加热系统中,系统压力可保持在0.1 MPa左右,对设备压力等级要求低;热油对钢管的腐蚀性较水为小,其管路较蒸汽系统寿命长;水蒸气泄漏遇到沥青可能引起爆炸,热油万一泄漏,系统压力会很快下降,能及时发现。

3) 体积小、重量轻。这对改造船尤其重要。

热油加热系统应在热油锅炉额定负荷的80%左右运行比较合理,考虑到船舶运输时沥青的短时加温需要及一定的裕度,在选型时,热油锅炉额定负荷应为需热量的1.4~1.5倍。

改装船配备两台YYW-600(50)Y型燃油热油锅炉,额定热功率为600 kW,一用一备,此外还配有两台热油循环泵、注油泵、膨胀箱、油气分离器、储油舱、热油分配器、过滤器以及管路和控制仪表、阀件等。锅炉舱位于船首主甲板下。

2.3 加热及伴热管系

罐内沥青用蛇形盘管加热,各舱加热管分上、下两层布置,每层为一回路,下层距舱底0.5 m,上层位于舱的中部距舱底3.5 m;在沥青驳运管的吸入口附近,适当加密盘管,对吸入口处的沥青加快升温,以利沥青的抽吸。加热管必须有足够的换热面积(即长度),保证在规定的温度下,能将锅炉满负荷热量传递给沥青,其值由计算确定。系统供回油温度为230 ℃、200 ℃,实取通径50 mm、总长约1 200 m的加热盘管。

为避免沥青在装卸管中温度下降,沥青粘度加大甚至失去流动性,在罐外装卸管、沥青泵、滤器等处设置热油伴热管。

伴热管的形式有多种。第一艘船采用导热胶泥方式,即在通径200 mm装卸管外下部伴以两根通径25 mm热油管(如图1所示),伴热管与主物料管之间填充导热胶泥,外再敷以保温材料。导热胶泥有较强的粘合力,较高的传热系数,能极大地提高热传导效率,从而保证了主物料管路受热均匀,输送流畅。这种方式加工简单、维修方便、可靠性高,但初投资较高。

图1 导热胶泥敷设断面示意

第二艘船采用更简单的内插管方式,即在主物料管中插入一根通径32 mm热油管,热油管靠近主物料管底部。这种方式热效率高、初投资小,但加工复杂;还应注意提高热油管材级别,主物料管内的热油管不能有焊缝和接头,以保证可靠性。

两种方式的实际使用效果令人满意。

3 装卸系统设计

3.1 沥青泵组选型

螺杆泵和齿轮泵都可以作沥青泵。

齿轮泵结构简单、价格低廉,但振动和噪声大,一般用于低压、小流量的场合,目前仅在个别小型沥青船有应用,排量在150 m3/h以下。

常用螺杆泵有单、双、三螺杆泵[1]。单螺杆泵采用橡胶泵缸,流量小,不能用于高温液体;三螺杆泵不宜输送含杂质的液体,价格也高,一般不选择这两种类型螺杆泵。

双螺杆泵流量范围大,流量均匀,工作平稳,噪声和振动较小,适用的粘度范围较广,具有较强的自吸能力;采用同步齿轮传动,泵的转动零件互不接触,即使短时间干转动也没有危害,可以输送含固体杂质的液体,且能汽液混输。因此,双螺杆泵最适合作沥青泵。

设计时,沥青泵转速应限制在1 500 r/min以下,以减小振动,增加自吸能力;流量按卸货时间(10~20 h)要求来选取;泵的压头需根据装卸港口实际情况,经过管路阻力计算之后再确定,一般取0.6~1.5 MPa。每船配2~3台沥青泵。

沥青泵组中原动机的常见类型有柴油机、多速电机、单速电机,几种类型各有利弊。

双螺杆泵流量与压力或粘度无关,转速不变,其理论流量也不变,排出压力升高,驱动功率成比例增加,而流量变化甚微,所以,该泵不能用调节排出阀开度的大小来调节流量。

柴油机在工作范围内速度和功率可任意调节,用作原动机的沥青泵组,可方便地调节流量和排出压力,操作管理方便、适应性强;且启动可靠、迅速,运行效率高。但柴油机初投资费用高,安装复杂,要求较大的安装空间。

