船舶LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)

石蘊(yùn)玉，張金玉，徐 新

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

近年來(lái)，隨著全球溫室效應(yīng)的日益加劇，航運(yùn)業(yè)帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日漸突出。為了抑制溫室效應(yīng)，降低環(huán)境污染，新的國(guó)際規(guī)范和公約不斷生效，全球航運(yùn)業(yè)面臨的防污染和排放限制政策愈加嚴(yán)厲。LNG作為新型清潔船用燃料，幾乎可以減少100%的硫氧化物、85%～90%的氮氧化物和15%～20%的CO2排放。同時(shí)，LNG儲(chǔ)量豐富，價(jià)格也比柴油更便宜，因此 LNG作為船用燃料是未來(lái)船舶動(dòng)力的發(fā)展方向。

以 LNG為動(dòng)力燃料的船舶，其燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)是最關(guān)鍵的技術(shù)。因?yàn)長(zhǎng)NG是易燃易爆的氣體燃料，而對(duì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)進(jìn)行有效通風(fēng)是燃料供應(yīng)安

圖1 L NG與柴油的污染物與CO2排放對(duì)比表

全及船舶正常運(yùn)行的重要保證。本文將以大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司（以下簡(jiǎn)稱：“公司”）建造的28 000 m3LNG運(yùn)輸船為實(shí)例對(duì)主機(jī)氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)的通風(fēng)進(jìn)行系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)分析。

1 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是保證LNG燃?xì)夤?yīng)雙壁管路內(nèi)管與外管的間隙層形成有效通風(fēng)防護(hù)層。通過(guò)持續(xù)不斷的通風(fēng)以及LNG氣體探頭，使燃?xì)怆p壁管的外層保護(hù)管內(nèi)保持相對(duì)負(fù)壓，并時(shí)刻處于監(jiān)控范圍內(nèi)。因此當(dāng)輸送燃?xì)獾膬?nèi)管破裂時(shí)，LNG氣體探頭可及時(shí)反饋關(guān)斷信號(hào)，以切斷 LNG燃?xì)獾墓?yīng)；同時(shí)，雙壁管內(nèi)的負(fù)壓可有效防止燃?xì)庑孤┲疗渌?jīng)的安全之處，避免造成嚴(yán)重事故。

2 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)通風(fēng)設(shè)計(jì)流程

現(xiàn)階段主流燃?xì)庑蛣?dòng)力船舶的主機(jī)均采用以天然氣和燃油為燃料的雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)，因此燃?xì)庀到y(tǒng)的布置大致可分為如下2種情況[1]。

1）本質(zhì)安全機(jī)器處所：機(jī)器處所的布置應(yīng)使得機(jī)器處所在任何情況下（正常和不正常情況）均處于氣體安全狀態(tài)。

2）ESD防護(hù)式機(jī)器處所：機(jī)器處所的布置使其在正常情況下被認(rèn)為處于氣體安全狀態(tài)，但在某種異常情況下，可能變?yōu)闅怏w危險(xiǎn)區(qū)域。當(dāng)出現(xiàn)燃料氣體泄漏等異常情況時(shí)，非安全設(shè)備（點(diǎn)燃源）/機(jī)械應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉，只允許防爆型設(shè)備/機(jī)械運(yùn)行。

基于上述2種布置情況，對(duì)船舶燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)（即對(duì)所有供氣管路）進(jìn)行氣密環(huán)圍，例如采用雙壁管路或管道。雙燃料主機(jī) LNG供氣管路應(yīng)選擇為雙壁管，同時(shí)燃料供氣管路經(jīng)過(guò)的燃?xì)忾y組系統(tǒng)（Gas Valve Unit，GVU）應(yīng)為全封閉型，以防 LNG供氣管內(nèi)的氣體泄露進(jìn)入安全區(qū)域內(nèi)。氣體燃料管應(yīng)被安裝在通風(fēng)管或管道內(nèi)，在氣體燃料管和通風(fēng)管或管道內(nèi)壁之間的空間應(yīng)用以設(shè)置機(jī)械抽風(fēng)設(shè)備，其排量至少為30次/h[2]；應(yīng)將通風(fēng)系統(tǒng)布置成能夠維持其壓力低于大氣壓力的系統(tǒng)，且該雙壁管內(nèi)負(fù)壓值應(yīng)根據(jù)主機(jī)及GVU的要求確定。

