雙燃料集裝箱船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

高愛(ài)華，馬忠麗，婁春景，蒯晶晶

1.上海外高橋造船有限公司，上海200137 2.成都信息工程大學(xué)控制工程學(xué)院，四川成都610225

隨著船舶LNG雙燃料動(dòng)力技術(shù)不斷發(fā)展成熟，LNG雙燃料船及船上配套裝置和技術(shù)研究也變得越來(lái)越重要[1]。其中，雙燃料船的機(jī)艙安全性和可靠性研究就是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

雙燃料船機(jī)艙在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其安全性和可靠性的要求應(yīng)該與柴油機(jī)船舶具有相同水平：應(yīng)將氣體燃料發(fā)生危害的概率降至最低；應(yīng)將可能發(fā)生危險(xiǎn)的區(qū)域盡量減到最少，降低潛在風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)防止爆炸性、可燃性或毒性氣體濃度的意外累積[2]。

由于LNG的易燃易爆性，其被輸送到機(jī)艙后增加了機(jī)艙的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，船舶機(jī)艙空間較狹窄，機(jī)艙中由于機(jī)器工作散發(fā)到周?chē)h(huán)境中的熱量主要靠通風(fēng)來(lái)排除；同時(shí)，某些設(shè)備燃燒也需要大量空氣，所以通風(fēng)對(duì)機(jī)艙來(lái)說(shuō)非常重要和必要[3]。為了將危險(xiǎn)降到最低，需要對(duì)輸送LNG燃料的雙壁管、燃?xì)忾y門(mén)單元(GVU)、燃?xì)馓幚黹g等進(jìn)行特定的通風(fēng)系統(tǒng)配置。

目前，國(guó)內(nèi)缺乏這方面的研究，本文針對(duì)20000箱大型集裝箱船的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算以及配置研究。

1 LNG燃料供給系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)和配置

1.1 本質(zhì)安全型機(jī)艙

本質(zhì)安全的機(jī)艙一般采用單一的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，本質(zhì)安全是指對(duì)機(jī)艙內(nèi)所有的供氣管路采取氣密環(huán)圍手段(通常使用雙壁管路、通風(fēng)導(dǎo)管)，使管路中可能的氣體燃料泄露風(fēng)險(xiǎn)降至最低，機(jī)艙安全性得到提高，使機(jī)器處所在任何情況下均處于氣體安全狀態(tài)[4?5]。

1.2 本質(zhì)安全型機(jī)艙的通風(fēng)設(shè)計(jì)

1.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)《國(guó)際船舶使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料安全規(guī)則》(international code of safety for ships using gases or other low-flashpoint fuel，IGF規(guī)則)相關(guān)規(guī)定，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求[6]：

1)危險(xiǎn)場(chǎng)所的通風(fēng)管道應(yīng)與非危險(xiǎn)場(chǎng)所的通風(fēng)管道分開(kāi)，且能在所有溫度和環(huán)境條件下正常工作。

2)應(yīng)能避免任何氣體積聚，系統(tǒng)由獨(dú)立風(fēng)扇組成，要保證容量足夠。

3)非危險(xiǎn)空間的空氣出口設(shè)在危險(xiǎn)區(qū)域之外。

4)危險(xiǎn)封閉空間的空氣出口設(shè)在與通風(fēng)空間相同或較小的危險(xiǎn)程度區(qū)域內(nèi)。

5)通風(fēng)設(shè)備所需的容量要根據(jù)房間的總?cè)莘e計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜形式的房間，需要增加通風(fēng)能力。

6)可通過(guò)入口由非危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的處所，應(yīng)設(shè)置空氣鎖，并保持在相對(duì)于外部危險(xiǎn)區(qū)域的超壓狀態(tài)。

對(duì)于本質(zhì)安全型機(jī)艙，主機(jī)、發(fā)電機(jī)均使用雙燃料的機(jī)型，供氣系統(tǒng)管路使用雙壁管。內(nèi)管是供氣管，雙壁管中間為通風(fēng)通道。設(shè)計(jì)將通風(fēng)系統(tǒng)分為主機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)(輔機(jī))供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)馓幚黹g通風(fēng)系統(tǒng)、鍋爐管路通風(fēng)系統(tǒng)4部分[7]，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)整體構(gòu)成

