滿(mǎn)足IGC 規(guī)則的燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)應(yīng)用研究

范延品 季寶軍 孟中原 孫新華 楊述闖

（大連船舶重工設(shè)計(jì)院有限公司 大連 116013）

0 引 言

國(guó)際海事組織（International Maritime Organization, IMO）提出的第三階段（Tier Ⅲ）氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)已于2016 年1 月1 日在部分排放控制區(qū)域生效，提出排放物中硫的含量<0.5%的要求已于2020 年1 月1 日開(kāi)始執(zhí)行。天然氣作為一種清潔能源，使用天然氣作為燃料可有效降低SO、NO、CO和顆粒物的排放。目標(biāo)LNG 加注船的主機(jī)和發(fā)電機(jī)為瓦錫蘭的四沖程雙燃料柴油機(jī)，在燃?xì)饽Ｊ较驴梢詽M(mǎn)足IMO 提出的Tier III 氮氧化物排放要求，同樣也能夠滿(mǎn)足硫氧化物排放的要求。燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)是指從燃?xì)庵鏖y到用戶(hù)端的燃?xì)夤苈废到y(tǒng)和輔助系統(tǒng)，是滿(mǎn)足IGC 規(guī)則并確保能夠安全使用LNG 的重要系統(tǒng)。

本文以某LNG 加注船為研究對(duì)象，結(jié)合IGC規(guī)則，對(duì)主機(jī)和發(fā)電機(jī)的燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)，從主燃?xì)忾y設(shè)置、通風(fēng)流量計(jì)算、危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置、燃?xì)庑孤﹫?bào)警設(shè)置、惰化和除氣的設(shè)置等方面進(jìn)行應(yīng)用分析研究，并給出了解決方案。

1 滿(mǎn)足IGC 規(guī)則的主燃?xì)忾y設(shè)置

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，每個(gè)設(shè)有用氣設(shè)備或氣體燃料供應(yīng)管路通過(guò)的單獨(dú)處所，應(yīng)能通過(guò)位于貨物區(qū)域內(nèi)的單獨(dú)主氣體燃料閥切斷其氣體燃料供應(yīng)。切斷一個(gè)處所的氣體燃料供應(yīng)不應(yīng)影響其他處所內(nèi)用氣設(shè)備的氣體燃料供應(yīng)（如用氣設(shè)備位于2 個(gè)或 2 個(gè)以上處所內(nèi)），也不會(huì)造成推進(jìn)動(dòng)力或電力喪失。

根據(jù)此要求，有2 種燃料主閥設(shè)置方案:一種方案是每個(gè)用氣設(shè)備單獨(dú)設(shè)置燃?xì)庵鏖y和單獨(dú)的燃?xì)庀到y(tǒng)，與其他用氣設(shè)備之間互不影響；另外一種方案為2 個(gè)或者2 個(gè)以上設(shè)備共用1 個(gè)燃?xì)庵鏖y和1 套燃?xì)庀到y(tǒng)，但此種方案需要保證當(dāng)燃?xì)庀到y(tǒng)有故障的情況下，不會(huì)造成推進(jìn)動(dòng)力或者電力喪失。

本文中的LNG 加注船采用的方案為1 臺(tái)主機(jī)和2 臺(tái)發(fā)電機(jī)共用1 個(gè)燃?xì)庵鏖y和1 套燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)。如果燃?xì)庀到y(tǒng)有故障問(wèn)題，則主機(jī)和2 臺(tái)發(fā)電機(jī)會(huì)同時(shí)停止燃?xì)鉅顟B(tài)。此時(shí)，主機(jī)和2 臺(tái)發(fā)電機(jī)可在任何負(fù)荷下1 s 內(nèi)自動(dòng)切換為燃油狀態(tài)，不會(huì)造成推進(jìn)動(dòng)力及電力喪失，可以滿(mǎn)足規(guī)范要求。該方案下的燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)基本原理流程圖如圖1 所示。

該流程圖主要包括了燃?xì)夤苈贰⑼夤芡L(fēng)管路和燃?xì)馓綔y(cè)管路。采用這種方案可以節(jié)省主閥和雙壁管管路的數(shù)量，但系統(tǒng)較為復(fù)雜。本文將結(jié)合IGC 規(guī)則的要求，針對(duì)流程圖中幾種管路需要注意的問(wèn)題來(lái)介紹這種燃?xì)庀到y(tǒng)的配置方案。

