13 000 DWT敞口多用途重吊船輪機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

楊 瑋 高 晶 馬幽雅

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

13 000 DWT多用途重吊船入級DNV GL船級社，滿足無限航區(qū)要求，E3等級冰區(qū)加強(qiáng)，輪機(jī)入級有AUT和EP-D附加標(biāo)志。上層建筑布置在首部，全船設(shè)有兩個(gè)貨艙，甲板上可載運(yùn)包裝形式的所有危險(xiǎn)品，貨艙內(nèi)以包裝形式載運(yùn)1.1-1.6，1.4S，2.1，2.2，3，4（4.3 液體 FP＜23oC 除外），5.1，6.1，8 和 9 類危險(xiǎn)品 （需要連續(xù)機(jī)械通風(fēng)的危險(xiǎn)品除外）。其中No.2貨艙長度為105 m，即可帶蓋又可敞口載運(yùn)貨物。機(jī)艙位于No.2貨艙后部下方。在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中，機(jī)艙布置、機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)、艙底壓載系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)室布置等的設(shè)計(jì)和布置遇到了不少難點(diǎn)。

該船目前已順利交付營運(yùn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。本文重點(diǎn)對輪機(jī)上述幾個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 機(jī)艙布置

1.1 鍋爐布置

該船機(jī)艙位于尾部，如圖1所示。為了保證貨艙艙壁的連續(xù)性和完整性，滿足No.2貨艙裝運(yùn)大件要求，機(jī)艙上部完全被貨艙覆蓋，屬于貨艙二甲板的延伸部分。煙囪位于左舷舷側(cè)通道，如圖2所示。為使鍋爐廢氣側(cè)蒸發(fā)量滿足ISO工況、主機(jī)CSR點(diǎn)運(yùn)行時(shí)全船蒸汽耗量需要，規(guī)格書要求設(shè)置1臺立式燃油廢氣組合鍋爐，主機(jī)和2臺發(fā)電柴油機(jī)的排氣管接入此鍋爐，燃油側(cè)和廢氣側(cè)的蒸發(fā)量分別為2 000 kg/h 和 700 kg/h＋2×200 kg/h。 立式組合鍋爐高約5 900 mm，筒體直徑約2 300 mm，由于機(jī)艙平臺至上甲板的高度只有4.3 m，機(jī)艙棚的寬度只有3 m，無法布置立式組合鍋爐，因此將鍋爐拆分成2個(gè)——臥式燃油廢氣組合鍋爐和輔機(jī)廢氣鍋爐，分別布置于機(jī)艙平臺左側(cè)和機(jī)艙棚。為此，主機(jī)渦輪增壓器排氣口向后旋轉(zhuǎn)90°，如圖2所示，主機(jī)排氣管以近乎水平布置的方式接入臥式燃油廢氣組合鍋爐的廢氣側(cè)。

圖1 機(jī)艙縱剖面（右）

圖2 機(jī)艙橫剖面

1.2 通道布置

因機(jī)艙棚橫向凈寬度只有2.1 m，筒體直徑為1 500 mm的輔機(jī)廢氣鍋爐布置于此，幾乎把機(jī)艙棚前后通道截?cái)?。由于機(jī)艙棚內(nèi)部的通道被隔斷，為了滿足海上人命安全公約（SOLAS）有關(guān)機(jī)艙有1個(gè)通向開敞甲板且要能到達(dá)安全區(qū)域的通道要求，機(jī)艙棚前后壁設(shè)置通向開敞區(qū)域的門，機(jī)艙左舷側(cè)布置了2個(gè)通道，即1部斜梯、1部直梯，通道最小寬度為600 mm，分別通向上甲板機(jī)艙棚前后區(qū)域，如圖3所示。SOLAS除了要求有1部通向開敞處所的梯子，還要求設(shè)置1個(gè)脫險(xiǎn)通道，鑒于該船集控室、機(jī)修間等布置在機(jī)艙右舷，其脫險(xiǎn)通道沒有按常規(guī)設(shè)置直梯，而是布置了斜梯，如圖4所示。這樣既滿足SOLAS要求，也能方便船員從上甲板右舷出入機(jī)艙。