由于燃?xì)怆p壁管的敷設(shè)路徑長(zhǎng)，且雙壁管間的空氣流通截面積遠(yuǎn)小于常規(guī)的通風(fēng)管道，因此燃?xì)怆p壁管通風(fēng)風(fēng)機(jī)應(yīng)選擇高靜壓、適當(dāng)風(fēng)量的防爆風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)電機(jī)應(yīng)置于通風(fēng)管或管道之外，同時(shí)電機(jī)應(yīng)符合安裝區(qū)域的防爆保護(hù)要求。通風(fēng)口應(yīng)設(shè)置保護(hù)屏，而保護(hù)屏應(yīng)布置在無(wú)可燃燃?xì)狻諝饣旌蠚猓赡鼙稽c(diǎn)燃）的位置。為保證風(fēng)量平衡，燃?xì)怆p壁管還需設(shè)置透氣管，透氣管頭需位于安全區(qū)域；燃?xì)怆p壁管排風(fēng)需設(shè)置排氣桅，排氣桅需位于危險(xiǎn)區(qū)域且距生活樓至少15 m，如圖2所示。排氣桅處還需設(shè)置防火網(wǎng)。同時(shí)，燃?xì)怆p壁管的排氣管道還需設(shè)置止回閥與截止閥。

圖2 燃?xì)怆p壁管排氣桅

對(duì)于采用機(jī)械抽風(fēng)的系統(tǒng)而言，抽風(fēng)機(jī)每根進(jìn)風(fēng)管的風(fēng)口均應(yīng)根據(jù)氣體燃料可能聚集的區(qū)域進(jìn)行布置。如若以天然氣為燃料，其進(jìn)風(fēng)口一般應(yīng)布置在艙室上部；如若以液化石油氣為燃料，則其進(jìn)風(fēng)口一般應(yīng)布置在艙室下部。

3 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)通風(fēng)計(jì)算及風(fēng)機(jī)設(shè)備選型

在整個(gè)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，雙壁管內(nèi)部的通風(fēng)計(jì)算尤其是雙壁管路內(nèi)部的通風(fēng)壓降計(jì)算是整個(gè)設(shè)計(jì)的重要組成部分。由于通風(fēng)氣流在雙壁管的內(nèi)管與外管間的間隙層中流動(dòng)，因此壓降損失計(jì)算將按照同心圓柱環(huán)形間隙流動(dòng)這一物理模型進(jìn)行考量計(jì)算，如圖3所示。

圖3 燃?xì)怆p壁管

雙壁管直管段部分壓降計(jì)算可采用式(1)。

式中：ΔP為雙壁管直管路壓降，Pa；qv為雙壁管內(nèi)通風(fēng)流量，此流量值根據(jù)雙壁管內(nèi)部間隙容積按照30/h的最小換氣次數(shù)求得，m3/h；L為雙壁管直管段長(zhǎng)度，m；μ為壓強(qiáng)101.325 kPa、溫度為35℃的條件下空氣的動(dòng)力黏度值≈1.86×10?5mPa·s；d為雙壁管內(nèi)管（即LNG燃?xì)夤埽┩鈴剑琺；h為雙壁管外觀內(nèi)壁至內(nèi)管外壁的垂向最小距離，m。

燃?xì)夤?yīng)管路的彎頭及其他相關(guān)附件的壓降值可參考常量系數(shù)進(jìn)行預(yù)估。整個(gè)雙壁管系統(tǒng)的壓降損失為雙壁管/非雙壁管直管段、彎管、附件及GVU負(fù)壓值的總和。其中，GVU及直管段這2部分貢獻(xiàn)絕大部分的壓降值。目前，我們已建的 28 000 m3LNG船中對(duì)GVU要求負(fù)壓2 000 Pa，考慮到管路中的壓力損失，本文選型的風(fēng)機(jī)靜壓為3 000 Pa。

在整個(gè)雙壁管燃?xì)馔L(fēng)的風(fēng)量和靜壓確認(rèn)之后，著手對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《氣體燃料動(dòng)力船檢驗(yàn)指南》中對(duì)無(wú)火花風(fēng)機(jī)要求危險(xiǎn)處所使用的風(fēng)機(jī)風(fēng)扇和通風(fēng)導(dǎo)管（僅指風(fēng)扇處）應(yīng)為如下規(guī)定的非火花結(jié)構(gòu)：

