20萬t級雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)設(shè)計

莊士超，李欣，王怡，周熲

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著在遠(yuǎn)洋船舶中雙燃料動力船的增多，天然氣的泄漏和著火引起的火災(zāi)事故逐漸引起航運界的重視。LNG作為低溫燃料，一旦泄露會迅速汽化形成白煙并與周圍空氣混合后發(fā)生爆炸[1]。在遠(yuǎn)洋船舶上的LNG儲存艙體積大，一旦發(fā)生著火或者爆炸會對船舶和船上人員造成嚴(yán)重的損傷。所以，如何在大型遠(yuǎn)洋船舶上針對LNG供氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的消防保護(hù)，是關(guān)乎船舶與人員安全的重要問題。

按照規(guī)范要求，遠(yuǎn)洋船舶一般都會配備相應(yīng)的消防系統(tǒng)作為保證船舶在海上安全航行的關(guān)鍵保障之一。LNG相關(guān)區(qū)域或部位的消防系統(tǒng)有水霧系統(tǒng)、CO2滅火系統(tǒng)和干粉滅火系統(tǒng)。各系統(tǒng)具有各自的特點適用于不同的火情，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)船舶的具體情況采用有效的滅火形式[2]。雙燃料LNG相關(guān)區(qū)域固定滅火系統(tǒng)應(yīng)按《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(以下簡稱《IGF CODE》)的要求配備，具體要求見表1。

在LNG相關(guān)區(qū)域和部位中，水霧系統(tǒng)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)大于干粉滅火系統(tǒng)和CO2滅火系統(tǒng)[3]。水霧系統(tǒng)由消防泵或水霧泵將海水由消防總管輸送至各支管段，再由布置在支管段上的噴嘴將海水以小顆粒的水霧狀噴射至限界面，在起到消防滅火的作用的同時，還能夠冷卻燃料艙，便于LNG的低溫保存，降低燃爆幾率。沿燃料艙下流的消防水還能夠降低燃料艙及鞍座的溫度傳導(dǎo)梯度，對船體等有一定的保護(hù)作用[4]。相對于干粉滅火系統(tǒng)和CO2滅火系統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用場景，水霧系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮與常規(guī)水滅火系統(tǒng)的匹配，消防和冷卻兩類功能的實現(xiàn)，以及大范圍、多場景的應(yīng)用等。

表1 LNG相關(guān)區(qū)域固定滅火系統(tǒng)的配置

以20萬t雙燃料散貨船為對象，進(jìn)行IMO Type-C LNG燃料艙的水霧系統(tǒng)的設(shè)計。

1 水霧系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域

20萬t級雙燃料散貨船LNG燃料艙采用IMO Type-C 燃料艙，全長約30 m，直徑約12 m，沿船艏方向，布置于主甲板左右兩舷側(cè)上，LNG燃料艙及周圍的布置見圖1。

圖1 LNG燃料艙及周圍的布置圖

根據(jù)《IGFCODE》規(guī)定，燃料艙位于開敞甲板上時，水霧系統(tǒng)還應(yīng)覆蓋面向燃料艙的上層建筑、壓縮機室、泵室、貨物控制室、加注控制室、加注站，以及其他甲板室的限界面，限界面距離與罐子在10 m范圍以內(nèi)[5]。如圖1所示，針對20萬t雙燃料散貨船，除2個IMO Type-C 燃料艙艙頂之外，還包括面向LNG燃料艙的從E甲板到主甲板的中心公共區(qū)域和居住區(qū)域的側(cè)壁，主甲板上的救生艇區(qū)域和人行走道的側(cè)壁。根據(jù)本船的實際布置，中心公共區(qū)域內(nèi)需要布置水霧系統(tǒng)的區(qū)域有：燃?xì)馓幚黹g及機艙棚側(cè)壁，CO2間及房間側(cè)壁，以及發(fā)電機室頂棚。為了使水霧對限界面的防護(hù)達(dá)到良好的效果，要求噴淋出的水霧要能夠完全覆蓋限界面。而這一點與所采用噴嘴的噴淋面積和布置方式有關(guān)。在20萬t級雙燃料散貨船中，對于艙頂噴嘴采用向上垂直噴射后形成水霧保護(hù)艙頂?shù)男问?，而對于艙室?cè)壁則采用水平噴射形成水簾的形式保護(hù)艙室側(cè)壁。

噴嘴垂直向上噴射時，水霧在下方水平限界面上可以形成的最大噴淋直徑。其中，左圖表示當(dāng)噴嘴距離限界面安裝高度不低于0.9 m時，水霧的噴淋直徑可達(dá)4.4 m，右圖表示當(dāng)噴嘴距離限界面高度不低于1.2 m時，噴淋直徑可達(dá)6 m。圖3表示噴嘴水平噴射垂直的限界面時，在限界面上所能形成的最大噴淋直徑為3 m。

圖2 噴嘴垂直噴射時水平限界面上的水霧直徑

圖3 噴嘴水平噴射時限界面上的水霧直徑

噴嘴型號及相應(yīng)參數(shù)見表2。單個噴嘴流量按照下式進(jìn)行估算[6]。

(1)

式中：Q為在p值的水壓下噴嘴的水流量，L/min；K為噴嘴系數(shù)，為噴嘴的固有因子；p為噴嘴工作壓力，MPa。

表2 20萬t級雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)所用噴嘴的參數(shù)

