1、第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言全球化经济水平的不断提高，在某种程度上可以促使我国物流运输行业迅猛发展，尤其是海洋运输行业取得了蓬勃发展。但是，海洋运输行业在蓬勃发展的同时，却带来压载水无节制排放风险，给海洋环境造成不良的影响。VLCC 系列原油轮压载水系统的设计和应用可以很好地解决以上问题，通过设计和应用该系统，可以提高压载水处理的高效性、针对性，使得压载水中的有害生物含量降到最低。所以，如何科学地设计和运用VLCC 系列原油轮压载水
2、系统是技术人员必须思考和解决的问题。1 系统整体设计VLCC 系列原油轮压载水系统设计主要包含 2 个环节：1）常规压载水压载功能、卸载功能设计。该环节除了涉及到泵和管路的选型外，还涉及到管路的布置。2）压载水处理系统设计。在这一环节中，结合压载水杀菌灭活处理需求1，严格按照 IMO 相关标准和要求，对压载水处理系统进行科学设计。1.1 压载泵和扫舱泵参数的选取由于油船原油在实际运输中，通常会存在较大的安全风险，所以，需要将独立泵舱安装和设置于机舱和货舱之间，确保相关人员工作区域和原油危险区域的有效VLCC系列原油轮压载水系统的设计及运用罗英隆（上海李氏复大机电科技有限公司，上海 201600
3、）摘 要：为了进一步地提高压载水中有害生物处理的高效性和全面性，故设计一款功能完善、实用性强的 VLCC 系列原油轮压载水系统。首先，从压载泵和扫舱泵参数的选取、压载泵前后管路口径的选取、压载水处理系统的设计等多个方面入手，完成系统整体设计。其次，在初步设计水力旋流器结构的基础上，完成对水力旋流器内固液两相流模型的科学化构建。最后，研究紫外线杀菌器设计。结果表明：本文所设计的 VLCC 系列原油轮压载水系统，主要用到了紫外线杀菌器，提高紫外线辐射计量、紫外线照度，从而获得较高的除藻率，进而有效地降低压载水中有害生物含量，达到保护海洋环境的目的。关键词：VLCC；压载水系统；旋流器；紫外线中图分
4、类号：U674.13+3.1 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.027引用格式罗英隆.VLCC 系列原油轮压载水系统的设计及运用 J.船舶物资与市场,2023,31(1):83-86.收稿日期：2022-10-21作者简介：罗英隆（1990-），男，本科，工程师，研究方向为大型船舶压载水处理系统。划分和隔离。对于泵舱而言，其内部除了用到大量的压载泵外，还用到了货油泵2，这无疑增加了抽吸工作与压载舱之间的差异性。为了进一步地提高管路走向的便捷性，需要将舱底和总用泵统一设置为压载泵。在此基础上，技术人员要参照表 1 的货油系统各泵设备清单，实现对压载泵
5、和扫舱泵参数的有效选取。表 1 货油系统各泵设备清单序号名称数量/台容量/m3(h2.5bar)-11扫舱泵16102压载泵230001.2 压载泵前后管路口径的选取为了降低钢管的腐蚀性，技术人员要加强对压载水管路的应用，同时，将该管路的口径最小值设置为0.516 m，最大值设置为 0.652 m，同时，结合碳钢管标准3，将该系统所用到的泵吸入管道通径、排出管道通径、壁厚分别设置为 550 mm、700 mm、13 mm。1.3 压载系统的管路布置型式油船的横截面如图 1 所示，可以看出，压载舱的上部和底部均处于狭长的区域中，同时，2个压载舱的左边、右边均分布相应的压载总管。压载管布置形式主要
