船用柱塞泵式油水分离器稳流设计

0 引 言

我国海洋环境质量总体基本稳定，污染主要集中在近岸局部海域，典型海洋生态系统多处于亚健康状态。随着航运业的不断发展，船舶污染成为海洋污染的主要来源。目前国内外对船舶排放标准提出了很高的要求，其中对船舶排放的水含污油量应低于15 ppm。船用油水分离方法一般有重力式、离心式、过滤式、聚结方式等。聚结方式即微细小油滴在表明亲油物质上黏附形成大油滴而被分离过程，因其具有设备简单易维护、操作容易、处理量大、分离效率高等优点被广泛应用。为了节约成本一般在油水输送过程采用柱塞泵来实现，由于柱塞泵在输送是不是稳流输送会产生很大的速度脉动，为了消除液体的速度脉动现象，本文采用了蓄能器稳流装置，可以大大提高液体在输送过程中的稳流效果，提高油水分离效果。

1 柱塞泵式分离器稳流设计结构及工作原理

1.1 结构

某型船用0.25型柱塞泵式油水分离器稳流设计结构由柱塞泵、报警器、取样口、污油排出口、污油排出口电磁阀、放气阀、压力表、液位计、吊装环、电器控制箱及铭牌、排污阀、连通管、排达标水电磁阀、排水电磁阀、出水管、三通管、达标水出口、蓄能器稳等组成。此组成是在原来机构的基础上增加了蓄能器稳流装置，用以改善液体输入脉动问题。

1.2 工作原理

该塞泵式油水分离器系统工作原理，工作流程如图1所示，其工作原理如下：

舱底油污水经过初步过滤，去除较大颗粒的杂质后，通过柱塞泵和蓄能器稳流后送“重力分离+精滤分离室”，在“重力分离+精滤分离室”内较大油粒被分离,在该室较大油粒在浮力作用下直接升至顶部，且聚集到一定油层后自动排油；经过“重力分离+精滤分离室”分离后的油污水送至聚集分离室，油污水经更高效的聚集分离后，符合达到标准的净化水排出船舱外，被聚集分离后的油滴上浮至顶部，当油层达到一定厚度后被自动排至废油箱，从而达到较好的油水分离效果。

图1 工作流程图

2 蓄能器结构原理及参数设计

2.1 蓄能器结构原理

蓄能器采用弹簧式蓄能器构成稳流装置，其结构(如图2所示)由上壳体、隔膜、下壳体、弹簧、工作容积等构成，安装在柱塞泵出口与“重力分离+精滤分离室” 连接的管道上。在工作过程中， 当柱

图2 弹簧式蓄能器
1.工作容积;2.上壳体;3.隔膜;4.下壳体;5.弹簧

塞泵泵出的液体流量大时，管道压力就高，当管路压力高于蓄能器背压时，弹簧被压缩，一部分液体流入蓄能器内形成较高压的液体被存储起来；当管道中的压力变小时，弹簧扩张，蓄能器存储的液体又被释放出来，进而调节液体流动脉动性。

2.1 蓄能器参数设计

某型船用0.25型柱塞泵式油水分离器所用柱塞泵规格型号及主要技术参数如表1所示。

表1 柱塞泵规格型号及主要技术参数

(1)蓄能器稳流装置容积计算

①柱塞泵活塞的瞬时速度ν为：

(1)

式中：l为连杆长度(100 mm)；r为曲柄长度(20 mm)；ω为曲柄角速度

②柱塞泵往复的周期时间T为

T=60/55=1.091 s

③柱塞泵一个周期内瞬时输出的液体体积为：

(0≤ωt≤π)

(2)

V=0 (π≤ωt≤2π)

(3)

式中：A为活塞面积

④柱塞一个周期T所泵出水量VT为

(4)

或根据柱塞泵参数计算：VT=0.25 m3×1000×T/3600=0.076 L

⑤蓄能器工作容积Vc的确定：

Vc=δIV

(5)

式中：IV为一个周期内即时高于平均流量的体积；δ为计算允许的流体压力偏差率

⑥蓄能器的压力p为

P=K1×X0

(6)

式中：X0为弹簧压缩量；K1为弹簧弹性系数

⑦蓄能器容积Vc

根据式(1)～式(6)计算，确定蓄能器的外形轮廓尺寸为I 100 mm×60 mm

(2)蓄能器进水口参数设计

当蓄能器的固有频率和柱塞泵工作频率相等时，其稳定脉动的效果最好。蓄能器的固有频率fg可根据如下公式计算：

fg=2πK1

式中:fg为弹簧弹性系数；m为作用在弹簧上的质量。由于本液压泵工作频率很低，故不做频率共振计算。取进水孔直径为I21 mm，进水口长度10 mm。

3 仿真分析

3.1 模型建立及相关参数

根据系统结构建立如下模型(如图3所示)

图3 建模示意图

把l=100 mm、r=20 mm、A=1 964 mm2、ω=55 r/min、代入式(2)得：

(0≤5.76t≤π)

(8)

V=0 (π≤5.76t≤2π)

(9)

3.2 仿真与结果分析

(1)用MATLAB仿真计算

在未加上蓄能器柱塞泵泵出的液体在出口处的流量如图4所示；加上蓄能器柱塞泵泵出的液体在出口处的流量如图5所示；安装蓄能器前后的衰减效果如图6所示。

图4 未加上蓄能器柱塞泵泵出的液体在出口处的流量

图5 加上蓄能器柱塞泵泵出的液体在出口处的流量

图6 加蓄能器前后柱塞泵泵出的液体在出口处的流量对比

(2)结果分析

根据上面的计算得出(表2所示)：未加蓄能器的最高流量为0.237 L/s；加蓄能器的最高流量为L/s；前后最高流量脉动衰减量为0.0687 L/s；前后最高流量脉动衰减百分量位29.0%。

表2 前后流量脉动衰减表

4 结 语

(1)针对柱塞泵式油水分离器的泵出液体流量

波动较大的问题，设计出一种可以衰减流量较大波动的蓄能器脉动稳流衰减器，其设计参数为：蓄能器容蓄能器的外形轮廓尺寸为I100 mm×60 mm；进水孔直径为I21 mm。

(2)蓄能器脉动衰减器仿真计算表明，该装置加装蓄能器后最高流量脉动衰减量为0.068 7 L/s；前后最高流量脉动衰减百分量为29.0%，稳流效果较好。