噴嘴的安裝高度要根據(jù)實際的安裝空間確定，同時噴嘴數(shù)量和規(guī)格的選用也要考慮到船用疏水泵組的功率。針對該散貨船，在滿足水噴淋范圍全面覆蓋到所有限界面的情況下，為實現(xiàn)噴嘴數(shù)量和水噴淋排量最小化，結(jié)合廠家經(jīng)驗，對于水平限界面上的噴嘴采用6 m的安裝高度，而對于垂直的限界面，噴嘴距離限界面3 m左右。各個區(qū)域的面積及噴嘴數(shù)量見表3。

燃料艙艙頂、救生艇區(qū)域和走道的水噴淋管路及噴嘴布置見圖3。

根據(jù)中心上建區(qū)域剖面所展開的中心公共區(qū)域側(cè)壁的噴淋管路及噴嘴布置見圖4。

如圖4所示，水霧系統(tǒng)的噴嘴所噴淋出的水霧覆蓋了所有的限界面，達(dá)到了對限界面消防保護(hù)的效果。

表3 各區(qū)域噴嘴距離、型式與方向設(shè)計

圖4 水噴淋消防布置

圖5 各個側(cè)壁噴淋管路及噴嘴布置

2 水霧系統(tǒng)排量計算

根據(jù)《IGF CODE》規(guī)定，水霧不僅要覆蓋表3中的4個區(qū)域，且對于水平噴射表面，其噴射率為10 L/(min·m3)，對于垂直噴射表面，其噴射率為4 L/(min·m3)。根據(jù)規(guī)范要求，4個區(qū)域所需要的水霧噴淋量可按下式計算。

(2)

水噴淋系統(tǒng)的設(shè)計除了滿足噴淋的水霧能夠覆蓋所有限界面之外，還需滿足規(guī)范對于不同區(qū)域的水量要求。因此，需要對所設(shè)計的水霧系統(tǒng)的不同區(qū)域內(nèi)水霧噴淋量進(jìn)行計算。

(3)

由以上兩式計算出按規(guī)范要求的各個區(qū)域的水量以及設(shè)計的水霧系統(tǒng)在各個區(qū)域的噴淋水量，結(jié)果見表4。

表4 區(qū)域的規(guī)范要求與設(shè)計的水霧排量對比 L/min

由表4可知，針對20萬t級雙燃料散貨船設(shè)計的水霧系統(tǒng)滿足規(guī)范對限界面噴淋水量的要求，由各個區(qū)域的噴淋水量可計算限界面水霧系統(tǒng)的總排量為929.76。

3 水霧泵規(guī)格確定

對于水霧泵的選擇不僅需要考慮水霧系統(tǒng)的實際布置特征和水量，還需要結(jié)合船舶已有的消防泵[7]。20萬t級雙燃料散貨船的整個消防用水由1臺水霧泵和2臺消防總用泵供給，以滿足水霧系統(tǒng)和常規(guī)的滅火系統(tǒng)所需要的水量。其中，2臺消防總用泵的排量為150 m3/h。由于該船2個IMO Type-C LNG燃料艙分別布置于主甲板左右舷側(cè)，在同一時間內(nèi)，兩側(cè)同時失火的概率極低。在消防控制站內(nèi)水霧總管的布局見圖6。

圖6 消防控制站內(nèi)水霧總管原理圖

2根水霧總管分別由2個獨立的遙控蝶閥控制。一般情況下，2個遙控蝶閥都處在關(guān)閉狀態(tài)，但當(dāng)在船舷一側(cè)發(fā)生火情時，負(fù)責(zé)該舷側(cè)的遙控蝶閥開啟，將來自消防總管的給水輸送至發(fā)送火情的區(qū)域。

所以，LNG相關(guān)區(qū)域水霧系統(tǒng)的水量只需要計算單側(cè)燃料艙及其周圍限界面所需要的最大水量。此外，在油漆間、垃圾房等依然區(qū)域需要加裝水霧噴嘴，其總用水量為15 L/min。所以，實際水霧系統(tǒng)的用水量為488.46 m3/h。

根據(jù)《IGF CODE》要求，消防泵的總排量需要同時滿足操作所需數(shù)目的消火栓、消防軟管及水霧系統(tǒng)。SOLAS要求，消火栓的數(shù)量和位置應(yīng)至少使兩股不是有同一消火栓噴出的水柱可射至船舶航行時乘客或船員通?？梢缘竭_(dá)的任何部分。對于20萬t級雙燃料散貨船而言，當(dāng)消火栓的水量達(dá)到50 m3/h時可滿足規(guī)范要求。則水霧泵的水量為238.46 m3/h。

考慮到噴嘴的工作壓力，本船實際所選用的水霧泵的規(guī)格為250 m3/h，壓力為1.2 MPa，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)規(guī)范要求劃分需要水霧系統(tǒng)保護(hù)的處所。

2)判斷水霧系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域的范圍，確保其應(yīng)能覆蓋規(guī)范要求的限界面，然后確定噴嘴的型號、數(shù)量和布置位置。

3)根據(jù)1)和2)計算水霧系統(tǒng)所需要的總流量。

4)結(jié)合船舶原有的消防泵以及船舶燃料艙布置的實際情況(對稱布置下僅考慮單艙失火)計算水霧系統(tǒng)的水量，并選取負(fù)荷噴嘴工作壓力的水霧消防泵型號。

20萬t級雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)設(shè)計的一般方法和步驟不僅適用于該類船型，也可為其他的大型遠(yuǎn)洋雙燃料動力船舶的水霧系統(tǒng)設(shè)計提供參考。