某型船油水代换系统设计和试验方法改进探讨

王凤良王一帆

（1. 驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海200129；2. 中船重工第七O四研究所 上海200072）

某型船油水代换系统设计和试验方法改进探讨

王凤良1王一帆2

（1. 驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室 上海200129；2. 中船重工第七O四研究所 上海200072）

油水代换系统是解决舰艇因燃油消耗而引起的稳性下降的主要方法，在国内外潜艇上已有多年成功应用经验，自20世纪末也被极少量国内水面舰船所采用。某型船由于代换过程复杂、试验时油量浪费大，以及用户担心其可靠性等原因，导致该系统长期闲置。文中根据国内某型船已有的油水代换系统进行传感器可靠性相关试验，基于试验结果和借鉴俄罗斯潜艇的成功经验，对该船油水代换系统的设计、试验和使用等提出了四项优化改进措施，以提高该型船油水代换系统的可靠性、经济性及操作便利性，以使该系统最终能在国内水面舰船上发挥广泛有效的作用。

油水代换；传感器；稳性；续航力；改进措施

引 言

压载舱通常在必要时可提高舰船稳性，但同时会占有一定的舰船空间，限制了舰船携带燃油的能力，而燃油储存量是提高舰船续航力的主要限制因素。尤其是对使命任务特殊、舰船尺度和吨位固定时，又要求具有较强续航力的船舶，燃油、淡水等消耗液体与舰船稳性之间的矛盾就更为突出［1-2］。

在不能有足够压载水舱以压载水的形式来补充液体消耗带来稳性损失的情况下，油水代换系统是解决该类问题的一个有效方案［1］。油水代换系统是指舰船在燃油消耗过程中，通过不断地向燃油舱底部注入等量海水，使得船舶液态装载基本不随燃油消耗而减少，最终保持整体稳性不随着燃油消耗而下降，并可减少燃油兼压载舱的自由液面，减少燃油舱上方的油气混合空间，提高舰船的稳性及航行安全性能。

目前，国际上对污水排放的要求日趋严格。国内舰艇由于污水舱较少，致使生活污水排放成为困扰出访官兵的一大难题。若在舰船上使用油水代换系统，在总体设计时便可将节省出来的压载舱用作生活污水舱，从而有效增加生活污水舱容量，解决燃眉之急。

1 国内外现状

美国在20世纪80年代就已经在水面战斗舰艇上设计并使用油水代换系统，如DD963、CG-47、DDG-51，这样可以保证液舱始终处于“满”载，消除自由液面的不利影响和提高稳性［3］，同时，基于提高船舶稳性，该系统也有助于对船舶实施有效的姿态调整作业［4-5］。20世纪90年代，国内某型船也已设计安装油水代换系统，但经调研发现，由于代换过程的不可见性以及担心海水进入动力系统，该系统长期闲置。用户把油水代换舱作为普通的燃油舱使用，导致资源浪费和技术滞后［6-7］。

为促进油水代换系统的发展，解决用户担心的技术风险，本文首先介绍国内某型船的油水代换系统，并根据在该型船上进行相关实验，针对实验试验中发现的问题，借鉴引俄潜艇中油水代换系统的成功经验，对油水代换系统的设计和使用提出四点改进措施以供探讨。

2 某型船油水代换系统的组成与工作原理

国内某型船的油水代换系统采用并联式［1］，包括燃油代换舱（7、9、10号）、燃油聚集舱（8号）、膨胀舱、燃油受油舱（1、2号）。其组成如图1所示。

（1）膨胀舱：海水首先进入膨胀舱，膨胀舱与代换舱保持一个高度差，进入膨胀舱的海水利用高度差自流入代换舱对燃油进行代换。为了使膨胀舱保持一个恒定的水位，膨胀舱设有一个溢流口。

