基于保障客滾船LNG 燃料供氣系統(tǒng)安全性的機械通風設(shè)計

徐 謙，趙永波，高華君，朱靜波，趙 勇，魏 永

（1. 招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200041；2. 招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264200）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料的供氣系統(tǒng)在客船上越來越多的運用，它可以大大減少碳氧化物的排放量，但是LNG是一種易燃易爆的燃料，非常危險。保障客滾船LNG燃料供氣系統(tǒng)安全性是設(shè)計中的最大挑戰(zhàn)，而機械通風是其中重要措施。LNG通風系統(tǒng)的設(shè)計，除了需要運用通風的專業(yè)技術(shù)，還和多個其他專業(yè)密切相關(guān)，包含危險區(qū)域劃分、船舶的總體布置、LNG供氣系統(tǒng)、雙燃料主機、危險氣體探測、防火安全和電氣控制等，因此，設(shè)計工作仍存在很大的難度。機械通風系統(tǒng)可以通過稀釋、房間壓差、流量監(jiān)控、風機冗余布置、冗余供電和控制等手段來保持LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全運用。本文結(jié)合規(guī)范IGF code，從LNG的通風設(shè)計、系統(tǒng)的集中控制和設(shè)置LNG風機房這3個方面，對一艘在建客滾船項目的LNG機械通風系統(tǒng)的設(shè)計進行分析和研究。

1 LNG 通風設(shè)計

客滾船LNG通風設(shè)計主要包含LNG加注站、LNG管的TCS和燃氣雙壁管這3個方面。

1.1 LNG 加注站的通風設(shè)計

客滾船的加注站一般布置在滾裝處所區(qū)域，加注時是半封閉狀態(tài)，舷門關(guān)閉后是封閉狀態(tài)，根據(jù)IGF 13.7，需要布置機械通風，在加注時，用于排除泄露的LNG蒸汽。LNG加注時，LNG易泄露，加注站是屬于Zone 1的危險區(qū)，所以布置了30次/小時的機械抽風，及時用通風來稀釋可能泄露的危險氣體，LNG加注站的排風口4.5 m半徑內(nèi)為危險區(qū)，進風口3 m半徑內(nèi)為危險區(qū)。

IGF 13.3.9規(guī)定安全區(qū)進入危險區(qū)需要通過一個通風加壓的氣閘室，需要5次每小時的通風量。在LNG加注時，船員從滾裝處所進出LNG加注站需要經(jīng)過氣閘室和緩沖間，見圖1。氣閘室根據(jù)IGF 13.3.9布置，配置了機械送風，自然排風，屬于Zone 2的危險區(qū)，壓差開關(guān)2用于監(jiān)控加注站和氣閘室的壓差；考慮到滾裝處所會有汽車尾氣，有一定的危險性，屬于特殊分類區(qū)，所以在滾裝處所和氣閘室之間布置一個緩沖間，并布置了機械送風，自然排風，定義為安全區(qū)。由于滾裝處所是負壓，機械送風的緩沖間相對于滾裝處所是正壓，而氣閘室和緩沖間都是正壓，通過調(diào)節(jié)自然排風管上的風閘開度來調(diào)節(jié)房間的壓力，使氣閘室的正壓小于緩沖間，壓差開關(guān)1用于監(jiān)控緩沖間和氣閘室的壓差。

圖1 LNG 加注站示意圖

根據(jù)房間的容積，此項目加注站的風量是30次/小時，為2 500 m3/h；氣閘室的風量是5次/小時，為35 m3/h；緩沖間的風量是5次/小時，為100 m3/h。

此次研究中運用CFD計算來分析不同門打開時，研究各個空間的壓力變化，CFD 可以為通風系統(tǒng)的設(shè)計提供了更加方便、廉價、直觀與有效的手段[1]。LNG加注時，舷門打開，當門1、門2、門3都關(guān)閉時，為了使高危險區(qū)的氣體不向低危險區(qū)泄露，房間壓力的變化要求如下：緩沖間>氣閘室>LNG加注站。由圖2的CFD計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當舷門打開時，LNG加注站與外界聯(lián)通，雖然室內(nèi)有每小時30次的抽風，但是室內(nèi)只有非常微弱的負壓。而氣閘室和緩沖間通過機械送風建立正壓使得2個壓差開關(guān)都在正常狀態(tài)，緩沖間的正壓需要大于氣閘室，從而防止危險區(qū)的氣體向安全區(qū)泄露。