1.3 油霧箱布置

根據(jù)國際載重線公約第20條要求的解釋，如船舶在夏季載重線吃水橫傾小于40°時(shí)，空氣管開口會被淹沒，則裝于該開口的關(guān)閉裝置應(yīng)為自動式。通常尾機(jī)型干貨船的煙囪位于上建中部區(qū)域，位置較高，機(jī)艙油霧箱位于煙囪中上部，通過不帶關(guān)閉裝置的固定式百葉窗與大氣相通。但該船上建布置在首部，而煙囪位于尾部舷側(cè)上甲板上，在設(shè)計(jì)吃水且橫傾40°情況下，油霧箱的百葉窗開口會被淹沒，所以需設(shè)置關(guān)閉裝置。因油霧箱容積有限，其內(nèi)部燃油、滑油艙等空氣管無法安裝帶自動關(guān)閉裝置的空氣管頭，一旦關(guān)閉油霧箱百葉窗，機(jī)艙油艙將無法透氣，存在安全隱患，因此取消油霧箱百葉窗的設(shè)置。經(jīng)計(jì)算，改在油霧箱頂部設(shè)置1根管徑為DN300的透氣管延伸至煙囪頂板。

圖3 機(jī)艙平臺

圖4 上甲板

2 機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)

機(jī)艙設(shè)置2臺可逆轉(zhuǎn)變頻風(fēng)機(jī)，布置于機(jī)艙后部的上甲板中間區(qū)域。因該船在上甲板上設(shè)有一層與貨艙艙口圍高度齊平的載貨平臺，即頂甲板，機(jī)艙風(fēng)機(jī)直接安裝在頂甲板下方，為了避免雨天風(fēng)機(jī)吸入大量雨水，在風(fēng)機(jī)前部區(qū)域設(shè)置了低于風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口的擋板，如圖1所示。機(jī)艙2臺風(fēng)機(jī)分別為機(jī)艙左側(cè)和右側(cè)提供燃燒和散熱的新風(fēng)，機(jī)修間和分油機(jī)區(qū)域的抽風(fēng)機(jī)設(shè)置在右舷。因煙囪位于機(jī)艙左舷前端，空間狹小，除布置輔機(jī)廢氣鍋爐，還設(shè)有3根輔機(jī)排氣管和1根主機(jī)排氣管、膨脹水箱、高置油柜和消音器等。為評估煙囪的通風(fēng)效果，對此區(qū)域的排風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行了估算，見表1。

由表1可知，按ISO 8861——1998計(jì)算，煙囪的排風(fēng)風(fēng)速較高，考慮到煙囪格柵凈流通面積小于所敷設(shè)面積，且還需布置機(jī)艙油艙的透氣管等，實(shí)際煙囪有效排風(fēng)面積還要減小。為了機(jī)艙氣流的順暢，不留死角，降低煙囪排風(fēng)風(fēng)速，在上甲板左舷煙囪后部、右舷機(jī)艙中部，增設(shè)20 000 m3/h的抽風(fēng)機(jī)各一臺。理論計(jì)算表明，增加了抽風(fēng)機(jī)，機(jī)艙左舷縱艙壁和煙囪的排風(fēng)風(fēng)速分別為4.9m/s和6.9m/s。經(jīng)實(shí)船驗(yàn)證，2臺抽風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)行，對機(jī)艙通風(fēng)有了很明顯的改善。

表1 機(jī)艙煙囪排風(fēng)量估算

3 艙底消防系統(tǒng)

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

該船No.2貨艙分敞口和封閉兩種使用工況。敞口多用途船在敞口情況下既可載運(yùn)集裝箱，也能載運(yùn)大件。目前生效的公約指導(dǎo)文件有《MSC/Circular.608/Rev.1-Interim Guidelines for Open-top Containerships》。根據(jù)《敞口集裝箱船規(guī)則》要求，貨艙消防需采用水噴淋滅火，覆蓋單個(gè)貨艙內(nèi)所有集裝箱，其噴淋水量根據(jù)艙口圍垂直面積，按1.1 L/m2·min計(jì)算，單個(gè)貨艙長度一般不超過50 m；而當(dāng)在敞口情況下裝運(yùn)大件時(shí)，船級社要求消防噴淋水量按貨艙水平面積的5 L/m2·min計(jì)算；而當(dāng)貨艙封閉載運(yùn)1.1-1.6類危險(xiǎn)品時(shí)，SOLAS要求噴淋冷卻水量按貨物處所水平區(qū)域面積和至少5 L/m2·min計(jì)算。由于規(guī)范和公約沒有針對多用途船敞口貨艙的消防要求，該船No.2貨艙長達(dá)105 m，參照上述要求計(jì)算的噴淋水量最大為1080 m3/h，按此配置要求太高，管路無法布置。因此，與GL溝通協(xié)商解決方案并達(dá)成一致，即參照A.123（V）決議（《關(guān)于特種處所固定式滅火系統(tǒng)的建議》），噴淋面積按貨艙水平面積計(jì)，沿貨艙長度每20 m一個(gè)分區(qū)，噴水率按5 L/m2·min，同時(shí)覆蓋2個(gè)分區(qū)配置。綜合上述3種貨艙載運(yùn)工況，取其最大計(jì)算值。