6、有支管式、总管式和管隧式。由于船舱内部没有用到管隧，所以，可以排除管隧式的运用，另外，在应用支管式时，船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 84 要将通径为 550 mm 的管道直接贯穿到压载舱与泵舱之间，这种操作方式无疑会增加管道布置难度4，同时，还会造成管材的大量浪费。所以，为了保证该系统的整体设计质量，技术人员要重视对总管式的运用。图 1 油船的横截面图1.4 压载水处理系统的设计压载水处理系统结构示意图如图2所示，可以看出，该系统主要包含处理部分和控制单元。处理部分主要用于对压载水的杀菌处理，确保经过杀菌处理后的水完全满足 IMO 相关标准和要求。该部分除了涉及到水利旋流器模块外，还
7、涉及到紫外线模块。控制单元主要负责自动化调节阀门作业形态5，通过科学化调节和设置部分工作模式，可以自动化、全面化记录灯管实际运行情况，并精确地显示和标记出现异常问题的灯管位置，同时，还要全面化检测压载水流量，并准确无误地记录和统计各个设备相关参数、操作信息等。图 2 压载水处理系统结构示意图2 水力旋流器设计2.1 水力旋流器结构的初步设计对于水力旋流器而言，主要包含旋流器柱段、溢流口、底流口、旋流器等组成部分，技术人员在初步设计水力旋流器结构期间，在安装 50 m 加滤网的基础上，要重视对以上结构相关参数的设置。1）旋流器柱段直径选择通常情况下，在设计水力旋流器结构期间，技术人员要事先确定水
8、力旋流器柱段直径，然后，对该旋流器构件相关参数进行科学设置6。在本次设置柱段直径期间，要将其柱段直径设置为 420 mm。2）旋流器柱段长度选择通过借助旋流器柱段，可以确保整体分离能力得以大幅度提高，在设计旋流器柱段期间，需要将该柱段的长度设置为 420 mm。3）溢流口直径选择在设置该系统相关参数期间，一旦溢流口直径设置不规范，会降低旋流器的分离效率。旋流直径会随着旋流器分离粒度增加而呈现出不断增加的趋势。但是，当溢流压力不断增加时，溢流直径呈现出不断下降的趋势，溢流口直径计算公式为：D0=(1.25-1.50)Di，（1）式中：Di 为入口尺寸，当入口尺寸为 105 mm 时，经过计算，得
9、出溢流口直径为 140 mm。4）底流口直径选择固液分离旋流器在实际设计中，其底流口直径远远低于溢流口，底流口直径计算公式为：Du=(0.15-1)D0。（2）为了避免底流口出现堵塞问题，需要不断地提高底流口的直径，经过计算，得出底流口直径为 90 mm。5）旋流器锥角选择如果椎体较短，说明旋流器的锥角越大，同时，还能缩短固相分离时间。当锥角不断增加时，旋流器的分离粒度呈现出不断变粗的趋势。通常情况下，旋流器的锥角度最小值为 5、最大值为 20。在设计旋流器锥角期间，技术人员要结合分离粒度情况，将其锥角直接设置为 15。水力旋流器的结构参数如表 2 所示。表 2 水力旋流器的结构参数参数名称数
10、值柱段直径/mm430入口尺寸/mm86141溢流管直径/mm141溢流管壁厚/mm16溢流管插入深度/mm251底流口直径/mm91柱段高度/mm521锥角/()16 2.2 水力旋流器内固液两相流的模型构建在构建几何模型期间，要简化水力旋流器结构，第 1 期 85 并获得如图3所示的切向入口水力旋流器几何模型。同时，还要做好对入口边界、出口边界、壁面条件的设置7，此外，还要将水、泥沙密度分别设置为998.3 kg/m3、2651 kg/m3，并在精确化计算基本相数值的基础上，激活处理欧拉模型，然后，对固-液两相流数值进行精确化计算。图 3 切向入口水力旋流器几何模型3 紫外线杀菌器设计3.