圖2 LNG 加注站門1～3 關(guān)閉時的壓力云圖

在LNG加注的時，船員需要通過加注站進出，當門3打開時，加注站和氣閘室連通，氣閘室的房間壓力降低到和加注站一致，壓差開關(guān)1正常，壓差開關(guān)2報警。

在LNG加注時，當船員進入氣閘室后，門3關(guān)閉，門2打開，相對于氣閘室和緩沖間聯(lián)通，壓差開關(guān)1報警，壓差開關(guān)2正常。

當門1打開時，緩沖間和滾裝處所聯(lián)通，緩沖間失去正壓，壓差開關(guān)1報警，壓差開關(guān)2正常。

通過CFD計算，可以獲得各個處所在不同的門打開時的房間壓力。門的開閉對壓差開關(guān)的影響見表1，當1個壓差開關(guān)發(fā)出報警時，LNG加注站的隔離措施仍然是有效的，報警信號不對外輸出；而當2個壓差開關(guān)都發(fā)出報警時，需要輸出報警信號，并觸發(fā)聲光報警，認為LNG加注站的隔離措施已經(jīng)失效了。

表1 加注站壓差開關(guān)變化表

1.2 LNG 罐TCS 的通風設(shè)計

客滾船的LNG罐一般布置在底層甲板的LNG罐儲藏間，且沒有直接從開敞甲板進入的通道，見圖3，按照IGF 5.11.3，需要布置進入連接室（Tank Connection Space，TCS）的人孔蓋，且根據(jù)IGF 12.5.3，布置此人孔蓋的緩沖間是危險區(qū)Zone 2，根據(jù)DNV 6.1.2.2，此緩沖間需要布置至少每小時8 次的換氣次數(shù)。根據(jù)2019 年的MSC/Circ.1605通函，LNG罐儲藏間沒有泄露危險的接頭，也沒有通往危險區(qū)域的通道，可以認為是安全區(qū)[2]。緩沖間和LNG罐儲藏間之間布置氣閘室，配有每小時5次的機械送風，并安裝壓差開關(guān)用于監(jiān)測氣閘室和TCS的壓差。

圖3 TCS 示意圖

根據(jù)IGF 13.4，TCS需要有每小時30次的換氣量和失效即自動關(guān)閉的防火風閘。本項目的TCS安裝有兩臺抽風機，每臺50%，2臺風機全負荷時，TCS達到每小時30次的換氣量，當一臺風機失效時，TCS的換氣次數(shù)依舊可以達到大于50%的總風量。根據(jù)IGF 12.5，TCS屬于危險區(qū)Zone 1，其排風口有直徑4.5 m的危險區(qū)，其進風口有直徑3 m的危險區(qū)。在TCS的進風口布置了蒸汽加熱器，通過加熱的方式提高TCS內(nèi)進風的相對濕度，當進風在TCS被冷卻時，室內(nèi)空氣依舊可以保持在露點以上，從而減少TCS內(nèi)部的凝水。

本項目TCS的抽風風量2 580 m3/h，緩沖間的抽風風量是80 m3/h；氣閘室的送風風量是80 m3/h。LNG罐儲藏間是配有機械送風，房間壓力可通過調(diào)風門調(diào)整到50 Pa，當船員進入TCS時，門的開閉狀態(tài)和房間內(nèi)的壓力變化見表2，用于監(jiān)測TCS和氣閘室的壓差開關(guān)都在正常狀態(tài)，如果壓差開關(guān)報警，那么說明TCS的隔離措施存在失效。

