朱志鵬，朱漢華，門 皓，李昭輝

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

燃油加注系統(tǒng)是供油船完成燃油補給和調(diào)駁的重要組成部分，其中駁油管路的瞬態(tài)特性對于燃油加注系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要影響[1]。一般將由于管道內(nèi)燃油流速的快速變化引發(fā)的瞬變稱為水錘現(xiàn)象。因為空氣閥的結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、方便在復(fù)雜的船舶管網(wǎng)系統(tǒng)中安裝，正常運行時也可以排出管路中的氣體，所以，為了避免由于快速關(guān)閥而產(chǎn)生劇烈的壓力波動對管路系統(tǒng)造成損壞，選擇在駁油管路系統(tǒng)中加入空氣閥。為了獲得最佳的水錘防護特性，展開對空氣閥的位置安裝及口徑選擇的研究。對管路系統(tǒng)的水錘特性分析及防護措施研究最先是從國外開始的。Helmholtz研究指出管道中壓力波速與管道的彈性有關(guān)[2]。Train提出空氣閥快速填充和慢速填充的兩階段充氣，經(jīng)過實驗和計算對比分析，合理地預(yù)測氣閥關(guān)閉引起的壓力波動[3]。國內(nèi)對管路系統(tǒng)水錘特性及防護研究開始的較晚。汪建基于計算流體力學(xué)的方法對管路系統(tǒng)的關(guān)閥水錘現(xiàn)象進行研究，發(fā)現(xiàn)了容性結(jié)構(gòu)對管路系統(tǒng)壓力脈動的傳遞和衰減規(guī)律[4]。趙星明、趙興忠、王振國等通過正交試驗優(yōu)化兩階段關(guān)閥時間和關(guān)閥度，結(jié)合長距離管路容易發(fā)生二次彌合性水錘的特點,研究了可行的水錘防護措施[5]。

1 供油船燃油加注系統(tǒng)駁油管路

供油船燃油加注系統(tǒng)是供油船重要的動力系統(tǒng)，駁油管路是保證供油船海上正常航行的重要管路系統(tǒng)，對油艙進行燃油調(diào)駁以保證供油船正常航行的需要以及正常的燃油裝卸。該系統(tǒng)由離心泵、連接件、閥件及管路等元件組成。多由油艙出口匯至同一根總管，離心泵位于油箱各出口等距處。某供油船加注系統(tǒng)駁油管路示意圖如圖1所示。

圖1 某供油船加注系統(tǒng)駁油管路示意圖

全船一共16個油艙，均勻?qū)ΨQ分布在供油船的兩側(cè)，各油箱出口與管道、閥門連接，經(jīng)過環(huán)狀集油管并通過各支管連接至2臺并聯(lián)的離心泵，再通過離心泵連接至集油管，通過控制各支路的閥門來控制油箱燃油的調(diào)駁。

2 駁油管路瞬態(tài)分析模型與方法

2.1 壓力波的計算方程

駁油管路水錘特性是指管路中一些流量控制元件快速變化，例如快速關(guān)閥、失電停泵等，導(dǎo)致管道中燃油流速發(fā)生急劇變化。這種急劇變化會導(dǎo)致正負(fù)交替的壓力波動，影響著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為過高的壓力沖擊、局部出現(xiàn)負(fù)壓、管道振動噪聲、汽蝕等。水錘特性分析最根本是壓力波動的分析，壓力波動是因為流體的動能、流體和管壁的應(yīng)力勢能之間相互轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的。壓力波動是以壓力波的形式進行傳遞，在任何包含運動流體(或該流體能夠產(chǎn)生運動)流過管道或通道系統(tǒng)中，都可以產(chǎn)生壓力波。

當(dāng)閥門快速關(guān)閉時，產(chǎn)生的壓力波在管道中沿上游和下游傳播。此時，在流體擾動處的壓力變化最大，壓力變化量可以由儒科夫斯基公式得到：

Δp=ρaΔv,

(1)