1.2.2 主機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)的供氣系統(tǒng)采用高壓供氣形式。氣缸頭處設(shè)置有供氣噴射閥，進(jìn)機(jī)艙前的供氣管的管路上設(shè)置有通風(fēng)排風(fēng)機(jī)，供氣管和噴射閥集全部使用雙壁管?？諝膺M(jìn)氣口具體位置的確定要保證新風(fēng)從安全區(qū)域引入，且高度要滿足規(guī)范要求，這里是從掃氣雙壁管(主機(jī))出機(jī)艙的地方引出；排風(fēng)機(jī)的排出口的位置和高度也需滿足規(guī)范要求。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定：含雙壁管中間的空間及閥集的空間的通風(fēng)循環(huán)次數(shù)應(yīng)不小于30次/h；風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型風(fēng)機(jī)；電機(jī)置于風(fēng)道外[8]。

1.2.3 輔機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輔機(jī)的燃?xì)夤庀到y(tǒng)采用低壓供氣形式，在燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)前，管路設(shè)置有燃?xì)忾y單元。通風(fēng)機(jī)風(fēng)量的換氣量設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足空間內(nèi)30次/h。由于采用幾臺(tái)輔機(jī)并聯(lián)通風(fēng)形式，為保證每臺(tái)輔機(jī)供氣管路的空氣循環(huán)量滿足相關(guān)的規(guī)范要求，風(fēng)量調(diào)節(jié)閥被安置在每臺(tái)輔機(jī)新風(fēng)入口處，用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入每臺(tái)輔機(jī)供氣管路空間的空氣量[8]。其他設(shè)計(jì)要求與主機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)類(lèi)似。

1.2.4 燃?xì)馓幚黹g通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃料處理間屬于密閉的空間，里面放置供氣系統(tǒng)的處理裝置以及所有與儲(chǔ)氣罐相連接的閥等。在這個(gè)空間設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)的作用是將閥及設(shè)備逸漏到此處的燃?xì)饧皶r(shí)排出，設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮此處檢查及維修時(shí)員工的出入[8]。設(shè)計(jì)要求與主機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)類(lèi)似。

1.2.5 鍋爐管路通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鍋爐是一種燃料燃燒設(shè)備，向鍋爐中注入的燃料主要利用其化學(xué)能和電能，經(jīng)鍋爐燃燒輸出一定的熱能[9]。供氣管均采用雙壁管形式，設(shè)計(jì)要求與主機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)類(lèi)似。

2 LNG燃料供給系統(tǒng)風(fēng)機(jī)容量計(jì)算選型

風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的重要器件，容量是選擇風(fēng)機(jī)的重要依據(jù)參數(shù)，準(zhǔn)確的容量計(jì)算尤為重要。

2.1 機(jī)艙通風(fēng)容量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

機(jī)艙重要參數(shù)如表1所示。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)依據(jù)

通入機(jī)艙的空氣，一部分用于幫助燃料燃燒，另一部分用于給機(jī)艙設(shè)備通風(fēng)散熱。因此，機(jī)艙通風(fēng)耗氣量主要包括機(jī)艙燃燒耗氣量和機(jī)艙散熱耗氣量。

2.1.1 機(jī)艙燃燒耗氣量計(jì)算

機(jī)艙燃燒包括推進(jìn)柴油機(jī)燃燒、發(fā)電用柴油機(jī)燃燒、鍋爐燃燒3個(gè)部分。

1)推進(jìn)柴油機(jī)燃燒空氣量qdp計(jì)算[10]

式中：Pdp為推進(jìn)柴油機(jī)持續(xù)使用功率，kW；mad為二沖程推進(jìn)柴油機(jī)燃燒空氣率，kg/kW·s；ρ為溫度35℃、相對(duì)濕度70%、氣壓101.3kPa時(shí)空氣密度，kg/m3。

2)發(fā)電用柴油機(jī)燃燒空氣量qdg計(jì)算

式中：Pdg為發(fā)電用柴油機(jī)最大持續(xù)使用功率，kW；K為柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載系數(shù)；mad為四沖程柴油發(fā)電機(jī)燃燒空氣率，kg/kW·s；n為正常航行條件下發(fā)電用柴油機(jī)工作臺(tái)數(shù)。

3)鍋爐燃燒空氣量計(jì)算

式中：Gb為鍋爐最大連續(xù)產(chǎn)量，kg/s；mfs為制造每公斤蒸汽消耗的燃油量，kg/kg；maf為燃燒每公斤燃油所需空氣量，kg/kg。

4)燃燒所需總空氣量計(jì)算

式中qa=0.07m3/s。

2.1.2 機(jī)艙散熱耗氣量計(jì)算

機(jī)艙散熱包括推進(jìn)柴油機(jī)散熱、發(fā)電用柴油機(jī)散熱、蒸汽鍋散熱等9部分。

1)推進(jìn)柴油機(jī)散熱量計(jì)算

式中Pdp為推進(jìn)柴油機(jī)最大持續(xù)使用功率，kW。2)發(fā)電用柴油機(jī)散熱量計(jì)算

式中：Pdg為發(fā)電用柴油機(jī)最大持續(xù)使用功率，kW；K為柴油發(fā)電機(jī)負(fù)載系數(shù)；n為正常航行條件下發(fā)電機(jī)工作臺(tái)數(shù)。