表2 TCS 室內(nèi)壓力變化表

考慮到TCS抽風機一直保持這個風量導致較高的能耗, 且一直運行容易發(fā)生故障，所以在設(shè)計上做了優(yōu)化，風機進行變頻控制，且和TCS內(nèi)的危險氣體傳感器連鎖，如果危險氣體傳感器無報警信號，只開一臺抽風機，保持TCS有每小時8次的換氣量，當設(shè)定為每小時8次換氣量的風量開關(guān)報警時，另一臺風機自動啟動；如果危險氣體傳感器發(fā)出報警信號，兩臺風機都全負荷啟動，取消對每小時30次換氣量的風量開關(guān)的屏蔽。根據(jù)式（1）和式（2）[3]，風機的功率與風量的3次方成正比，所以當TCS的換氣次數(shù)從每小時30次降低到8次，風量Q降為原來的0.266倍，風機功率將為原來的0.02倍。量見下公式

式中：V1為TCS到GVU的雙壁管夾層空間；V2為GVU的內(nèi)部空間；V3為GVU到主機的雙壁管夾層空間；V4為主機上雙壁管夾層空間。

式中：p為空氣密度，一般取1.2；ξ為阻力系數(shù)；V為迎面風速；P為風機壓頭；N為風機功率；η為風機的效率。

1.3 燃氣雙壁管的通風設(shè)計

本項目的機艙屬于本質(zhì)安全機器處所，采用通風設(shè)計對船舶燃氣供氣系統(tǒng)進行氣密環(huán)圍，使用了通風雙壁管和全封閉型的燃氣閥組系統(tǒng)（Gas Valve Unit，GVU）[4]。

通風雙壁管用于輸送氣化后的燃氣，從TCS到GVU，再到主機，見圖4。按照IGF要求，換氣次數(shù)要達到每小時30次，通風的容積包括雙壁管夾層空間，GVU內(nèi)部空間，主機上雙壁管夾層空間，此空間屬于Zone 2的危險。抽風風機的抽風

圖4 燃氣雙壁管示意圖

流量開關(guān)安裝在進風管上，用于檢測進風量的大小是否達到設(shè)計值，其中任一一個流量小于流量開關(guān)的設(shè)定值，報警信號會發(fā)送給控制系統(tǒng)，備用通風自動啟動，延遲20 s后，流量開關(guān)仍報警或通風不運行，將報警信號發(fā)送給LNG供氣系統(tǒng)。

外界的空氣通過進風管進入燃氣雙壁管的夾層空間，見圖5；由于有2處進風口，分別是主機側(cè)和TCS側(cè)，需要用節(jié)流孔板用于調(diào)節(jié)兩個進風口的風量平衡，節(jié)流孔板布置在進風口，見圖6。

圖5 進風接口示意圖

圖6 進風口示意圖

按照冗余要求，配置2臺100%的抽風機，一用一備，當布置在進風口的壓差開關(guān)報警時，自動啟動備用的抽風機。在GVU的出風口布置2個危險氣體傳感器，當空氣中的危險氣體達到爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL）的20%時，發(fā)出報警，當達到40%的LEL時，切斷供氣系統(tǒng)。

由于雙壁管內(nèi)夾層的空間很小所以抽風機的風量很小，但是阻力很大，需要選用低風量和高壓頭的防爆離心風機。由于雙壁管的夾層空間非常復雜，很難計算壓力損失，建議選用的風機靜壓是5 000 Pa左右[5]。

本項目燃氣雙壁管抽風量的各個組成見表3，根據(jù)式（3）計算風量，GVU的容積較大，占了76%的份額，而進入GVU的空氣可以從主機側(cè)進風口通過雙壁管夾層空間進入，也可以從TCS側(cè)進風。

表3 燃氣雙壁管抽風量的組成

本項目服務(wù)主機的燃氣雙壁管的外管是165 mm×3.4 mm，內(nèi)管是114 mm×3 mm，夾層的截面積9 395 mm2。由于總抽風量很小，為86.52 m3/h，這些風量分配到兩處進風口，在燃氣雙壁管的風速并不高，不會大于2.5 m/s。在燃氣雙壁管與主機連接處，使用特殊的法蘭來連接，見圖7，法蘭內(nèi)圈存在16個直徑為8 mm的小孔，用于通過空氣，這些小孔的截面積僅為804 mm2，不到雙壁管夾層截面積的1/10，此處會產(chǎn)生較大的壓降。為了使兩路進風管的壓力損失盡量一致，設(shè)計時選擇80%～90%的風從TCS側(cè)進入，剩余部分有主機側(cè)的進入。

