某油船泵艙易燃物濃度場與通風的數(shù)值分析

周厚俠

摘? ? 要：油船泵艙是油船的重要艙室，也是油氣揮發(fā)較多的高危區(qū)域。易燃物的濃度分布和艙室的通風環(huán)境密不可分。本文選用易燃物的典型代表物——甲烷，作為易燃物濃度分布的研究對象，在自然通風和強制通風兩種不同通風狀態(tài)下，利用CFD軟件Airpak對某油船泵艙在上述兩種情況下的溫度場、速度場、濃度場以及氣流運動軌跡進行了模擬分析，并就二種模擬分析的結(jié)果，給出了優(yōu)化改進的措施。

關(guān)鍵詞：泵艙;溫度場;速度場;濃度場;通風

中圖分類號：U665.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Numerical Analysis of Inflammables Concentration Field and

Ventilation in Pump Room of Oil Tanker

ZHOU Houxia

（ Taizhou City Jinhaiyun Vessel Facility Co.， Ltd.， Taizhou 225300 ）

Abstract： Pump room of oil tanker is not only an important compartment， but also a high risk area of oil and gas volatilization. The concentration distribution of inflammables is closely related to the ventilation environment of the compartment. In this paper， methane， a typical representative of inflammables is selected as the research object of concentration distribution of inflammables. Under two different ventilation conditions： natural ventilation and forced ventilation， the temperature field， velocity field， concentration field and air flow trajectory of an oil tanker pump room are simulated and analyzed by using the CFD software Airpak， and the optimization and improvement measures are given according to the results of the two kinds of simulation analysis.

Key words： Pump Room; Temperature field; Velocity field; Concentration field; Ventilation

1? ? ?前言

泵艙是液貨船上用來設(shè)置裝卸液貨設(shè)備的專用場所，該處有貨油泵、壓載泵、洗艙水加熱器以及各種連接管系、閥門、附屬儀表等。泵艙在油船上屬于高危區(qū)域，特別是在裝卸貨油的時候，可能會產(chǎn)生貨油的泄漏和油氣的揮發(fā)。當油氣聚集到一定的濃度或者局部高溫的情況下，會產(chǎn)生火災(zāi)甚至爆炸，因此該場所對安全性的要求很高。

泵艙的安全性與泵艙的通風情況有著密切的關(guān)系，根據(jù)泵艙風機的啟閉一般分為兩種情況：一種是在船舶正常運營期間，洗艙水加熱器、貨油泵等都是關(guān)閉的，此時的風機也是關(guān)閉的;第二種是當檢修人員進入或者停港裝卸貨油時，特別是卸油的時候洗艙水加熱器和貨油泵同時打開，這時風機是打開的。

泵艙內(nèi)易燃物濃度場的分布，只有在船舶建成運行之后才能知道，如果能在設(shè)計時就模擬出易燃物濃度場的分布，并提出相應(yīng)的改進措施及注意事項，將對泵艙通風系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供一個良好的途徑。針對以上兩種情況，本文利用CFD軟件Airpak對某油輪泵艙易燃物的濃度場分布和通風進行模擬和分析。

2? ? 泵艙物理模型和湍流數(shù)學模型

某船的泵艙位于肋位號FR35～FR40之間，長度為3 m、寬度9.55 m、高度從雙層底到主甲板、總高12.28 m。該泵艙模型（見圖1）分為主甲板以上和主甲板以下兩部分：甲板以下泵艙的左右兩舷皆為船用柴油艙，此艙的加熱溫度對泵艙有一定的影響;在雙層底上，左右兩舷對稱布置有兩個污油井，長度皆為0.625 m、寬度皆為0.6 m，這兩處的污油井為易燃物濃度的產(chǎn)生處;雙層底以上的主要設(shè)備有三臺貨油泵，其電機都位于臨近的機艙內(nèi)，并被隔艙填料函分隔開來，對貨油泵正常工作沒有任何影響;貨油泵左邊有貨油掃艙泵一臺、專用壓載泵兩臺;臨近是洗艙水泵，洗艙水泵的上部為排油監(jiān)控裝置采樣泵和排油監(jiān)控裝置分析單元，頂上的為洗艙水加熱器。在船舶正常營運期間，這些設(shè)備都是關(guān)閉的，只有在裝卸貨油的時候，由于電機設(shè)備有功率的損耗以及管路中貨油流動、洗艙水加熱器加熱等的影響，進而發(fā)生熱量散發(fā)的現(xiàn)象。其中，貨油管系和洗艙水加熱器為主要熱源。

從船尾向船首方向看，在尾部的艙壁上有附壁風管，風柵沿船寬方向布置，這些風柵在風機啟動的時候作為回風口;在前部的艙壁有艙壁扶墻材，由于尺寸較大，對油氣的濃度分布有一定的影響，所以其結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮在模型之內(nèi);主甲板以上部分，左舷艙壁設(shè)有風雨密百葉窗，在船舶運行時作為回風口，而在泵艙風機進行抽風的時候，作為泵艙的送風口，并平衡進出模型的風量，防止泵艙產(chǎn)生負壓，以利于風機抽吸工作的進行;主甲板上設(shè)有泵艙的入口，此入口也是上下兩部分唯一的氣流通道;需要指出的是，為了模型的更好收斂，將模型的左舷邊界向左移動到和下半部分齊平的位置，如圖1所示。

本模型的計算采用k-ε雙方程湍流數(shù)學模型，為了簡化計算進行如下假設(shè)：（1）泵艙內(nèi)的氣流流動為穩(wěn)態(tài)流動;（2）流體做不可壓縮流動并且符合Boussinesq假設(shè);（3）忽略能量方程中由于粘性力作用引起的能量耗散;（4）不考慮漏風的影響，當風機開啟時只有風管風柵和風雨密百葉窗處有氣流流通;當風機關(guān)閉時只有百葉窗處有氣流流出。