3.2 計(jì)算方法

3.2.1 噴淋泵排量計(jì)算

貨艙在有蓋封閉的情況下，裝運(yùn)1.1至1.6的包裝危險(xiǎn)品，噴淋水量為5L/m2·min，按貨艙水平面積計(jì)。該船No.2貨艙長度為105 m，水平長度20 m一個(gè)分區(qū)，噴淋水量同時(shí)覆蓋2個(gè)分區(qū)，考慮貨艙艙蓋和二甲板設(shè)置噴淋系統(tǒng)，計(jì)算公式見式（1）：

式中：Q——噴淋泵排量，m3/h；

q——噴水率，取5 L/m2·min；

l——No.2貨艙分區(qū)長度20 m；

b——No.2貨艙寬度20 m；

c——裕度，取1.15

將q、l、b、c代入式（1），計(jì)算可得Q＝552 m3/h

3.2.2 艙底泵排量計(jì)算

艙底泵排量按下列兩種方式計(jì)算，取其大值：

1） 按船級社規(guī)范有關(guān)貨船艙底水總管內(nèi)徑要求，計(jì)算公式見式（2）：

式中：Q——艙底泵排量，m3/h；

d——總管計(jì)算內(nèi)徑，取150.2 mm

計(jì)算結(jié)果：Q＝129.7 m3/h。

2）該船是敞口多用途船，其艙底水系統(tǒng)參照敞口集裝箱規(guī)則設(shè)計(jì)，艙底泵排量按下列5點(diǎn)要求計(jì)算，取其最大值：

（1）由綜合模型試驗(yàn)確定的海上航行狀態(tài)下最大的每小時(shí)貨艙上浪量。前期方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)敞口集裝箱規(guī)則，在沒有模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)情況下，任一敞口貨船的最大每小時(shí)上浪量不超過400 mm/h，計(jì)算公式見式（3）：

式中：L——No.2貨艙長度為105 m；

b——No.2貨艙寬度為20 m

計(jì)算結(jié)果：Q＝840 m3/h。

（2）100 mm/h 的降雨量，計(jì)算公式見式（4）：

式中：L、b與上節(jié)相同

計(jì)算結(jié)果：Q=210 m3/h。

（3）模型在橫浪無動力狀態(tài)下，耐波性試驗(yàn)所測得的貨艙每小時(shí)上浪量乘以安全系數(shù)2，Q值暫取與（1）中計(jì)算值相同，即 Q=840 m3/h。

（4）最大敞口貨艙內(nèi)消防所需水量的4/3，計(jì)算公式見式（5）：

式中：噴淋泵排量為552 m3/h；

水槍流量取23 m3/h

計(jì)算結(jié)果：Q=858.7 m3/h。

（5）相當(dāng)于封閉貨艙所需要的排量，計(jì)算公式見式（6）：

式中：噴淋泵排量、水槍流量與上節(jié)相同

計(jì)算可得Q=805 m3/h。

取上述（1）至（5）計(jì)算結(jié)果最大值，艙底泵排量取為858.7 m3/h。

該船船模試驗(yàn)顯示，海上航行狀態(tài)下貨艙最大的每小時(shí)上浪量為36.5 mm/h，橫浪無動力狀態(tài)下貨艙最大的每小時(shí)上浪量為33.5 mm/h，遠(yuǎn)小于在沒有模型試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)情況下假定的每小時(shí)上浪量400 mm，所需艙底泵排量也遠(yuǎn)小于上述計(jì)算值。

綜合考慮上述計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，最終艙底泵排量確定為858.7 m3/h，實(shí)取860 m3/h。

3.3 艙底消防泵配置和運(yùn)行

《敞口集裝箱船規(guī)則要求》設(shè)置3臺艙底泵，其中至少1臺泵的排量為上述計(jì)算值，另2臺泵的組合排量不小于上述計(jì)算取值，且此3臺泵的布置應(yīng)使得泵所在處所或主動力源處所發(fā)生火災(zāi)或其他事故時(shí)，其正常運(yùn)行不受影響，即3臺泵需分艙布置，其中1臺由應(yīng)急配電板供電。另根據(jù)《敞口集裝箱規(guī)則要求》，當(dāng)專用噴淋泵不能工作時(shí)，消防泵應(yīng)作為其備用，總排量需滿足噴淋水量的50%。實(shí)船艙底、消防泵的配置和運(yùn)行如表2和表3所示，完全滿足規(guī)則和實(shí)際使用要求。