圖7 燃氣雙壁管與主機的連接法蘭（單位：mm）

1.4 LNG 機械通風設(shè)計匯總

LNG機械通風設(shè)計比較復雜，需要考慮房間危險定義、通風形式、換氣次數(shù)等因數(shù)，其設(shè)計匯總見表4。

表4 LNG 機械通風設(shè)計匯總（續(xù)）

表4 LNG 機械通風設(shè)計匯總

重點研究的內(nèi)容主要包括有：使用流量開關(guān)、壓差開關(guān)和風機冗余等技術(shù)手段來構(gòu)造高安全性的LNG通風系統(tǒng)；運用CFD模擬計算分析了船員進出危險處所過程中由于不同的門打開導致的房間壓力變化。

2 LNG 通風系統(tǒng)的集成控制

客滾船的空調(diào)通風系統(tǒng)本身就非常龐大，而LNG通風系統(tǒng)也包含很多的風閘和風機，且兩者幾乎沒有關(guān)聯(lián)性，完全可以相互獨立。為了使得設(shè)計簡化，本項目把LNG通風系統(tǒng)做成一個獨立的集成控制系統(tǒng)，設(shè)置了專門的通風電氣中心（Ventilation Motor Control Center，VMCC），VMCC即包含為風機供電的啟動器，也包含風機，風閘的控制部分，包含PLC和觸摸屏，可以顯示風機，風閘和壓力開關(guān)的狀態(tài)。

LNG VMCC的接口需要考慮周到和全面，為了提高客滾船的安全性，很多配置都是冗余和雙套的，具體見圖8的VMCC框架圖[6]。

圖8 VMCC 框架圖

1）VMCC的供電來自2個主配電板，避免1個配電板失效時，LNG通風完全失效。

2）與2套全船應(yīng)急切斷系統(tǒng)有接口，LNG通風也需要根據(jù)全船風油切斷的分組組合切斷。

3）與2套火警系統(tǒng)有接口，當相對應(yīng)區(qū)域的火警報警時，LNG通風需要自動切斷電源。

4）在駕駛室設(shè)置額外的控制板，見圖9，此控制板帶有可以監(jiān)控整個LNG通風系統(tǒng)的觸摸屏，此觸摸屏和VMCC通過通信來連接；此控制板還有顯示此系統(tǒng)中風閘狀態(tài)的指示燈和成組風閘關(guān)閉按鈕，與VMCC通過硬線來連接，進一步提高控制的穩(wěn)定性。

圖9 駕駛室控制板

3 LNG 風機房的設(shè)置

LNG風機數(shù)量較多，為了便于維護和管理，并且解決風機軟管存在的氣體泄露風險，本項目設(shè)置了定義為Zone 2的LNG風機房，見圖10，集中布置所有LNG相關(guān)的風機。LNG風機房布置在客滾船的最上層甲板，靠近LNG的透氣桅和LNG垂直管弄的位置。

圖10 LNG 風機房（3D 模型）

4 結(jié)論

本文結(jié)合實際項目的設(shè)計，重點分析和研究了如何在客滾船的LNG通風系統(tǒng)設(shè)計中增加LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全性。運用機械通風來形成各個不同危險等級的處所內(nèi)房間壓力梯度，保障開門時，危險處所的空氣不會向低危險處所流動，并運用壓差房間來監(jiān)控；運用冗余的抽風機對危險處所進行高換氣次數(shù)的抽風，保障盡快地把泄露的危險氣體排出，并用流量開關(guān)來監(jiān)測通風系統(tǒng)是否正常運行；運用以VMCC為中心的LNG通風集成電氣系統(tǒng)，對風機、風閘、流量開關(guān)等供電和控制進行冗余設(shè)計來提高系統(tǒng)的安全性；設(shè)置專門的LNG風機房來集中管理和維護LNG風機。本文對實際客滾船項目的LNG通風系統(tǒng)設(shè)計做了全面且完整的分析和研究，對很多實際項目中碰到的疑問做了解讀，其設(shè)計方法在實船上得到了驗證，廣大工程師可以用來作為設(shè)計中的指南。