2026, Vol. 48
油水代换系统又称补重式燃油系统，是指在燃油消耗过程中，不断向燃油代换舱注入等量的海水，使其装载不随燃油的消耗而减少，稳性不随燃油的消耗而下降，重心不随燃油的消耗而转移，是解决舰船因燃油消耗而引起稳性下降的重要方法[1 − 4]。油水代换系统不仅可消除燃油舱自由液面对舰船稳性的影响，保证舰船在风浪中的稳性，提高舰船的抗风浪等级，还能有效减少压载水舱，提高舰船的续航能力[5]。
目前，国内外水面舰船中对油水代换系统的研究较少，尚处于理论及试验研究的起步阶段，张祥瑞等[5]针对油水系统对船舶稳定性的影响进行了计算分析研究，证明了应用油水代换系统的船舶具有更优稳性性能；王凤良等[6]针对并联式油水代换系统提出了简化试验方法，用于验证监控方案的有效性及优化，但未对油水代换全系统工作特性开展相应试验研究。20世纪90年代，国内某型船部署了油水代换系统，但由于用户对其工作机理不够了解、对燃油性能的影响不够清晰、控制系统设计不够完善等原因，该系统实船未使用，造成资源浪费。由此可见，开展油水代换系统特性及工作机理的相关研究十分迫切。万新斌等[7]和于姝雯等[8]在对船舶压载系统特性研究中采用了Flowmaster仿真与实船缩尺试验模型搭建相结合研究方法，具有实用性、有效性，本文将采用仿真与缩比模型试验相结合的方式开展油水代换系统工作特性研究。
本文以某型船油水代换系统初步设计方案为研究对象，首先，提出油水代换系统缩尺模型试验台架设计方案，并通过搭建油水代换系统缩尺模型试验台架，对串、并联以及开式和闭式等不同设计方案下的油水代换系统工作特性、油水代换控制系统方案等展开分析与试验验证；其次，建立缩尺试验台架的Flowmaster仿真计算模型，通过试验结果与仿真结果对比，优化仿真建模方法，为实船油水代换系统设计、验证及优化提供技术基础。
1 油水代换系统缩尺模型试验方案针对目前油水代换系统可靠性、安全性、自动化程度高等方面的需求，选取实船油水代换系统进行缩尺模型试验系统设计，并开展系统工作特性研究。
油水代换系统设计方案按照结构形式可分为串、并联2种型式，同时根据在油水代换过程中膨胀舱透气系统阀门开启或关闭状态，又分为开式或闭式系统。其中，串联式系统的工作流程为：水通过膨胀舱进入第一个代换舱底部，利用水与燃油的比重差，将该舱燃油从代换舱顶部挤出、进入第二个代换舱底部，继而进入第三个代换舱，直到最后一个代换舱；燃油从最后一个燃油代换舱顶部管路进入燃油聚集舱，完成一个舱组的代换。并联式系统的工作流程为：水通过膨胀舱进入第一个代换舱底部，利用水与燃油的比重差，将该舱燃油从代换舱顶部挤出进入燃油聚集舱，在第一个代换舱完成代换后，再进行下一个代换舱，直至所有代换舱完成代换。本文所提出的油水代换系统缩尺模型试验台架设计方案，可通过相应阀门的启闭，实现开式串联、开式并联、闭式串联、闭式并联等多种工作模式的油水代换系统试验研究。
油水代换缩尺模型试验系统主要由缩尺模型试验台架、油水代换控制箱原理样机等组成。试验系统采用的缩尺比例为1∶3，主要包括油水代换舱组（含代换舱I、代换舱II、膨胀舱、聚集舱）、油水代换系统串联或并联管路系统、油水代换监测及控制系统、排水系统、油水代换泵等组成。油水代换系统控制箱原理样机由监控箱和泵启动箱组成。采用淡水、燃油作为试验介质。试验系统主要参数如表1所示，试验系统原理图如图1 所示。油水代换系统缩尺试验模型台架如图2所示。
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表 1 缩尺模型与实船设计参数 Tab.1 The design parameters of the scale model and real ship |
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图 1 缩尺模型试验系统原理图 Fig. 1 The principle of the experiment model |
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图 2 油水代换系统缩尺试验模型台架 Fig. 2 The experiment model |
油水代换控制系统主要由监控箱、泵启动箱、流量控制装置、油水界面测量装置、油水介质检测传感器、油份浓度计、流量计等组成，如图3所示。油水代换控制系统具有试验系统的阀门、泵等设备遥控以及试验过程中流量、压力、油水界面、油水介质等试验参数进行实时监测的功能，可帮助试验员实时监测油水代换情况；当代换舱完成代换以后可通过控制排水泵将代换舱内的水排出，控制系统可监测排水管路中排出水中含油程度，达到设定值时进行报警。
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图 3 控制系统设计组成 Fig. 3 The schematic diagram of the control system |
根据上述缩尺模型试验系统，开展开式膨胀舱串联系统、开式膨胀舱并联系统、闭式膨胀舱串联系统、闭式膨胀舱并联系统等4种工作模式（或工况）的油水代换特性试验。
2.1 油水混合特性试验与分析在油水代换试验过程中，通过观察油水界面混合程度，并油水界面油样取样分析其含水量，与燃油含水量规定值进行对比（小于0.03%），分析油水混合特性。
