LNG燃?xì)怆p壁管抽風(fēng)機選型及計算驗證

秦 俊 孟 寧 楊 帆

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2. 92569部隊 三亞572000）

引 言

近年來，為了減少對海洋排放的污染，國際海事組織（IMO）已經(jīng)規(guī)定在2020年全球海域?qū)⑷加偷暮蛄可舷拊O(shè)為0.5%；而一些特定的排放控制區(qū)，含硫量的標(biāo)準(zhǔn)則定位0.1%之內(nèi)。因此，面對這些日益嚴(yán)苛的排放規(guī)定，LNG燃料作為可代替燃油的綠色清潔能源，在船舶領(lǐng)域中異軍突起，迅速成為船東們的首選項。然而LNG帶來的不只是清潔能源這個優(yōu)勢，同時也對動力系統(tǒng)安全性帶來了嚴(yán)峻的考驗。LNG船舶的高安全性要求對LNG燃?xì)庀到y(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計也提出了更高要求。

本文將著重對雙壁管抽風(fēng)機如何適當(dāng)選型進(jìn)行說明，為以后可能遇到的設(shè)計預(yù)先準(zhǔn)備。

1 LNG燃料的特點

LNG是一種可代替清潔能源，相較于傳統(tǒng)的燃油有著天然的優(yōu)勢，與其他氣體燃料相比，也有無法比擬的優(yōu)勢。

（1）環(huán)保性

LNG是一種綠色環(huán)保潔凈能源，幾乎不含硫、粉塵等其他有害物質(zhì)。燃燒時產(chǎn)生的CO少于其他化石燃料，對GHG（溫室氣體）效應(yīng)的危害小，可以從源頭幫助解決環(huán)境污染問題。

（2）經(jīng)濟(jì)性

由于目前原油價格的不穩(wěn)定性，柴油目前的價格在4 000元/t左右上下浮動。而LNG則是2 700元/t 左右。雖然LNG的燃燒效率不如船用燃油那么高，但是從目前市場來看，LNG的價格還是有不少優(yōu)勢。

（3）安全性

相較于其他氣體燃料來說，LNG易散發(fā)、比重輕于空氣，不容易積聚成爆炸集體，也不會污染水體。LNG燃點在650℃以上，較柴油燃點更高；同時，LNG的爆炸濃度低于LPG的1.5%～9.5%（LNG為5%～15%），不易瞬間爆炸，故更為安全。

2 LNG系統(tǒng)通風(fēng)的必要性

一般情況下，LNG燃?xì)庀到y(tǒng)可以由燃?xì)饧幼⒄?、燃?xì)鈨Υ婀?、燃?xì)鈿饣瘑卧⑷細(xì)廨斔凸艿?、燃?xì)忾y組、燃?xì)庥脩簟⒍铓鈫卧?、通風(fēng)系統(tǒng)和燃?xì)馓綔y等組成。各功能單元相互組合后形成一個復(fù)雜的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。圖1為一個簡化版的LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)圖?？梢钥闯觯麄€燃?xì)庀到y(tǒng)自儲存罐開始至燃?xì)庥脩粜枰?jīng)過數(shù)個不同的區(qū)域。

圖1 典型雙燃料LNG船燃?xì)庀到y(tǒng)示意圖

其中，機艙內(nèi)是一個相對密閉的處所，若發(fā)生燃?xì)庑孤?，則會導(dǎo)致燃?xì)獯罅烤奂斜[患。

因此，燃?xì)庑孤┑臋z測以及燃?xì)庑孤┖蟮难杆倥懦龑τ谡踩且粋€至關(guān)重要的步驟。一般情況下，船上的燃?xì)夤艿罆捎秒p壁管的形式，將意外泄露的燃?xì)獍趦?nèi)管與外管之間，減少其對管外區(qū)域安全的影響。而雙壁管夾層中的燃?xì)庑枰褂蔑L(fēng)機將其抽離至船上事先劃分的安全區(qū)域進(jìn)行應(yīng)急排放，使雙壁管內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，對于該抽風(fēng)機的選型具有一定要求。