3)蒸汽鍋爐散熱量計(jì)算

式中：mS為鍋爐最大連續(xù)產(chǎn)氣量，kg/s；mfs為每千克蒸汽燃油耗率，kg/kg；h為燃油低熱值，kJ/kg；hb為鍋爐在最大連續(xù)輸出時(shí)的熱損失百分比；B1表示鍋爐安裝位置，這里鍋爐設(shè)在機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙棚下，值取1。

4)蒸汽管和凝水管散熱量計(jì)算

式中：msc為蒸汽熱耗量，每千瓦大約相當(dāng)于每小時(shí)1.6kg蒸汽量，kW；Δhp為蒸汽管和凝水管每千瓦蒸汽熱耗量的散熱量。

5)發(fā)電機(jī)散熱量計(jì)算

式中：Pg為風(fēng)冷發(fā)電機(jī)功率,備用機(jī)組不計(jì)，kW；η為發(fā)電機(jī)效率。

6)電氣設(shè)備的散熱量計(jì)算

電氣設(shè)備的散熱量在進(jìn)行估算時(shí)，取航行中使用的電氣設(shè)備額定功率和照明功率總和的20%。

7)排氣管和廢氣鍋爐散熱量計(jì)算

8)加熱箱柜散熱量計(jì)算

9)機(jī)艙中其他設(shè)備發(fā)熱量估算值計(jì)算

10)所有設(shè)備散熱所需通風(fēng)量qh計(jì)算[11]

按ISO-8861國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)推薦公式，計(jì)算如下：

2.1.3 機(jī)艙通風(fēng)總量及風(fēng)機(jī)選型

1)機(jī)艙通風(fēng)總量計(jì)算

設(shè)置風(fēng)機(jī)共6臺(tái)，每臺(tái)容量不小于

因此實(shí)際每臺(tái)風(fēng)機(jī)容量為120000m3/h。(從廠家風(fēng)機(jī)特性曲線中查得，取約5%余量)。

2)機(jī)艙送風(fēng)機(jī)選型

機(jī)艙送風(fēng)機(jī)選型如表2所示。

表2 機(jī)艙送風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

2.2 主機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)容量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

1)主機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)總量計(jì)算

2)主機(jī)供氣管路抽風(fēng)機(jī)選型

主機(jī)供氣管路抽風(fēng)機(jī)選型如表3所示。

表3 主機(jī)供氣管路抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

2.3 發(fā)電機(jī)管路及GVU通風(fēng)容量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

單臺(tái)發(fā)電機(jī)管路及GVU通風(fēng)量為：

發(fā)電機(jī)共2臺(tái)，通風(fēng)總量為：

發(fā)電機(jī)管路抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)如表4所示。

表4 發(fā)電機(jī)管路抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

2.4 鍋爐管路及GVU通風(fēng)容量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

鍋爐管路及GVU通風(fēng)總量計(jì)算

鍋爐抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)如表5所示。

表5 鍋爐抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

2.5 燃?xì)馓幚黹g通風(fēng)容量計(jì)算及風(fēng)機(jī)選型

燃?xì)馓幚黹g通風(fēng)容量計(jì)算

燃?xì)馓幚黹g抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)如表6所示。

表6 燃?xì)馓幚黹g抽風(fēng)機(jī)選型參數(shù)

3 LNG燃料供給系統(tǒng)通風(fēng)布置

通風(fēng)系統(tǒng)合理布置是系統(tǒng)高效工作的保障。這里討論主機(jī)和輔機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)布置。

3.1 主機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)布置

選用MAN B&W8S90MEC-GI作為主機(jī)方案。根據(jù)GVU容積及雙壁管內(nèi)容積，雙壁管及GVU通風(fēng)換氣次數(shù)要求為30次/h，防爆風(fēng)機(jī)容量至少為175m3/h。因防爆風(fēng)機(jī)最小型號(hào)為1000m3/h，故實(shí)際選型為30A橄欖式防爆軸流風(fēng)機(jī)。設(shè)計(jì)的主機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)管系及布置圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)供氣管路通風(fēng)管系走向圖