这4种工况下代换过程均顺利、流畅，控制流程合理可行；油水界面清晰，界面无明显的波动（上下波动值均小于10 mm），如图4所示。油水界面高度实时显示正常；油水介质信号反馈正常，油水界面上部油样取样分析的含水量平均值分别为131×10−6（开式串联系统）、126×10−6（开式并联系统）、140×10−6（闭式串联系统）、117×10−6（闭式并联系统），均远小于规定值（300×10−6），因此经代换后燃油经过燃油分油机、分水滤器等过滤措施之后，不影响其使用性能。
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图 4 试验过程中的油水界面 Fig. 4 The oil –water interface |
通过对4种工况试验过程的流量、液位数据记录，分析各工况动态试验过程特点、系统阻力特性等，为设计者选用任何一种工作模型进行系统设计时提供一定技术支撑。
开式系统中膨胀舱透气阀处于开启状态，代换的实现是利用膨胀舱液位与代换舱液位的高度差。如图5～图6所示，开式串联系统相比开式并联系统，在代换刚开始的时候，开式串联系统出现了明显的系统流量不稳定现象，随着膨胀舱液位不断升高，油、水流量超过设计流量，由于受到试验舱内结构限制，液体没有足够的缓冲空间，会导致水从膨胀舱透气管内溢出，因此实际流量要比流量计监测到的流量数据还要大；但随着代换过程逐渐稳定，膨胀舱内液位将下降并基本稳定，此时，泵吸口流量、膨胀舱出水流量、以及聚集舱进油流量基本保持一致。可见，对于开式系统，应考虑在代换开始时膨胀舱内液位高度与系统阻力尚未完全平衡的阶段内，合理控制代换泵注入流量或根据膨胀舱内液位高度控制代换泵启停，直至系统稳定，以避免膨胀舱内水灌入透气管内，串联系统阻力高于并联系统，该现象更容易出现。
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图 5 开式串联系统试验过程 Fig. 5 The experimental process of the open- series system |
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图 6 开式并联系统试验过程 Fig. 6 The experimental process of the open- parallel system |
如图7～图8所示，为闭式串联系统、闭式并联系统试验过程数据，可见闭式串联系统中代换泵压头为50～53 kPa，闭式并联系统中代换泵压头为46～50 kPa；由代换舱油水界面曲线、泵出口压力曲线、膨胀舱顶压力曲线可知，闭式系统代换过程整体较为平稳，而油流量、水流量存在的数据波动，与流量计数据采集误差、代换过程中代换舱内结构变化影响等因素有直接关系。
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图 7 闭式串联系统试验过程 Fig. 7 The experimental process of the close- series system |
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图 8 闭式并联系统试验过程 Fig. 8 The experimental process of the close- parallel system |
闭式系统代换过程是直接利用代换泵输出流量及压力控制需要代换的燃油量，代换舱组承受代换泵的输出压力，可考虑在管路或舱室中设置压力保护或设置安全阀，当压力超过设定值时，停止代换泵的运行，从而有效避免因压力过高而引起的爆舱事故。
3 油水代换试验系统阻力仿真优化研究基于油水代换缩尺模型试验系统方案，采用Flowmaster软件[9]建立系统阻力仿真模型，管网模型包括代换泵、油水代换舱、膨胀舱、燃油聚集舱、弯头、三通、阀门、各段管路、测量面板控制器（用于模拟和控制舱内液位）等，同时考虑实际管路走向和高度落差对系统阻力的影响，如图9所示。
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图 9 阻力仿真模型（部分） Fig. 9 The simulation model |
初始阻力仿真模型中各附件阻力系统参照设计手册[10]选取经验值，开式串联系统、开式并联系统总阻力特性仿真计算结果与油水代换系统变流量工况试验结果对比如图10～图11所示，开式串联系统最大误差达到25.9%、开式并联系统最大误差达到26.3%，误差过大，由于经验值不具备普适性，有必须针对本系统阀附件及管路特点，针对性进行相应阻力系统调整与修正，此外，油水代换舱内结构筋板、扩散管对系统阻力影响较大，对各油水代换舱及扩散管进行CFD流体分析以得到其阻力系数，据此优化系统阻力特性模型。修正后阻力系数情况如表2所示。
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图 10 开式串联系统数据对比（优化前） Fig. 10 Comparison of the non-optimized data of the open- series system |