2 燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)外管通風(fēng)流量和壓力設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，燃料管如果布置在機(jī)艙內(nèi)，需要滿(mǎn)足如下條件：燃料管應(yīng)安裝在設(shè)有機(jī)械抽風(fēng)的通風(fēng)管或管道內(nèi)，通風(fēng)量至少為30 次/h，并保持管道內(nèi)壓力低于大氣壓。

當(dāng)管路內(nèi)有燃料時(shí)，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)。若抽風(fēng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生和維持所要求的空氣流量，主氣體燃料閥應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉。通風(fēng)風(fēng)機(jī)應(yīng)一用一備，在任何一個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障后，備用風(fēng)機(jī)應(yīng)可以自動(dòng)啟動(dòng)，能對(duì)每個(gè)處所提供要求的通風(fēng)量。

本文所述LNG 加注船配置2 臺(tái)外管抽風(fēng)機(jī)，各為100%容量，保證一用一備的要求。對(duì)于風(fēng)機(jī)的備用啟停功能，主機(jī)和發(fā)電機(jī)的燃?xì)忾y單元中設(shè)置了壓力傳感器。如果檢測(cè)到外管通風(fēng)壓力變小至報(bào)警時(shí)，就會(huì)發(fā)出信號(hào)、啟動(dòng)備用風(fēng)機(jī)，從而保證外管中的通風(fēng)壓力和流量滿(mǎn)足要求。

如圖1 所示，本文所述LNG 加注船在機(jī)艙內(nèi)的燃?xì)夤懿捎秒p壁管設(shè)計(jì)，內(nèi)管為燃?xì)夤?，外管為通風(fēng)管。對(duì)于雙壁管外管的通風(fēng)流量和壓力設(shè)計(jì)要求，按照IGC 規(guī)則要求和設(shè)備廠(chǎng)家的推薦進(jìn)行計(jì)算和校核。

圖1 燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 外管通風(fēng)風(fēng)量計(jì)算

首先對(duì)雙壁管外管的通風(fēng)風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算。應(yīng)按照實(shí)際管路的布置進(jìn)行計(jì)算，以保證通風(fēng)管路滿(mǎn)足風(fēng)量的要求。本船的雙壁管外管和設(shè)備通風(fēng)管的容積計(jì)算表格如表1 所示。

表1 通風(fēng)容積計(jì)算 m3

根據(jù)規(guī)范要求，雙壁管外管通風(fēng)量至少為 30次/h，考慮到10%的余量，風(fēng)量為3.184× 30×1.1=105.1 m/h。由于本項(xiàng)目雙壁管通風(fēng)管路并聯(lián)較多，為了保證外管任何一處的通風(fēng)量都能滿(mǎn)足規(guī)則中的要求，需要再考慮100%的通風(fēng)余量，故該項(xiàng)目所選風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)為211 m/h、2.39 kPa。

2.2 外管通風(fēng)壓力計(jì)算

其次需要結(jié)合選用的風(fēng)機(jī)參數(shù)，對(duì)雙壁管外管的通風(fēng)壓力進(jìn)行計(jì)算，同樣需要按照實(shí)際管路的布置進(jìn)行計(jì)算，以保證通風(fēng)壓力在所有管路中都能保持一致。按照規(guī)范要求，通風(fēng)管道內(nèi)的壓力應(yīng)低于大氣壓，按照本船主機(jī)和發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家的要求，每個(gè)燃?xì)忾y單元內(nèi)的通風(fēng)壓力應(yīng)為-2.0~ -1.5 kPa。通風(fēng)壓力計(jì)算較為復(fù)雜（參見(jiàn)圖1），因此在設(shè)計(jì)通風(fēng)管路時(shí)，需要在通風(fēng)進(jìn)口管路和出口管路上設(shè)置節(jié)流孔板，節(jié)流孔板前后設(shè)置微壓差傳感器，用來(lái)檢測(cè)節(jié)流孔板處的壓差。通過(guò)調(diào)整節(jié)流孔板的孔徑來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中每個(gè)通風(fēng)管路的壓力并使之保持一致，滿(mǎn)足主機(jī)和發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家的要求。