此外，根據(jù)IGC CODE 的第16.3 章規(guī)定：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)設(shè)置機械抽風(fēng)設(shè)備，其排量至少為每小時30次；與此同時，通風(fēng)系統(tǒng)最好需要將雙臂管內(nèi)壓力維持在低于大氣壓力的狀態(tài)下。本文所述通風(fēng)系統(tǒng)為燃?xì)夤艿碾p壁管設(shè)置了抽氣風(fēng)機，并推薦了計算方法，以滿足每小時30 次的通風(fēng)要求。

圖2 雙壁管管示例

3 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機選型的計算方法

正確選擇風(fēng)機是保證整個通風(fēng)系統(tǒng)良好工作的一個重要步驟，而正確地選擇風(fēng)機則需要對整個通風(fēng)系統(tǒng)所需風(fēng)量以及靜壓進(jìn)行估算。每臺風(fēng)機都有著不同的風(fēng)量及靜壓，因此預(yù)估一個通風(fēng)系統(tǒng)的沿程阻力以及所需風(fēng)量至關(guān)重要。而在先期設(shè)計中，因為無法預(yù)估船廠放樣后的具體燃?xì)夤軘?shù)據(jù)，往往只能估算風(fēng)機所需風(fēng)量以及靜壓，以便船廠訂貨。因此，當(dāng)放樣結(jié)束之后，需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行再次核算，來確定風(fēng)機的選型是否符合整個系統(tǒng)所需的要求。

在驗證風(fēng)機選型正確與否的過程中，需要對整個雙壁管管路所需的每小時30次換氣量、沿程阻力、局部損失等數(shù)據(jù)進(jìn)行逐個計算并疊加來確保風(fēng)機的風(fēng)量及靜壓足夠支撐整個系統(tǒng)的運行。

3.1 雙壁管沿程阻力損失

沿程阻力是由空氣本身的粘滯性及其與管壁間的摩擦而產(chǎn)生的沿程能量損失，因此其與管路長度成正比關(guān)系。其公式可以表示為：

式中：

λ

為管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)；

d

為當(dāng)量直徑，m；

ρ

為流體密度，kg/m；

V

為流體流速，m/s。

式（1）中的摩擦阻力系數(shù)計算公式：

式中：

λ

為管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)；

d

為當(dāng)量直徑，m；

Re

為雷諾數(shù)。

雷諾數(shù)公式表達(dá)：

式中：

Re

為雷諾數(shù)；

v

為平均流速，m/s；

d

為管子的內(nèi)徑，m；

γ

為運動粘性系數(shù)15.06×10。

3.2 計算結(jié)果及選型

以機艙內(nèi)閥間到主機段雙壁管為例，整段管路的原理圖見下頁圖3。

圖3 機艙管內(nèi)燃?xì)夤┙o管示例

機艙內(nèi)閥間至吸風(fēng)口風(fēng)阻計算以及機艙內(nèi)主機至吸風(fēng)口風(fēng)阻計算可能見下頁表1和表2。

可以從上述計算表格中看出，兩個管段的計算阻力結(jié)果。閥間至抽風(fēng)口雙壁管段的風(fēng)量需求大約為30 m/h，阻力損失大約為0.465 Pa。主機至抽風(fēng)口管段的風(fēng)量需求大約為20 m/h，阻力損失161 Pa。因此，在選擇此管段抽風(fēng)機時，風(fēng)機風(fēng)量控制在50～55 m/h為宜。而風(fēng)機的靜壓選擇除了要考慮到管路的阻力外，還需要滿足系統(tǒng)負(fù)壓要求，以X92DF機器為例，其要求負(fù)壓保持在2 000 Pa左右，因此可以選擇靜壓為3 000 Pa左右的風(fēng)機。

表1 機艙內(nèi)閥間至吸風(fēng)口風(fēng)阻計算

表2 機艙內(nèi)主機至吸風(fēng)口風(fēng)阻計算

4 結(jié) 語

在設(shè)計整個船舶LNG系統(tǒng)時，系統(tǒng)通風(fēng)的重要性必須在前期考慮進(jìn)去。同時，對于燃?xì)夤軄碚f，雙壁管的內(nèi)部通風(fēng)至關(guān)重要，需要在選好風(fēng)機時需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行驗算，檢查是否符合系統(tǒng)整體所需風(fēng)量以及阻力的需求，并根據(jù)阻力計算的結(jié)果來進(jìn)行最后的風(fēng)機選型。