式中， Δp為壓力變化量，N/m2；ρ為流體密度，kg/m3；a為壓力波波速，m/s；Δv為流體速度變化，m/s。

其中壓力波波速計算公式如下：

(2)

式中，k為流體體積模量，N/m2；d為管道內(nèi)徑，m;l為管道厚度，m;E為管道材料楊氏模量，N/m2；Φ為管道抑制因子。

由水錘理論可知，管道內(nèi)的壓力波動是周期性變化的，波動周期T的計算公式為：

T=4L/a，

(3)

式中，L為管段長度，m。

2.2 數(shù)值仿真建模

以圖1中不同油箱調(diào)駁管路模型作為瞬態(tài)水錘模型進行研究，利用Flowmaster軟件進行建模，選取的模型組件包括離心泵、閘閥、彎頭和彈性圓管等。計算模型為不可壓縮瞬態(tài)模型，建立相應(yīng)的駁油管路仿真模型，駁油管路仿真模型示意圖如圖2所示。

圖2 駁油管路仿真模型示意圖

圖2中節(jié)點1、2分別為控制閥前后的節(jié)點，閥門開度控制元件能控制閘閥關(guān)閉的時間，達(dá)到模擬閥門關(guān)閉的過程，以控制燃油的調(diào)駁。

2.3 數(shù)值仿真邊界條件設(shè)置

關(guān)閥狀態(tài)下，駁油管路仿真模型邊界條件與參數(shù)如表1所示，本仿真的控制對象是閘閥，通過控制元件控制閘閥分別在1 s、2 s、3 s、4 s、5 s內(nèi)開度由全開變成全閉，分析在此過程中調(diào)駁系統(tǒng)水錘的變化，用來模擬真實情況下燃油調(diào)撥時關(guān)閥的水錘現(xiàn)象。仿真起始時間為0，結(jié)束時間為10 s，時間步長設(shè)置為0.001 s。

表1 關(guān)閥狀態(tài)下，駁油管路仿真模型邊界條件與參數(shù)

3 駁油管道水錘分析

3.1 關(guān)閥時間長短對水錘影響分析

分別研究在不同關(guān)閥時間下，節(jié)點1壓力變化隨時間變化曲線。根據(jù)仿真的計算結(jié)果做出節(jié)點1壓力隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 節(jié)點1壓力隨時間變化曲線

圖3中(a)～(e)分別為節(jié)點1在1 s～5 s內(nèi)關(guān)閥過程中的壓力變化圖。由圖3(a)可知，關(guān)閥時間為1 s時，節(jié)點1壓力從關(guān)閥的時候便開始發(fā)生變化，關(guān)閥前節(jié)點壓力為0.2 MPa。閥門在1 s時完全關(guān)閉，此時節(jié)點壓力發(fā)生急劇變化，最大變?yōu)?.49 MPa，管內(nèi)燃油先出現(xiàn)水柱分離，壓力變?yōu)?1.9 MPa，然后水柱彌合壓力迅速升高，壓力呈現(xiàn)上下振蕩且幅度逐漸減弱。大約在第6 s的時候，壓力平穩(wěn)在1.1 MPa，說明此時壓力波動已經(jīng)結(jié)束。如圖3(b)～(e)所示，隨著關(guān)閥時間的增加，壓力波動逐漸減弱，且都在6 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

節(jié)點1最大壓力隨關(guān)閥時間變化圖見圖4，能夠更加直觀地看出關(guān)閥時間對節(jié)點壓力的影響。由圖4可以看出，關(guān)閥時間在1 s和2 s時，節(jié)點1壓力較大，最大壓力較大時會對管道閥門造成嚴(yán)重的水力沖擊。3 s以上時，節(jié)點1最大壓力已經(jīng)減小。隨著關(guān)閥時間的延長，節(jié)點1壓力減小并且變化速率也在逐漸減小。說明增加關(guān)閥時間可以有效減小水錘沖擊，并且對短時間關(guān)閥影響較大。

