4 800标准箱集装箱船燃油闭式溢流系统设计研究

蔡 洁 郑福都

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

4 800标准箱集装箱船燃油闭式溢流系统设计研究

蔡 洁 郑福都

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

主要对燃油闭式溢流系统的组成、特点进行分析，并以4 800标准箱（TEU）集装箱船为例，设计其燃油闭式溢流系统，并对其进行阻力计算，为以后相似系统设计提供计算参考。

闭式溢流系统；阻力计算

引 言

燃油采用闭式溢流设计是既能保证燃油舱加满油又能避免燃油从空气管头溢出而导致船舶污染的一种燃油注入、舱柜透气和溢流管系设计方法。

闭式溢流系统包括燃油舱、注入管、溢流管、溢流舱、加油站的监控设备及一些连接管路、阀件和附件。

为防止燃油注入时，溢流管路形成外加动态阻力产生的压力，导致油舱承受的总压力超过设计压力，闭式溢流系统需要进行阻力计算。

1 燃油闭式溢流型式与特点

燃油闭式溢流系统将注入管系、溢流管系和透气管作为一个整体来考虑，因此闭式溢流系统的加油站应能对加油操作实施集中控制和监视，为此注油管路按规范要求配置相应的设备和仪表。［1-2］采用闭式溢流系统的油舱以溢流管取代常规空气管的功能，从而大大减少甲板上空气管数量，利于管路布置。燃油舱溢流管管径通常按照注入管的1.25倍设计，溢流总管管径可以根据实际情况适当放大，但最终需根据闭式溢流计算后的结果来确定。

1.1 型 式

按控制和监视方法及系统配置不同，GL将燃油闭式溢流分为I、II、III组三种型式。［2］

（1）系统配置监视装置，注油时通过减少加油速率来防止油舱超压。

（2）系统配置压力限制装置（如溢流阀）。注油时，当储油舱液位达到高液位，系统在报警的同时开启溢流阀，燃油通过溢流阀溢至溢流舱，从而防止油舱超压。

（3）系统配置压力限制装置（如溢流阀）且燃油舱配有自动控制的注油阀。注油时，当燃油舱液位达到高液位时，系统在报警的同时溢流阀开启，燃油通过溢流阀溢至溢流舱，从而防止油舱超压。

按布置型式的不同，燃油闭式溢流有两种型式：一种为溢流总管型，该设计适用于燃油舱布置较集中的船舶，如图1所示。

图1 溢流总管型燃油闭式溢流系统图

从图1中可以看出：油舱的溢流管兼作空气管，为防止一个油舱的油溢流进入另一个油舱，各舱的溢流管以一根高于溢流总管的弯管与溢流总管上部相连，为了燃油顺畅流入燃油溢流舱，系统可以在溢流总管上设置空气管头。［3］燃油注排油时油舱的透气通过溢流总管和燃油溢流舱上所设置的空气管头实现，燃油通过溢流总管溢向燃油溢流舱，一般溢流总管应布置在破舱水线之上。

另一种型式为燃油就地闭式溢流，该设计适用于燃油储存舱布置较为分散的船舶，如图2所示。

由于燃油舱布置较分散，采用溢流总管型的方式会因溢流总管过长而导致管路沿程阻力损失较大，溢流总管难以布置，增加投资成本等问题，采用就地式溢流可以很好地解决此问题。就地式闭式溢流的燃油溢流舱通常紧邻燃油舱布置，燃油可通过溢流管溢至就近的溢流舱，采用就地式溢流系统不用设计燃油溢流总管，布置较为灵活。

图2 就地式燃油闭式溢流系统图

1.2 优 点

相比常规溢流系统的设计，燃油闭式溢流有以下两个优点：

（1）燃油闭式溢流系统取消了每个燃油舱独立的空气管，仅需要在溢流总管上设置空气管，减少了空气管的数量，大大有利于管路的布置。

（2）采用燃油闭式溢流系统，在注入时，燃油不会通过空气管溢出，避免燃油溢出至危险区域或造成环境污染，从而将燃油操作置于监管之下，提高了安全性。［4］

2 4800标准箱集装箱船燃油闭式溢流系统阻力计算

2.1 阻力计算

燃油闭式溢流系统必须进行阻力计算，以保证注入时储存油舱承受的压力不超过设计压力。

燃油注入时，燃油舱承受的压力主要由动压和静压两部分组成。动压包含两部分：一部分是燃油沿管子流动时因燃油粘度而产生的沿程阻力损失，另一部分是因燃油在经过管路弯头、分叉、异径等流道边界形状发生急剧变化的地方而产生的局部阻力损失。静压则是由于管路输送的燃油高度而产生的，计算公式如下：