（2）燃油代换舱：将海水注入该类舱代换出动力系统运行所需要消耗的燃油。该类舱开始时充满燃油，随着代换的进行，逐渐充满海水。

（3）燃油聚集舱：利用燃油和海水的比重差沉淀分离海水。系统运行时各代换舱的燃油首先进入此舱以沉淀分离燃油中可能混入的海水，沉淀分离后的燃油送入日用燃油舱。为保障系统安全，不能将海水代换进入该舱。

（4）接收受油舱：聚集舱中的燃油再进入接收受油舱，再由接收受油舱转运到日用油舱。接收受油舱也可以作为加装燃油时的注入油舱。

该代换主要工作过程为：海水先进入膨胀舱，然后溢流到一个代换舱底部，将该舱燃油从上部顶出而进入聚集舱，然后被输送到受油舱。当一个燃油舱代换完成后，关闭该舱代换系统，进行下一舱代换，直至代换舱完成。其中，从理论上讲代换速率只需要满足该船两台主机和三台辅机的最大油耗（约2.5 t/h），据此确定本船的油水代换速率为3.5 t/h。 选用的海水泵排量为25 t/h、压头为0.25 MPa，通过该泵的出口阀开度调节，达到流量计显示的代换速率流量要求。代换舱组及其附件均涂H87防腐材料，以防止海水腐蚀。

为提高油水代换系统作业的安全性，设置油水代换监测监控系统，包括油水界面测量装置、油水介质传感器、油份浓度计、流量控制装置、控制显示箱等。该系统可以实时监测代换舱的燃油与海水存量，反映代换舱中油水分界面的位置，油水代换过程是否正常，油舱残留海水量是否在安全限制范围之内，以确保油水代换系统与正常使用燃油系统的工作安全。油水介质传感器可识别油、海水和空气三种介质，用于识别底舱安装位置处的介质情况。控制系统可以根据界面传感器测量的数据，实时识别油水的液位和界面高度，计算油水质量。控制面板内直观显示代换舱和聚集舱内的油水情况、海水泵工作状态、设定流量和实测流量以及代换总量等，以便准确掌握代换进程。

7号～10号燃油舱（兼海水代换舱）各设置有一个油水界面传感器和油水介质传感器，分别实时监测油水代换舱的液位以及油水界面和代换舱底部极限位置的油水介质情况。油水界面传感器采用导波雷达界面计测量液面和液位，测量范围0.26～4.5 m，在船舶稳态时的测量精度为±20 mmFS。在膨胀舱的顶部和底部各设置有一个油水介质传感器，实时测量膨胀舱顶部和底部极限位置的油水情况，掌握膨胀舱的工作状态。另外，在由燃油聚集舱出来的净燃油通往1号和2号燃油储存舱的中间设置有一个流量表，实时监测代换速率，作为调整进入膨胀舱的海水速率的参考依据。在代换海水排舷外处安装有一个测量范围为0～30 ppm的油分浓度计，防止含油超标海水排入海里，当排水含油率超过设定值15 ppm时发出声光报警。

为确保对整个系统代换过程进行可靠监控，系统同时配备两套便携式油水气界面测量仪；其测量精度高于所安装的油水界面传感器，可在一定程度上对在线的介质、界面传感器测量进行校准或判断，保证在线测量系统故障情况下提供一种冗余备份的测量手段，这是保障代换过程准确可靠的另一种手段。

为避免残留海水过多随燃油一起进入日用油舱，专门在代换舱设置了海水吸干系统，使用该系统可确保燃油舱的残留海水量始终在正常安全使用低限值之下，以保证燃油系统在常规使用方式时的使用安全。

3 试验方法改进与效果验证

某型船因目前采用并联式代换系统，该系统结构比串联方式复杂［1］，也增加了试验和使用的复杂性；同时，由于代换舱水平截面大（几十平方米）、船体倾斜等致使试验时间长、油量浪费大等状况，为解决上述问题，在该型船系统试验时，将其系统试验方法作了简化改进（如下页图2所示）。

该船采用介质和界面检测两种传感器，首先验证介质传感器的灵敏性和准确性。把约5 kg燃油和约5 kg淡水分别放入两个桶内，然后把燃油和淡水混合，分别观察介质传感器的气、油、水显示和报警功能。