11、1 杀菌器设计1）设计原理参照 UV 照射剂量，对紫外线杀菌器（又称“UV杀菌器”）进行设计，首先，向 UV 杀菌器进口位置处安装导流叶，同时，借助进口导流叶，确保该杀菌器内流体呈现出稳定化旋转状态，不断地提高圆周切向速度，确保流体长时间停留于灯管内8。此外，当水流经过导叶后，会产生扰动并直接转变为湍流，确保水流与紫外线灯管进行充分结合，从而更好地延长光照时间，确保紫外线均匀地照耀到流体表面。2）叶片式导流口结构设计叶片式导流口结构在实际设计中，要重视对叶片截面直径、叶片数、叶片厚度等参数的设置，叶片式导流口的初始参数如表 3 所示。表 3 叶片式导流口的初始参数参数数值叶片截面直径/mm20
12、0叶片厚度/mm8叶片数/片3安装角度/()303.2 基于 Matlab 紫外光照强度与剂量的仿真1）计算原理现阶段，通过利用径向辐射模型，精确地计算 UV强度，同时，结合所制定好的反应器特点，利用径向辐射模型，精确地计算杀菌器内部辐射强度、辐射剂量。在应用径向辐射模型的应用背景下，可以将紫外线类比于线性光源，并做出以下假设：紫外线灯含有较高的辐射能量。通过采用柱面方法，对紫外线灯的辐射能量进行传播。在综合考虑压载水有害生物吸收情况，忽视对污染物反射、空气折射等参数的精确化计算。结合以上 3 种假设，在紫外线中，以圆柱面的方式，均匀地分布单个灯管能量，确保不同柱面上具有相同的紫外线强度，但是
13、，通过对石英玻璃进行有效削弱，实现对紫外线能量的有效控制。在此基础上，还要不断地削弱石英管外表水层，确保紫外线能量直接作用于微生物个体上，然后，结合实际应用需求，针对双重减弱问题，完成对减弱系数的科学设置，确保最终计算结果具有较高的精确性和真实性。最后，还要利用径向辐射模型，对杀菌器 UV 强度进行科学地调整和控制，并借助反应器分布特点，结合所计算的光电累加值，对反应器总光强进行精确化计算，这为后期 UV 杀菌器紫外辐射剂量、辐射强度模拟提供重要的依据和参考。此外，通过Matlab 软件，精确化计算紫外线杀菌器腔体内剂量、光照强度等参数，同时，需要采用光强计算方式，精确化求解点光强度。2）仿真
14、结果分析灯管周边分布较高的紫外辐射剂量，同时，灯管距离较远的位置处，紫外辐射剂量会出现大幅度下降趋势。紫外灯较近位置处通常会分布较强的紫外辐射9，该位置的紫外辐射剂量达到最高，高达 933.2 MJ/cm2。对于紫外线腔体而言，其四周分布较低的紫外辐射剂量。具体仿真结果如表 4 所示。表 4 具体仿真结果参数数值最大辐射剂量/MJcm-2933.2最小辐射剂量/MJcm-226.11平均辐射剂量/MJcm-2274.9最大辐射光强/MWcm-21521.2最小辐射光强/MWcm-234.5平均辐射光强/MWcm-2450.73.3 紫外线除藻实验1）UV 杀菌器在本次实验中，所选用的紫外线杀菌
15、器处理量为 10 m3/h，紫外线灯管为1根。单根紫外线灯管的参数如表5所示。罗英隆：VLCC 系列原油轮压载水系统的设计及运用船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 86 表 5 单根紫外线灯管的参数参数数值管径/mm20弧长/mm1476功率/W321安装长度/mm1555UVC 输出功率/W106石英管透过率/%92UVC 输出光强/uWcm-27512）UV 除藻实验在进行除藻实验期间，首先，要开启和使用紫外等，以起到预热作用，同时，还要对水泵进行开启和使用，然后，以 10 m3/h 流量，将含小球藻水直接导入到 UV 杀菌器中，等小球藻水流量达到稳定状态后，全面地记录和统计出口小球藻
16、所对应的浓度值。对于 UV 杀菌器而言，其功率大小，除了可以直接影响紫外辐照剂量外，还对紫外辐照强度产生了一定的影响。通过科学地调整和控制 UV 杀菌器功率10，可以实现对多组不同功率出口小球藻浓度的精确化测量，然后，全面地记录和统计相关实验结果，不同杀菌器功率下剩余小球藻的浓度值如表 6 所示。表 6 不同杀菌器功率下剩余小球藻的浓度值UV 功率/W藻类浓度个/mL3205.31046405.21049604.910412804.610416004.310419203.910422403.310425602.610428802.1104可以看出，通过采用紫外线照射方式，可以实现对多种藻类生物的有效消杀，同时，藻类生物的消杀效率会随着紫外线功率的增加而呈现出不断增加的趋势，这表明增加光强可以有效地提高藻类生物的消杀效率，同时，单根灯管的除藻效率最高值仅仅达到 66.8%，在理论上，通过适当地增加灯管，可以有效地提高除藻效率，所以，为了确保压载水剂量达到 2.9104 uJ/cm2，当流速处于恒定不变的状态时，通过精确地计算 UVC 灯管数量，可以确保除藻效率达到 100%。4 结语本文