最后燃油注入时储存油舱承受的压力不应大于油舱的设计压力。

2.2 基本情况及阻力计算

该集装箱船入GL船级社，燃油溢流系统应满足GL燃油闭式溢流系统的要求。

船上一共设置7个燃油储存舱，其中1号燃油舱（左/右）、2号燃油舱（左/右）及3号燃油舱（左/右）分散布置于货舱之间，4号燃油舱则紧邻机舱前壁。该船燃油舱布置较分散，从管系布置和船舶成本控制的角度出发，该船对前三对燃油舱设置了相应单独的溢流舱，采用就地式闭式溢流的方法进行溢流设计。由于4号燃油舱紧邻机舱，4号燃油舱的溢流管布置在机舱前壁（即油舱后壁）靠近燃油舱舱顶，燃油可直接溢流进布置在机舱双层底的燃油溢流泄放舱，燃油舱在溢流舱的上方，溢流时基本不会对燃油舱产生附加动态压力。机舱内燃油日用舱和燃油沉淀舱由于布置位置的关系，单独设置溢流管。图3为该集装箱船燃油就地式闭式溢流系统图。

该船B甲板左右两舷各设置1个加油站，燃油注油总管配置压力表、温度计、滤器。加油站配置电话、加油站报警板和加油站仪表板、加油说明书等，以保证整个注油系统处于受控状态。为了便于注油操作和管理，燃油舱配置遥控蝶阀注油，注油管路上设有安全阀以防止注油系统超压。图4为该集装箱船燃油注油示意图。

图3 燃油闭式溢流系统图

图4 燃油注油示意图

根据该船管路布置情况，选择溢流管规格为DN = 0.3 m，若按照最大加油速率加油至结束（800 m3/h），根据闭式溢流阻力估算，2号燃油舱（右）将会超压。因此该船燃油储存舱液位设有高位报警（90%）和超高位报警（98%），注油时先以最大加油速率对每个燃油舱分别进行注油至90%，当报警产生时，停止本舱加油，进行下一个舱的加油。当所有燃油舱的液位均达到90%时，注油停止。然后转入补油操作，将燃油舱逐个以补油速率补油至98%，当报警产生时，停止该舱补油，当所有燃油舱液位均达到98%时，补油停止。该船通过设置燃油舱液位报警点来监测船舶注油过程，当达到高液位后转入补油速率补油，从而保证船舶加油安全。

该船主要参数如下：

加油速率： Q1= 800 m3/h

补油速率：Q2= 150 m3/h

燃油黏度： v = 700 cst（50℃时）

燃油密度：ρ = 980 kg /m3

燃油舱注入管径：DN = 0.25 m

燃油舱溢流管径：DN = 0.3 m

燃油溢流管内径：di= 0.305 m

对于4 800标准箱集装箱船，从燃油舱的布置位置来看，1号燃油舱（右）距离溢流泄放舱的位置最远，管路沿程阻力最大，2号燃油舱（右）与3号燃油舱（右）溢流管承受静压相同，比其他几个舱大，因此计算中需计算1号燃油舱（右） 和2号燃油舱（右）的阻力。根据以上参数，结合图5对1号燃油舱（右）进行溢流阻力计算。

图5 1号燃油舱（右）闭式溢流系统图

燃油溢流速度：

式中：L1为燃油溢流管长度，约4.92 m。

燃油溢流管距燃油舱底部高度H 为13.66 m（其中燃油舱高度Hi=12.955 m）。

燃油舱承受的静压：

图6 2号燃油舱(右)闭式溢流系统图

根据以上参数，结合图6对2号燃油舱（右）进行溢流阻力计算：燃油

溢流速度：

管子阻力系数：

局部阻力系数：

溢流出口： ζ1= 0.5

90°弯头： ζ2= 0.25管子沿程阻力损失：

式中：L2为 燃油溢流管长度，约2.396 m。

燃油溢流管距油舱底部高度H为18.756 m（其中燃油舱高度Hi=17.92 m）。

燃油舱承受的静压：

3 结 论

本文以4 800标准箱集装箱船为例，设计其燃油闭式溢流系统，阻力计算结果表明，根据本文所设计的燃油闭式溢流系统，选用DN 为0.3 m的溢流管，燃油注入时，油舱不会超压。

在燃油闭式溢流系统中，应将燃油注入、透气和溢流系统作为一个整体来考虑，只有合理考虑闭式溢流系统和溢流管管径并选择合适的闭式溢流系统型式并对其进行阻力计算，才能使船舶加油更加安全可靠。

［1］张富明，张舒蓉.闭式燃油溢流系统的设计［J］.船舶，1999（3）：36-43.

［2］GL. Rules & Guidelines［M］. 2013.

［3］张富明，王英.16 500 m3液化气体船燃油闭式溢流系统设计［J］.船舶工程，1999（2）：32-34，62.

［4］杨轶.空气溢流系统设计［J］.船舶，2006（3）：38-40.

Design of closed fuel oil over fl ow systems for 4 800 TEU ship

CAI Jie ZHENG Fu-du
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper analyzes the composition and characteristics of the closed fuel oil over fl ow system. Taking a 4 800 TEU ship as an example, it designed the closed fuel oil over fl ow system, and calculated the resistance, thus providing calculation reference for the design of similar systems.

closed over fl ow system; resistance calculation

U664.81+2

A

1001-9855（2014）04-0066-05

2014-01-20 ；

2014-02-18

蔡 洁（1982-），女，硕士，工程师，研究方向：轮机设计。 郑福都（1974-），男，高级工程师，研究方向：轮机设计。