以单速电机作原动机,泵组的流量为定量,调节流量只能采用回流调节法,即通过改变旁通回流阀开度,调节主管路实际流量。该类型泵组初投资少,安装方便,所需空间小,设计工况效率高。缺点是操作管理复杂,启动要求高,要有足够的电站容量,变流量工作时,部分功率浪费于回流上,经济性较差。

多速电机泵组则介于柴油机和单速电机之间。

沥青船专用程度较高,运输品种和停靠港口相对固定,变流量工作情况较少,单速电机方案基本能满足使用需要。

综合考虑以上因素,选用单速电机驱动双螺杆泵方案。实船泵舱布置在船首底部,设双螺杆沥青泵组两台,一用一备,型号W7.3Z-130-ZOMbW81,电机转速为950 r/min,粘度为1 500 mm2/s时,排量194.6 m3/h, 扬程0.8 MPa,电机功率90 kW。该泵采用双壳加热套结构型式,可对泵内沥青加热。采用金属波纹管密封装置,工作温度可高达320 ℃。实船营运中,曾成功地直接对载量20 m3沥青车进行灌装,表明该泵组完全能满足使用需要。

3.2 装卸管系设计

沥青船一般为中小型船,运量、航线相对固定,因此,装卸管系采用装卸货共用同一套管路的集中式,系统结构简单、操作方便、成本低。

管路布置有环形总管式和线形总管式两类[2]。根据沥青船的特点,应采用布置简单、操作方便而机动性略差的线形总管式。线形总管式又有单线、双线等型式。第一艘船采用舱外双线总管式(图2中虚线部分),两根总管布置在沥青罐外,便于管系安装、维修,可靠性较高。第二艘船则采用更简单的舱内单线总管式(如图2所示),全船设一根穿过沥青罐的总管,一方面可以减少总管长度、节约材料;另一方面由于总管大部分在罐内,这部分总管可不设伴热管,既节省伴热管及包扎材料,又节约能源。

图2 沥青装卸系统原理

采用这种方式,罐内管系及阀件质量要求高,具有较高的可靠性。

由于沥青船采用有自吸能力的螺杆泵作货油泵,没有设单独扫舱系统,清舱工作直接由装卸干管完成。为保证留舱残油尽可能少,沥青罐内设有吸油井,吸口布置在吸油井内,并尽可能接近井底。但应注意保证吸口周围有足够的流通面积。此外,操作时要执行相关的操作规程,注意利用船舶纵倾和横倾来扫清沥青罐。实船营运证明,这种方式完全能满足沥青船扫舱需要,罐内沥青残留量小于0.2%。

4 其它

沥青装卸完毕后,为防止残余沥青冷却后堵塞管道,必须对整个装卸管系进行清扫,即扫线。由于蒸汽会使沥青发生乳化,严重影响沥青的质量,且高温沥青遇水会发泡甚至爆炸,因此,使用压缩空气作为装卸管系扫线的介质,压缩空气压力一般为0.4 MPa,需要量通过计算确定,至少保证扫线空气瓶的容量满足一次扫线的需要。实船选用两个容积1.0 m3,压力1.0 MPa的扫线空气瓶。

设计时应注意沥青泵吸入滤器的选型,选型不当,往往会导致吸入阻力增大,以致系统效率下降,严重时系统甚至无法正常工作。应选择带加热套的滤器,以保证滤器内的沥青具有较低的粘度。为防止滤器堵塞,不能使用普通油滤器的滤网,在满足沥青泵要求[3]的前提下,滤网的目数应尽可能小,改装船选择了8目规格的滤网。

此外,应在装卸管路中适当处设置放气阀,排除管路中空气,以免沥青泵吸入大量空气而产生气穴、振动和噪声。装卸管路弯头应尽量少,尤其不要有“U”形弯管,以防沥青在管路内沉积。

[1] 李之义,胡国梁,胡甫才. 船舶辅助机械[M]. 北京:人民交通出版社,2002.

[2] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册[M]. 北京:国防工业出版社,1999.

[3] 费 千. 船舶辅机[M]. 大连:大连海事大学出版社,1998.

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