启动专用海水泵可通过调整阀门开度调节代换速率，向膨胀舱内打入海水，此时只打开10号代换舱的海水管路阀门，关闭7号至9号舱的海水入口阀门，观察海水是否能平缓进入代换舱，最后把燃油桶放入10号代换舱内，检验界面传感器显示功能的准确性。

该试验方法的原理是：由于顶装雷达式油水界面传感器感受的是垂向的油水界面，因此在舱内设置一深形圆桶，将深形桶底打穿使得界面传感器的导线套在其中心部位，置于水平面上下的适当位置，往圆柱形桶圈围住的范围内倒入少量燃油。此时，燃油在桶圈内由于存在一定的厚度，因而不会溢出（见图3），相当于往整个舱内注入该厚度的燃油。

由图3可知，实验开始时，介质和液位界面传感器均处于空气中，除9号舱因底部侧装有介质传感器，感应头有水因而误读为海水外，其他舱均显示为空气。上述以10号舱代换实验为例，由于液舱线性为图5所示的筋板纵横式斜舱底及传感器安装位置限制会产生一定测量盲区，需要修正，所以显示起始其总液位高为0.547 m，界面高为0.546 m，海水和燃油的质量设定为0 t。随着海水进入代换舱，由图4（a）可以看出总液位为0.959 m，界面高度为0.958 m，两者高度几乎一致，三角箭头几乎在界面的顶部，所以显示为海水，海水重2.74 t。缓慢改变界面传感器雷达波面高度则可以看到总液位和界面高度均增加，图4（b）显示总液位和界面分别增加为1.105 m和1.104 m，两者数据几乎相同，系统实时计算出海水重3.85 t，同时也可以看到三角箭头在界面的顶部。以上测试说明界面传感器能可靠地反映液面高度的变化。

启动专用海水泵向膨胀舱内供水，同时只开启10号代换舱。由于油水代换系统依靠燃油和海水密度不同，根据相似相容原理，油和水有清晰的界面。在舰船不存在大幅度晃动的情况下，这种显著的分层非常有利于代换的进行；但舰船若存在大幅度晃动，会导致油水一定程度的混合，给代换带来一定的困难。要求由膨胀舱到各个代换舱的海水，在代换舱内的自由液面应该没有明显的水花和显著的波动，所以观察进入10号代换舱的海水自由液面。图5（a）显示进入代换舱内的海水在入口处有轻微的流动水纹，这可能是舱内隔板的开口较小所致。而随着进水量的增加，图5（b）为海水刚浸没过代换舱隔板时的液面，可以看出在附近隔舱的液面较为平整，这是因为隔舱之间海水是靠重力流动，不存在流场梯度较大的区域。图5（c）为10号代换舱内隔段的分布，在大风浪情况下这种布局将会给代换带来一定困难。

4 油水代换系统设计优化及实操培训等改进方法

通过前述实验可以看出，传感器能否可靠工作对代换过程安全性有重要影响。根据油水代换系统的实际应用背景，该型船后续设计可从以下四个方面重点考虑，以提高油水代换系统的可靠性，解决用户担心的技术风险，增强实战应用能力。