圖4 節(jié)點1最大壓力隨關(guān)閥時間變化圖

3.2 空氣閥安裝位置對水錘防護影響分析

由3.1可知，駁油管路的水錘壓力波動隨關(guān)閥時間增加而減小，但是有些特殊情況下并不適合延長關(guān)閥時間。空氣閥可以在水柱分離的時候迅速進氣，避免負(fù)壓的產(chǎn)生。補充的空氣也可以在水柱彌合的時候進行一個緩沖，避免二次彌合性水錘，因此，選擇在駁油管路中安裝空氣閥。為了研究空氣閥的安裝位置對水錘的影響，現(xiàn)將空氣閥先后設(shè)置在節(jié)點1和節(jié)點2處，分析空氣閥適合安裝的位置?？諝忾y口徑選取Dv=50 mm。

參考圖2，分別計算空氣閥安裝在節(jié)點1和節(jié)點2時，控制閥在1 s內(nèi)關(guān)閉閥前節(jié)點壓力的變化。計算發(fā)現(xiàn)空氣閥安裝在節(jié)點1處可以有效消除管內(nèi)負(fù)壓，而安裝在節(jié)點2處并不能消除負(fù)壓，空氣閥安裝在節(jié)點1處時壓力變化如圖5所示。在1 s關(guān)閥之后，管內(nèi)水柱分離，空氣閥通過進氣能夠有效消除管內(nèi)的負(fù)壓。隨后在水柱彌合過程中，因為排氣過快，節(jié)點壓力有所上升。但整體的壓力波動也比不加空氣閥要小很多。

圖5 空氣閥安裝在節(jié)點1處時壓力變化圖

3.3 空氣閥口徑對水錘防護影響分析

改變空氣閥口徑進行水錘模擬計算，分析最有益于消除負(fù)壓和抑制水錘升壓的口徑值?？諝忾y口徑最大取值按照實際工程常用方法，即取管徑的1/8(Dv=30 mm)，同時還分析Dv分別為10 mm、20 mm、40 mm、50 mm、60 mm時的水錘防護效果，空氣閥口徑不同時節(jié)點1壓力圖如圖6所示。

圖6 空氣閥口徑不同時節(jié)點1壓力圖

由圖6可以看出，隨著空氣閥口徑的減小，節(jié)點1最大壓力也在減小。但是節(jié)點1最小壓力在口徑減小至40 mm以下后出現(xiàn)了負(fù)壓。這是因為空氣閥口徑影響其進排氣的速率?？趶竭x取太大，會使水柱彌合的過程中排氣過快，容易引起二次彌合水錘；口徑選取太小，在水柱斷裂時滿足不了進氣要求，仍然會產(chǎn)生負(fù)壓。所以對空氣閥口徑的選取應(yīng)當(dāng)滿足進氣的需要，同時減小排氣速率。

4 結(jié)束語

本文通過Flowmaster仿真軟件分析了燃油加注系統(tǒng)駁油管路水錘特性，計算了不同時間關(guān)閥的閥前節(jié)點壓力隨時間變化關(guān)系。并提出對管路系統(tǒng)加入空氣閥的防護措施，分析空氣閥安裝位置和口徑對水錘防護的影響，可得出如下結(jié)論。

1)隨著關(guān)閥時間的增加，節(jié)點1壓力變化逐漸減小，水錘沖擊依次減弱，分別在6 s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此可以通過增加關(guān)閥時間來減小管路系統(tǒng)的水錘沖擊。

2)在控制閥前加入空氣閥，可以有效消除水柱斷裂所產(chǎn)生的負(fù)壓，但過快的排氣可能產(chǎn)生更大的壓力。

3)空氣閥口徑的不同影響其進排氣效率，口徑太大導(dǎo)致管道排氣過快，容易生成二次彌合水錘；口徑太小導(dǎo)致管道進氣不及時，在水柱斷裂時仍會產(chǎn)生負(fù)壓。