系統(tǒng)包含2臺(tái)防爆風(fēng)機(jī)(一用一備)、一套鵝頸式自然通風(fēng)筒及相關(guān)防火風(fēng)閘、止回風(fēng)閘及風(fēng)管。主機(jī)供氣雙壁管在進(jìn)入機(jī)艙前接入通風(fēng)管路到排風(fēng)機(jī)；自然鵝頸通風(fēng)筒接風(fēng)管進(jìn)入機(jī)艙，風(fēng)管連接必須采用套管焊接形式以保證安全性；自然進(jìn)風(fēng)管接到主機(jī)供氣雙壁管終端的通風(fēng)接口處。

通風(fēng)系統(tǒng)要求的進(jìn)氣和排氣，都應(yīng)該分別來(lái)自和排向安全位置[12]。對(duì)于進(jìn)風(fēng)口，其周?chē)?.5m內(nèi)應(yīng)無(wú)其他安全處所的進(jìn)風(fēng)口及開(kāi)口；對(duì)于排風(fēng)口，其周?chē)?.5m內(nèi)應(yīng)無(wú)其他安全處所的進(jìn)風(fēng)口及開(kāi)口。

通風(fēng)系統(tǒng)除需能保證IGF要求的換氣次數(shù)外，還需能保證機(jī)艙氣壓P1大于GVU內(nèi)氣壓P2、外界大氣壓P0大于GVU內(nèi)氣壓P2。因?yàn)闄C(jī)艙通風(fēng)為送風(fēng)，P1還需大于P0約50Pa，以保證主機(jī)能按照其功率曲線運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 發(fā)電機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)布置

選用WARTSILA6L20DF作為雙燃料輔機(jī)方案。根據(jù)輔機(jī)GVU容積及雙壁管內(nèi)容積，雙壁管及GVU通風(fēng)換氣次數(shù)要求為每小時(shí)30次，防爆風(fēng)機(jī)容量至少為265m3/h。因防爆風(fēng)機(jī)最小型號(hào)為1000m3/h，故實(shí)際選型也為30A橄欖式防爆軸流風(fēng)機(jī)。設(shè)計(jì)的輔機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)管系及布置如圖3所示。

圖3 輔機(jī)供氣管路及GVU通風(fēng)管系走向

設(shè)計(jì)供氣管路時(shí)，4套閥組布置在一個(gè)GVU內(nèi)，簡(jiǎn)化了通風(fēng)系統(tǒng)。系統(tǒng)包含2臺(tái)防爆風(fēng)機(jī)(一用一備)、一套鵝頸式自然通風(fēng)筒及相關(guān)防火風(fēng)閘、止回風(fēng)閘及其風(fēng)管。

輔機(jī)供氣雙壁管在進(jìn)入機(jī)艙前接入通風(fēng)管路到排風(fēng)機(jī)；自然鵝頸通風(fēng)筒接風(fēng)管進(jìn)入機(jī)艙，風(fēng)管連接必須采用套管焊接形式以保證安全性；自然進(jìn)風(fēng)管總管分開(kāi)為6路，一路接到輔機(jī)供氣雙壁管起始端，一路接到GVU通風(fēng)接口，另4路接到輔機(jī)供氣雙壁管的終端通風(fēng)接口。

對(duì)于所要求的通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)進(jìn)氣和排氣，與主機(jī)要求類(lèi)似。

通風(fēng)系統(tǒng)除需能保證IGF要求的換氣次數(shù)外，還需能保證機(jī)艙氣壓P1大于GVU內(nèi)氣壓P3、外界大氣壓P0大于GVU內(nèi)氣壓P3。因?yàn)闄C(jī)艙通風(fēng)為送風(fēng)，P1還需大于P0約50Pa，以保證輔機(jī)能按照其功率曲線運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)本質(zhì)安全的雙燃料船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提出針對(duì)兩萬(wàn)箱雙燃料集裝箱船的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置方案，分別對(duì)主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐管路雙壁管和它們的GVU單元以及燃?xì)馓幚黹g的通風(fēng)設(shè)計(jì)和布置進(jìn)行了詳細(xì)闡述，得出如下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)的雙燃料船本質(zhì)安全型機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)符合相關(guān)規(guī)范要求，能夠保證危險(xiǎn)氣體的有效可靠排出，保障船舶雙燃料的可靠安全使用；

2)本文設(shè)計(jì)以工程可實(shí)現(xiàn)性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)較易工程實(shí)現(xiàn)；

3)本文設(shè)計(jì)的針對(duì)雙燃料集裝箱船機(jī)艙的通風(fēng)系統(tǒng)為其他LNG燃料系統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路和依據(jù)。

在之后的工程實(shí)踐中，將會(huì)進(jìn)一步研究并解決在實(shí)際配置和安裝中產(chǎn)生的具體問(wèn)題。