4.1 油水代换系统结构形式设计优化

该型船油水代换系统为并联式，管系复杂，操作繁琐，传感器需求多成本高，各舱分别代换，其底部、顶部测量盲区大。若改为串联式，则系统管

由于实际代换过程中油水会同时存在，但向10号舱内注入燃油会极大地增加实验成本。所以本处采用简化的方法来验证油水同时存在时界面传感器的准确性。即如图2方法，圆柱形桶圈将垂直安装的10号代换舱内界面传感器围在中心，并置于水面上下。倒入5 kg左右的燃油，图6中的控制面板内会显示海水位于底部，总液位高1.099 m、界面高1.021 m、燃油重0.51 t、海水重3.18 t，通过该控制面板便可算出燃油高度为0.078 m。同时由左侧显示的液位高度可以看出三角箭头在液位顶部以下，说明燃油和海水均存在，箭头在靠近的液位顶部的位置则说明燃油相对较少。系和传感器均可简化，且测量精准，一次便可将所有代换舱代换完毕，操作方便［1］。这种串联式代换系统已在潜艇上成功应用几十年。由图6可知，原代换舱舱室可能会存在较大的自由液面，若改为串联式（见下页图7），则方便采用多个隔段，这样能最大限度地降低自由液面对稳性的影响，保证在风浪较大时进行代换和舰船安全。这种串联式设计不仅简化了管路系统，增强了代换系统的可靠性，而且降低了建造和维护成本。潜艇的油水代换舱舱壁较厚，能避免代换舱加压太大而引起的爆仓问题。但水面舰艇的代换舱舱壁较薄，所以要求代换泵的压头不能太大，同时透气帽管的尺寸可以适当加大，保证溢流以防止爆仓。为了防止在大风浪航行代换时燃油从透气帽流出而引发火灾，需要对透气帽进行特殊考虑以防火灾等事故的发生，比如透气帽流出的燃油排向舷外等。

因此在该型后续船总体设计时，建议将该系统由并联方式改为为串联，同时适当增加舱壁厚度；代换舱尽量采用靠近船舯底部区域的舱，方便使用及尽量多的代换舱容设置，使其效益最大化。

4.2 油水代换系统自动化从监测到监控的改进

该型船目前的油水代换系统4个代换舱共可代换出220 t燃油，实际除保留必要的首尾、左右4个必须的调整舰船姿态的压载舱外，可用代换舱替换其余十多个专用压载舱（该船共设有19个压载舱）可代换出远大于220 t的设计燃油代换量，并把代换舱纳入全船综合信息平台管理系统，便于全船姿态调整［4-5］、稳性计算和燃油储量续航力显示等。

在3级以下海况条件进行油水代换时，为保证代换过程的安全，需要在顶部设置介质传感器，当该传感器监测到水时，可以自动停止该舱室代换，转至下一个代换舱室工作，或者代换终止。但在3级以上海况条件下进行油水代换时，代换舱内会产生复杂的晃动问题，顶部的介质传感器可能会发生测量错误，这会导致燃油未完全进入聚集舱或聚集舱内进入海水，所以需要对传感器的位置进行合理优化，以保证在2级以上海况进行代换时的安全性。此外，还需要考虑大陆架较浅和潮汐等综合作用对该系统的影响。我国近海区域，尤其是东海含泥沙较多，这给代换系统在这些区域的使用带来新的挑战，因为泥沙会在代换舱内沉积，当泥沙沉积到一定的深度时会影响底部传感器的使用，堵塞管路影响代换或造成油质变差等，需在膨胀舱底部安装相应的泥沙传感器或条件允许时开设透明观察窗口，发现有一定泥沙堆积时进行放泄或抽吸等清除泥沙工作，而这也对安装在该位置的介质传感器提出了更高的抗泥沙性能要求。

油水代换系统从监测到监控的改进，建议将目前主要布置在轴弄的监控设备移至机舱集控室，目的是能在机舱集控室启动、监控油水代换系统。当受油舱的油位到低位时，代换系统自动启动进行代换补油；当受油舱的油位到达高位时，系统自动停泵；分控系统能在代换流量超过一定范围时报警停止进行代换，自动或手动调整后再恢复运行。系统油舱非正常进水、积泥沙或出现故障时，也能自动报警停止系统运行。系统具备一定的自诊断能力，当整个代换系统代换结束时能够自动报警停止工作，最终实现油水代换系统工作的全自动化功能。

为进一步提高系统自动化程度，可以采用远程遥控阀门来实现代换过程操作控制、安全保障及在异常情况下的紧急措施采取，并简化人员操作，提高作业过程的可靠性。

传感器作为测量元件是油水代换系统的核心部件，需适当考虑进口或冗余备份以及传感器感应头吹扫自净等防误读措施；另建议加装一台适当排量的手摇代换泵，提供失电时恢复应急电站少量用油时使用，以提高油水代换系统使用的可靠性以保障舰船机动性。