具體計(jì)算依據(jù)及計(jì)算結(jié)果如下：上頁(yè)圖1所示，本系統(tǒng)共有2個(gè)進(jìn)氣口和1個(gè)出氣口，出氣口有風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)。由于采用了支管并聯(lián)形式，要同時(shí)滿(mǎn)足30次/h的通風(fēng)量，需要對(duì)每一路管線(xiàn)的流量分配進(jìn)行預(yù)期。這里的30次/h在工程中解讀為：僅考慮強(qiáng)制排風(fēng)的作用，系統(tǒng)中任意位置發(fā)生燃?xì)庑孤?，該燃?xì)鈶?yīng)該在2 min內(nèi)被排到室外。根據(jù)實(shí)際管路布置和排風(fēng)原則，便可得到各個(gè)節(jié)流孔板所在位置的所需氣體流量。

節(jié)流孔板為固定形狀的管路附件，其局部阻力系數(shù)為定值。若測(cè)得此系數(shù)，利用此特性，在獲得節(jié)流孔板之間的壓差之后，其所在管路的流速、流量均可得知。因此在計(jì)算之后，調(diào)試部門(mén)將得到1組計(jì)算推薦的節(jié)流孔板、目標(biāo)流速以及壓力-流速-流量對(duì)照表（如圖2所示，通過(guò)軟件計(jì)算得到）。在調(diào)試過(guò)程中，通過(guò)改變節(jié)流孔板的孔徑，使整個(gè)系統(tǒng)滿(mǎn)足要求。

圖2 壓差-流速-流量對(duì)照表表頭

示例船舶流量計(jì)算軟件為AFT 系列軟件，分別針對(duì)節(jié)流孔板和燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行了兩部分模擬。在節(jié)流孔板計(jì)算中，選取銳利邊緣節(jié)流孔板，其計(jì)算公式為：

式中：為局部阻力系數(shù)；為截面積，mm。

創(chuàng)建圖3 所示節(jié)流孔板計(jì)算模型。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取1 個(gè)和實(shí)際工況接近的基準(zhǔn)點(diǎn)，計(jì)算得到1 組基準(zhǔn)值，再利用其阻力系數(shù)為定值的特點(diǎn)，得到該口徑下的1 組流速/流量數(shù)值，完成圖2 所示的表格內(nèi)容。

圖3 節(jié)流孔板計(jì)算模型

針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建立如圖4 所示燃?xì)庀到y(tǒng)通風(fēng)計(jì)算模型。

圖4 燃?xì)庀到y(tǒng)通風(fēng)計(jì)算模型

在滿(mǎn)足節(jié)流孔板的流量的情況下，計(jì)算得到一組節(jié)流孔板的孔徑的預(yù)測(cè)值，以及風(fēng)機(jī)的實(shí)際使用工況（見(jiàn)圖5）。

圖5 燃?xì)庀到y(tǒng)通風(fēng)風(fēng)機(jī)使用工況擬合曲線(xiàn)

計(jì)算結(jié)果顯示：風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況在252 m/h，壓力為2.36 kPa；3 個(gè)燃?xì)忾y單元內(nèi)的壓力如表3所示。該結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)備廠(chǎng)家對(duì)外管負(fù)壓和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

表3 燃?xì)忾y單元內(nèi)部壓力

3 危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，雙壁管外管通風(fēng)進(jìn)口應(yīng)位于安全區(qū)域，通風(fēng)出口應(yīng)引至安全區(qū)域。注意危險(xiǎn)區(qū)域包括但不限于下列區(qū)域：距離氣體釋放的可能來(lái)源（例如貨物閥、貨物管法蘭、貨物機(jī)器處所通風(fēng)出口）3 m 以?xún)?nèi)的開(kāi)敞甲板區(qū)域或開(kāi)敞甲板上半圍蔽處所；距離貨物機(jī)器處所入口、貨物機(jī)器處所通風(fēng)入口1.5 m 以?xún)?nèi)的開(kāi)敞甲板區(qū)域或開(kāi)敞甲板上半圍蔽處所。