4 機(jī)艙冷卻水系統(tǒng)

該船機(jī)艙采用中央淡水冷卻。中央冷卻器及冷卻水泵的容量配置，滿足當(dāng)環(huán)境溫度45℃，海水溫度34℃，低溫冷卻淡水溫度36℃，主機(jī)SMCR和2臺柴油發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行。該船主機(jī)為MAN B&W 7S40ME-B9.5，2014年MAN發(fā)布有關(guān)主機(jī)空冷器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)定的通函。為了減少缸套、活塞環(huán)磨損，減少氣缸油耗量，主機(jī)空冷器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)定，建議由原來的36℃改為10℃。其帶來的另一個(gè)好處，就是主機(jī)燃油耗率也有降低，冷卻水溫度每降低10℃，燃油耗率減少 0.7～1.0g/kW·h，如圖5所示。

表2 艙底消防泵配置

表3 No.2貨艙敞口封閉載運(yùn)艙底消防泵運(yùn)行組合

圖5 MAN低速機(jī)燃油耗率比較

該船設(shè)計(jì)前期，在規(guī)格書已簽字生效情況下，針對通函要求，向船東提供2個(gè)方案：方案一，主機(jī)空冷器采用海水冷卻，其他設(shè)備仍采用淡水冷卻；方案二，主機(jī)空冷器、滑油冷卻器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)定在10℃，另設(shè)置2臺輔冷卻淡水泵，滿足柴油發(fā)電機(jī)組、空調(diào)冷藏、空壓機(jī)等冷卻需要，但船東均沒有同意，堅(jiān)持維持低溫淡水設(shè)定溫度為36℃。待詳細(xì)設(shè)計(jì)接近尾聲，MAN總部再次發(fā)布有關(guān)空冷器冷卻水溫度設(shè)定要求的通函后，船東提出更改設(shè)計(jì)，要求既滿足主機(jī)空冷器冷卻水進(jìn)口溫度設(shè)定在10℃的要求，在未來又有恢復(fù)到設(shè)定溫度36℃的可能。在設(shè)備已訂貨完畢，不增加成本情況下，冷卻水熱平衡系統(tǒng)修改如圖6所示，至主機(jī)低溫冷卻淡水管路上增加1個(gè)溫控閥，其設(shè)定溫度隨外界海水溫度的變化，盡可能為10℃，減小了主機(jī)的缸套腐蝕，降低了燃油耗率。

圖6 冷卻水熱平衡系統(tǒng)

5 應(yīng)急發(fā)電機(jī)室布置

該船應(yīng)急發(fā)電機(jī)室位于首部上層建筑區(qū)域?？紤]應(yīng)發(fā)室需連續(xù)通風(fēng)，按照國際載重線公約要求，通風(fēng)高度必須要滿足位置1甲板以上4.5 m，位置2甲板以上2.3 m的要求。該船的通風(fēng)筒處于位置2，即位于從首垂線起船長的四分之一以前，且在干舷甲板以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上層建筑高度的露天上層建筑甲板上。該船上甲板下的二甲板為干舷甲板，根據(jù)載重線公約要求，通風(fēng)百葉窗下緣距離頂甲板需為2.3 m以上，可以不設(shè)置風(fēng)雨密關(guān)閉裝置，如圖7和圖8所示。但該船應(yīng)急發(fā)電機(jī)兼停泊發(fā)電機(jī)，機(jī)組功率為290 kW，應(yīng)發(fā)柴油機(jī)的額定功率為405 kW，按SOLAS規(guī)定，用作非主推進(jìn)，合計(jì)總輸出功率不小于375 kW的內(nèi)燃機(jī)所在處所為A類機(jī)器處所，為此設(shè)置獨(dú)立固定CO2滅火系統(tǒng)、1套手提式泡沫槍裝置和1具45l泡沫滅火器。從防火角度，在其通風(fēng)進(jìn)出口處設(shè)置了關(guān)閉裝置。

圖7 應(yīng)急發(fā)電機(jī)室布置圖縱剖面

圖8 應(yīng)急發(fā)電機(jī)室布置圖橫剖面

6 結(jié)語

該船作為敞口型多用途重吊船，貨艙的布置有其特殊性，對于艙底、消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，船級社和國際海事組織均沒有針對此類型船舶的規(guī)范和公約。為此，在做前期方案設(shè)計(jì)階段建議與船級社充分溝通，設(shè)計(jì)方案提請船級社預(yù)審，以避免在后續(xù)設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生重大修改，進(jìn)而影響設(shè)計(jì)和建造進(jìn)度。