基于优化后的仿真模型，重新开展开式串联、开式并联油水代换系统在不同流量情况下的阻力计算，并与试验结果进行对比情况如图12～图13所示，误差在10%以内（最大误差～8.95%），在工程应用可接受误差范围内，试验过程中由于系统阻力受代换过程中舱内结构变化而动态变化，因此试验结果具有一定波动性，但试验结果与优化后计算结果在数据误差范围、趋势方面基本吻合，因此优化后的仿真建模方法可用于对实船油水代换系统阻力特性分析。
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表 2 阻力系数修正 Tab.2 The correction of the resistance coefficient |
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图 11 开式并联系统数据对比（优化前） Fig. 11 Comparison of the non-optimized data of the open-parallel system |
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图 12 开式串联系统数据对比（优化后） Fig. 12 Comparison of the optimized data of open-series system |
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图 13 开式并联系统数据对比（优化后） Fig. 13 Comparison of the optimized data of open-parallel system |
基于优化后的油水代换仿真模型，对4种工况的阻力特性进行计算，结果显示：
1）由于开式系统代换泵压头仅与淡水入口到膨胀舱内液位之间压头有关，因此在15.9 m3/h的设计流量时，开式串联系统代换泵需提供17.7 kPa压头，开式并联系统代换泵需提供15.3 kPa压头。
2）对闭式串联、闭式并联系统阻力特性进行了仿真分析，结果显示在15.9 m3/h的设计流量时，闭式串联系统代换泵需提供50.6 kPa的压头，而闭式并联系统需提供48.6 kPa的压头。
3）与串并联无关，闭式系统阻力要高于开式系统，在选用闭式系统时，应充分考虑代换泵压头选型、代换舱承压能力等方面的影响。同时阻力特性计算结果与第2节中试验结果基本一致。
4 油水代换系统设计及优化建议基于以上不同工况的油水代换系统特性试验研究，对实船油水代换系统的设计提出以下建议：
1）无论何种模式的油水代换系统，建议代换泵的扬程、管路系统的设计，应保证系统管路流速约1.5 m/s、扩散管各孔出口流速约0.26 m/s，可保证代换过程油水界面清晰，无明显波动（上下波动值均小于10 mm），且代换界面处（油水混合程度最大处）含水量平均值在140×10−6以下，满足一般燃油含水量要求（小于0.03%）。
2）若采用开式系统，在代换过程刚开始时，随着油水代换泵持续向膨胀舱内注入海水，需要比克服系统阻力之外更多的液位差来产生一定的液位高度势能，因此为避免爆仓，膨胀舱设计时应考虑该高度势能，或在控制系统中进行优化，实时监控流量变化，自动调整油水代换泵流量，例如膨胀舱内液位升高至高液位时降低泵流量，直至代换过程稳定后，即膨胀舱内液位高度稳定、系统流量前后一致后，恢复泵流量。
若采用闭式膨胀舱，代换过程更为稳定，但闭式膨胀舱承受代换泵的输出压力，可在管路或舱室中设置压力保护或设置安全阀，当压力超过设定值时，停止代换泵的运行，从而有效避免因压力过高而引起的爆舱事故。
3）串联系统相比并联系统，控制方式简单，串联模式属于依次消耗，最后一个代换舱顶部有部分燃油损失外，其余代换舱燃油均可全部代换完。并联模式属于轮流消耗，每一个代换舱顶部均有部分燃油损失，因此代换舱顶残余燃油量更少。但是串联系统阻力略大于并联模式，因此应充分考虑系统阻力差异，并结合系统流速控制进行系统设计。
4）由于在燃油装载时，代换舱的燃油基本不会处于完全满舱状态，会存在自由液面，代换舱的顶部会有一定油气混合空间，为了避免代换作业时“气锤”及“液锤”现象对系统造成的伤害，无论是开式系统还是闭式系统，在进行代换作业前，应利用代换管路进行开启油水代换泵小流量工况下进行代换补舱，直至代换舱处于满舱状态后，再正式开始油水代换作业。
5）为了提高油水代换作业的安全性，设置油水界面测量装置和油水介质测量装置，可实时监测代换舱的燃油与水的存量及介质情况，反映代换舱中油水界面的高度位置，设置自动化控制逻辑将界面高度限制在安全范围内，以确保油水代换系统与燃油系统的工作安全。
5 结 语本文通过对某船油水代换系统进行缩尺模型试验台架设计，实现对串联/并联、开式/闭式等不同工作模式的油水代换过程开展试验研究，分析不同工况油水代换动态特性、油水混合性能、系统阻力特性等，为设计者在选用任何一种工作模型进行系统设计时提供一定技术支撑。
由于大多数情况下，设计者无法对系统设计开展有效试验验证，而仿真分析则是对系统设计方案合理性进行验证与优化的高效手段，因此，本文还开展了基于试验模型的油水代换系统仿真分析与模型优化研究，提出了边界条件优化方案，为开展实船油水代换特性仿真分析及优化提供基础。本文研究旨在提升油水代换系统的工作稳定性、操作便利性，促进油水代换系统在水面舰船领域的广泛应用，以充分发挥其提升舰船续航力等实质优势。
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