因此，首先，雙壁管外管的通風(fēng)進(jìn)口和出口的位置應(yīng)位于安全區(qū)域；其次，通風(fēng)進(jìn)口周?chē)霃?3 m 內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，通風(fēng)出口周?chē)霃?.5 m 內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)；布置其他電器設(shè)備時(shí)應(yīng)特別注意防爆要求。雙壁管外管的抽風(fēng)機(jī)如果無(wú)法避免布置在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)，則需要注意此風(fēng)機(jī)應(yīng)按照IGC 規(guī)則規(guī)定采用非火花結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)的電機(jī)應(yīng)為防爆電機(jī)。

另外需要注意，對(duì)于可能含有燃?xì)獾耐笟夤埽ū热缰鳈C(jī)和發(fā)電機(jī)曲拐箱透氣管），主機(jī)滑油循環(huán)柜透氣管以及膨脹水箱的透氣管，也應(yīng)引至安全區(qū)域，并且透氣口周?chē)霃?.5 m 為危險(xiǎn)區(qū)。

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國(guó)基本國(guó)策。40年來(lái)，我省積極推動(dòng)資源利用方式由粗放型向集約型轉(zhuǎn)變、原料型向產(chǎn)品型轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了自然資源節(jié)約集約科學(xué)利用，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了有力的資源支撐和保障。

4 燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，應(yīng)設(shè)有探測(cè)和指示圍蔽處所內(nèi)燃料管系氣體泄漏的連續(xù)監(jiān)測(cè)及報(bào)警設(shè)施，并切斷相關(guān)的氣體燃料供應(yīng)。氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的曲軸箱、油底殼、掃氣箱和冷卻系統(tǒng)的透氣管應(yīng)設(shè)置氣體探測(cè)裝置。根據(jù)上述要求，如下所列的燃?xì)庀到y(tǒng)及輔助系統(tǒng)管路上需要安裝燃?xì)馓綔y(cè)器：

（1）雙壁管環(huán)圍空間管路或者燃?xì)忾y單元的排風(fēng)管路；

（2）主機(jī)和發(fā)電機(jī)曲拐箱透氣管路；

（3）主機(jī)滑油循環(huán)柜透氣管路；

（4）冷卻系統(tǒng)膨脹水箱的透氣管路。

上述管路內(nèi)部或者是負(fù)壓，或者是無(wú)壓力，所以需要選擇合適的燃?xì)馓綔y(cè)器形式。

因?yàn)殡p壁管外管是負(fù)壓，所以可對(duì)其采用抽氣式燃?xì)馓綔y(cè)器。其原理為：選用合適壓力的抽氣泵從雙壁管外管管路中抽氣給探測(cè)器檢測(cè)，檢測(cè)后的氣體返回雙壁管外管，由雙壁管外管抽風(fēng)機(jī)排出。而氣體燃料內(nèi)燃機(jī)的曲軸箱、油底殼、掃氣箱和冷卻系統(tǒng)的透氣管基本上無(wú)壓力，對(duì)這些透氣管可采用抽氣式探測(cè)器，也可采用插入式探測(cè)器。如果采用插入式探測(cè)器，應(yīng)注意安裝探測(cè)器處的管徑應(yīng)足夠大，以滿(mǎn)足探測(cè)器探頭能夠插入到管路中，保證探測(cè)精度且探測(cè)器探頭處應(yīng)設(shè)置濾器過(guò)濾油氣。

5 惰化和除氣的設(shè)置

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，應(yīng)設(shè)有對(duì)機(jī)器處所內(nèi)的氣體燃料管系進(jìn)行惰化和除氣的設(shè)施。如下頁(yè)圖6所示。本船為1 臺(tái)主機(jī)和2 臺(tái)發(fā)電機(jī)共用燃?xì)庀到y(tǒng)，設(shè)置惰化和除氣管路的目標(biāo)是應(yīng)保證每根燃?xì)夤芏寄苓M(jìn)行吹除惰化，避免有盲區(qū)。因此在燃?xì)庵鏖y后、主機(jī)燃?xì)忾y單元、2 臺(tái)發(fā)電機(jī)燃?xì)忾y單元、雙壁管外管、主機(jī)和發(fā)電機(jī)上都設(shè)有專(zhuān)門(mén)的惰氣吹除管路接口，以便于系統(tǒng)管路設(shè)置，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

圖6 惰氣吹掃設(shè)計(jì)