經(jīng)過無量綱處理后，控制方程如下：

（1） 連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒方程）

對于不可壓縮流體，空氣密度視為常數(shù)，方程簡化為：

（2） 運動方程（動量守恒方程）

（3） 能量方程（能量守恒方程）

（4） 湍流脈動方程（K方程）

（5） 湍流能量耗散率方程（ε方程）

（6） 濃度方程（C方程）

上述控制方程中的幾個系數(shù)，取值為：C1=1.44，Cu=0.09，Cu=1.00。

3? ? ?泵艙模型邊界條件

某油船所運輸?shù)某善酚停且环N由多種有機化合物組成的液體，其基本元素為碳和氫，碳氫化合物簡稱為烴類化合物。按分子中碳原子的排列結(jié)構(gòu)的不同，又分為脂肪族、環(huán)烷族和芳香族。其中，脂肪族烴是最易自燃的一類。烷烴分子中含有的碳原子越多，其結(jié)構(gòu)越不緊湊，在穩(wěn)定度較高的情況下，有形成氧化物的傾向，較為典型的是正十六烷值，它被作為柴油自燃性的衡量標準。因此，本文選取較有代表性的烷類脂肪族——甲烷氣體作為易燃物濃度場的研究對象，其它易燃物氣體的濃度場研究和此類似。甲烷的揮發(fā)速度為0.833 m/s、溫度為26 ℃。

風管各格柵的抽風速度和溫度依據(jù)實測數(shù)據(jù)確定;風雨密百葉窗處的邊界條件取為自由邊界條件，其溫度和壓力分別取為環(huán)境溫度和標準大氣壓力。

泵艙和臨近的艙室存在熱量的交換，泵艙的左右兩舷部分為船用柴油艙，加熱溫度根據(jù)設(shè)計要求取為70 ℃;當裝卸貨油時，泵艙內(nèi)的主要熱源為洗艙水加熱器和連接熱管以及貨油管系，其大小根據(jù)單位熱管散發(fā)的熱量乘以管長確定。

4? ? 計算結(jié)果與分析

4.1? ?自然通風情況下的濃度場

船舶正常運營時，風機是關(guān)閉的，泵艙內(nèi)的氣流只有通過風雨密百葉窗與外界環(huán)境進行交換，其計算結(jié)果如圖2～6所示。

從圖2速度場分布圖，特別是圖6粒子運動軌跡圖可以看出：從污油井出來的甲烷氣體基本上是沿壁面向上運動，在到達主甲板后改成沿船寬方向水平運動，然后從泵艙入口處流出。所以在沿船長方向的艙壁和主甲板下部要盡量減少障礙物，以利于甲烷的自然揮發(fā)流出;從圖3可以看出，在沿壁面處，甲烷的流動速度較快，這是由于受壁面?zhèn)鳠岬挠绊?，溫度越高甲烷的揮發(fā)速度越快;另外，在自然通風的情況下，甲烷氣體受到的擾動較小，所以基本垂直向上運動;從圖4中可以看出，無論是甲板以上還是甲板以下的部分，在氣流到達頂部后都沿艙壁處產(chǎn)生了回流，這是需要盡量避免的。

4.2? ?強制通風情況下的濃度場

在油船停泊靠岸進行裝卸貨油，特別是卸油的時候，各個貨油管系和洗艙水加熱器工作，它們都成為泵艙內(nèi)的主要熱源。為了防止此時油氣濃度或艙內(nèi)溫度過高，風機是打開的。此時，模擬計算結(jié)果如圖7～11所示。

從圖7的速度場圖和圖10的風雨密百葉窗入口粒子軌跡圖可以看出，在風機的抽吸作用下，新風從百葉窗的入口處水平進入泵艙，當?shù)竭_左舷的艙壁后下行穿過泵艙入口，進入主甲板以下的泵艙，在風雨密百葉窗和泵艙入口處一段的風速都相對較大;而從圖9的濃度場分布圖中可以看出，甲烷氣體基本上在主甲板以下的泵艙部分，而泵艙入口處的一段在新風的沖擊下，在入口以下的一段仍保持著很低的甲烷濃度;而在主甲板以下的一大塊區(qū)域內(nèi)，由于甲烷比空氣輕，不在泵艙入口處新風的作用范圍內(nèi)，而和高溫一起在此處聚集，所以建議此處增設(shè)風管格柵進行抽風;從圖11中可以看出，甲烷的揮發(fā)軌跡受到抽風氣流的影響比較大;左舷的污油井由于正上方有一垂直正對的抽風格柵，所以在氣流的作用下基本能保持平穩(wěn)的上升趨勢，而右舷的污油井揮發(fā)的甲烷受到氣流的擾動，運動軌跡比較雜亂。

5? ? ?結(jié)論

本文通過對實船的不同通風情況下濃度場的分析，得出如下結(jié)論：

（1）無論是機械通風還是自然通風情況下，易燃物運動的軌跡會受到外界因素的影響，尤其是泵艙內(nèi)氣流運動的影響較大。在自然通風情況下，甲烷的揮發(fā)受氣流擾動較小，基本上呈平穩(wěn)向上的運動趨勢，這種情況下臨近的熱艙影響對其影響較大，在艙壁處受到壁面?zhèn)鳠岬挠绊?，揮發(fā)速度明顯加快;

（2）在主甲板以下遠離泵艙入口的區(qū)域，是易燃氣體和高溫的聚集處，因為此處距離抽風格柵較遠，而且不在通風的抽吸作用范圍之內(nèi)。所以在通風系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意在此處增設(shè)抽風格柵，提高通風效率，降低高危區(qū)域因通風不利帶來的風險。

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