4.3 防止海水进入动力系统措施改进

当有海水进入1号和2号燃油储存舱时，也可以采用以下相应的措施来阻止海水进入动力系统：

（1）在1号和2号燃油储存舱的底部分别安装一个油水介质传感器，监测燃油储存舱的积水情况。若有积水存在则使用燃油分油机对燃油舱内的燃油进行循环除水。

（2）日用燃油柜底部设计为漏斗形式，并加装泄放阀，同时加装油水介质传感器。若有积水存在则发出声光报警，需打开泄放阀排出积水。

（3）安装一只可以从舱底进行连续油水界面测量的传感器，实时掌握水量情况。

（4）改装管系使受油舱到日用燃油柜之间经过船上现有燃油水分离机处理，以确保进入主副机等用户的燃油纯度满足要求。

（5）水面舰艇的燃油管路、海水管路、日用油柜等多属“备份”设计，所以可使代换出的燃油只能进入指定的燃油柜并专供部分用户，其余用户由另设的纯燃油系统正常供油，以保障装备使用安全。

4.4 增强油水代换系统的实操培训

该系统涉及到动力电力系统的安全性问题。首先，总体设计需对该系统编制相关操作使用维护保养说明书，并在船舶交付时对用户进行系统培训，必须进行系统化学习、规范化操作，熟练使用。并制定一套完善的应急预案，在出现相关问题后，经过相关训练，可以采取有效措施，消除安全隐患，以利于油水代换系统实船的有效使用。

建议借鉴CO2释放等消防系统，在总体设计时增加用于油水代换系统的训练系统设计，做到实际操作和训练系统无缝集成。通过简单切换，便可用于模拟训练，熟练掌握该系统的操作流程，为实船使用操作奠定基础。

5 结 论

本文从油水代换系统的设计和使用方面探讨相应的改进完善措施。通过对某型船油水代换系统结构串联式改变、核心部件传感器的准确性试验验证及提高系统自动化程度、简化方法减少试验浪费、增强系统实操培训等方法探讨，降低建造试验成本，消除用户对油水代换系统可靠性的担心，推进油水代换系统在水面舰船（特别是侦查、水声测量、医疗、拖船等需远航且不宜补油的舰船）的设计和使用普及。油水代换系统油水代换舱部分取代燃油舱、专用压载舱的设计，使舰船最大限度增加有效舱容装载燃油、污水或储物能力，提高稳性和安全性，增加舰船续航力，有效发挥该系统的军事经济价值。

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Improvement of design and experiment method for oil-water replaceable ship system

WANG Feng-liang1W ANG Yi-fan2
(1. Representative Off ce of Navy Stationed in Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., shanghai 200129, China; 2. 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 200072, China)

Oil-water replaceable system is a major method to solve the reduction of the ship stability due to the fuel consumption, which has been successfully used for many years both at home and abroad. The oil-water replaceable system has also been used on only a few domestic water-surface ships since the end-twentieth century. However, this system on the ship was unused for a long period because of the complex replaceable process, large waste of fuel during the test, and the system reliability doubted by the users. This paper carries out the sensor reliability test of the oil-water replaceable system on the ship. Based on the experimental results and the experience from the Russian submarine, four bptimum and improvement methods are proposed for the design, test and usage of the oil-water replaceable system to improve its reliability, economy and operation convenience, thus widely and effectively used on the domestic water-surface ships.

oil-water replaceable system; sensor; stability; endurance ability; improvement method

U664.1

A

1001-9855（2017）03-0054-07

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.054

2017-02-13；

2017-03-20

王凤良（1965-），男，高级工程师。研究方向：船舶动力、船舶系统与管理。

王一帆（1991-），男，助理工程师。研究方向：船舶系统与电气自动化。