1）非金屬結(jié)構(gòu)的葉輪或機(jī)殼，對(duì)消除靜電應(yīng)予以適當(dāng)注意；

2）有色金屬材料的葉輪和機(jī)殼；

3）奧氏體不銹鋼葉輪和機(jī)殼；

4）鐵質(zhì)葉輪和機(jī)殼，其設(shè)計(jì)的葉梢間隙不小于13 mm。

5）對(duì)于鋁合金或鎂合金的固定或旋轉(zhuǎn)部件與鐵質(zhì)的固定或旋轉(zhuǎn)部件的任何組合，不論其葉梢間隙多大，均認(rèn)為有產(chǎn)生火花的危險(xiǎn)，故不能用于氣體危險(xiǎn)處所。

考慮規(guī)范中要求的主機(jī)在采用燃?xì)夤r時(shí)燃?xì)怆p壁管內(nèi)的通風(fēng)連續(xù)性，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)按照 2×100%設(shè)置風(fēng)機(jī)以保證當(dāng)1臺(tái)風(fēng)機(jī)故障停止運(yùn)行之后，另1臺(tái)風(fēng)機(jī)可以保證系統(tǒng)的連續(xù)工作。

綜上所述，公司已建的28 000 m3LNG運(yùn)輸船燃?xì)怆p壁管通風(fēng)系統(tǒng)配備的通風(fēng)機(jī)為：2臺(tái)風(fēng)量200 m3/h、靜壓3 000 Pa的防爆無(wú)火花離心風(fēng)機(jī)。

4 燃?xì)夤?yīng)通風(fēng)系統(tǒng)控制與報(bào)警

在考慮LNG氣體燃料易燃易爆性的基礎(chǔ)上，為確保動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行的安全，對(duì)燃?xì)夤?yīng)雙壁管系通風(fēng)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)和報(bào)警點(diǎn)設(shè)置也尤為重要。

鑒于主機(jī)使用LNG燃料時(shí)，雙壁管的通風(fēng)不允許停止，進(jìn)而需要風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的供電系統(tǒng)對(duì)主配電板和應(yīng)急配電板均設(shè)獨(dú)立線路進(jìn)行供電（見(jiàn)圖4）。由主配電板或應(yīng)急配電板設(shè)公用線路進(jìn)行供電，其中1組風(fēng)機(jī)失效時(shí)，通風(fēng)能力降低不應(yīng)超過(guò)50%。

圖4 28 000 m3LNG運(yùn)輸船的燃?xì)怆p壁管通風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)管路內(nèi)有氣體燃料（即發(fā)動(dòng)機(jī)處于燃?xì)饽Ｊ剑r(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)，所以在燃料供應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)管路上設(shè)置氣體流量計(jì)和壓力計(jì)。當(dāng)排風(fēng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生和維持所需的空氣流量時(shí)，氣體燃料總閥將自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)通風(fēng)系統(tǒng)失效時(shí)，在值班位置必須有相應(yīng)的報(bào)警和顯示。

燃?xì)夤?yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有連續(xù) LNG氣體探測(cè)裝置以監(jiān)測(cè)氣體燃料的泄漏情況。當(dāng)出現(xiàn) LNG泄漏情況時(shí)，在切斷向機(jī)器處供應(yīng)氣體燃料的同時(shí)，向內(nèi)外管之間自動(dòng)充灌氮?dú)?，則通風(fēng)能力可減少至每小時(shí)換氣10次[3]。

5 結(jié)論

雖然目前船東可以通過(guò)燃燒低硫燃油或在船上安裝脫硫裝置這2種方式，達(dá)到國(guó)際組織的排放要求，但隨著國(guó)際組織對(duì)海洋船舶有害物質(zhì)排放要求的日益嚴(yán)格，環(huán)境監(jiān)管部門對(duì)船舶硫化物等的排放監(jiān)管力度勢(shì)必加大。可以預(yù)見(jiàn)，LNG作為一種綠色環(huán)保的船舶燃料將有很大的應(yīng)用潛力。

本文以實(shí)際建造的28 000 m3LNG運(yùn)輸船為例，系統(tǒng)地描述了燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)，希望為今后類似的LNG動(dòng)力船舶燃?xì)庀到y(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供借鑒參考。