另外，設(shè)置的吹除管路應(yīng)特別注意用戶(hù)的特殊要求，比如給發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置的惰氣吹除管路，應(yīng)注意設(shè)備對(duì)氣體壓力的特殊要求。本船瓦錫蘭的34DF柴油機(jī)，要求惰氣吹除壓力不能超過(guò)0.5 mPa，因此在惰氣進(jìn)機(jī)前設(shè)置了減壓閥。

6 排煙壓力釋放系統(tǒng)設(shè)置

根據(jù)IGC 規(guī)則要求，內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)能防止未燃?xì)怏w燃料的聚積；除非設(shè)計(jì)的強(qiáng)度可以承受最?lèi)毫忧闆r下泄漏氣體點(diǎn)燃造成的超壓，否則空氣進(jìn)氣總管、掃氣箱、排氣系統(tǒng)和曲軸箱都應(yīng)設(shè)有合適的壓力釋放系統(tǒng)。壓力釋放系統(tǒng)應(yīng)通往安全位置且遠(yuǎn)離人員。

結(jié)合這條要求，首先在主輔機(jī)排煙管路中設(shè)置了排煙風(fēng)機(jī)。在主輔機(jī)應(yīng)急停止?fàn)顟B(tài)下，排煙風(fēng)機(jī)將根據(jù)設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)排煙管進(jìn)行吹掃，排出因主機(jī)和發(fā)電機(jī)應(yīng)急停車(chē)而未燃燒充分的天然氣，防止因未燃?xì)怏w燃料的聚積而導(dǎo)致危險(xiǎn)。排煙風(fēng)機(jī)的安裝應(yīng)注意盡量靠近增壓器，以保證對(duì)排煙管吹掃的徹底性。

另外，根據(jù)上述規(guī)則要求，在主機(jī)和發(fā)電機(jī)的排煙管中設(shè)置防爆閥或者防爆膜片作為壓力釋放措施，由主機(jī)和發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家對(duì)排煙管按照實(shí)際布置情況進(jìn)行模擬爆炸計(jì)算，在排煙管恰當(dāng)位置設(shè)置合適數(shù)量的防爆閥或者防爆膜片。同時(shí)需要注意的是，壓力釋放系統(tǒng)需要通往安全位置且遠(yuǎn)離人員。經(jīng)過(guò)分析防爆閥和防爆膜片的圖紙可知，防爆閥的爆炸周?chē)霃綖? m、正面為0.5 m，且在爆炸后可以恢復(fù)使用；而防爆膜片的爆炸范圍為周?chē)霃?5 m、正面10 m，且爆炸后不能再次使用。比較后可知，在排煙管選用壓力釋放措施時(shí)，應(yīng)盡量選用防爆閥。雖然防爆閥初期投入更高，但采用防爆閥更有利于機(jī)艙布置且便于后期的維護(hù)更換。如果選用防爆膜片，因?yàn)槠浔ǖ姆秶?，尤其?duì)于小型加注船來(lái)說(shuō)，機(jī)艙內(nèi)無(wú)法提供合適空間以遠(yuǎn)離通道和人員，所以需要考慮將其爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力引至遠(yuǎn)離人員的位置?？紤]到防爆膜片采取法蘭對(duì)夾安裝，故可在防爆膜片外側(cè)再增加排煙管并引至高于且遠(yuǎn)離人員的位置，從而避免膜片爆炸時(shí)四面擴(kuò)散，也可以通過(guò)管路引導(dǎo)降低其釋放的壓力，滿(mǎn)足安全要求。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文中的加注船采用3 臺(tái)設(shè)備共用1 套主閥的燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)方案，系統(tǒng)比較復(fù)雜。通過(guò)對(duì)滿(mǎn)足IGC 規(guī)則的燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)應(yīng)用研究，根據(jù)實(shí)船系統(tǒng)設(shè)置情況，分析研究了IGC 規(guī)則中對(duì)燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)管路設(shè)計(jì)的要求，提出了解決方案；同時(shí)還對(duì)燃?xì)怆p壁管外管的通風(fēng)流量和壓力進(jìn)行計(jì)算，選擇合適的風(fēng)機(jī)及管路中的節(jié)流孔板，保證系統(tǒng)的流量和壓力滿(mǎn)足要求，從而為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供理論依據(jù)。

希望通過(guò)本文可以為輪機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒，優(yōu)化燃?xì)馊沼孟到y(tǒng)的設(shè)計(jì)。