LNG動(dòng)力船雙壁管通風(fēng)設(shè)計(jì)及風(fēng)機(jī)選型

趙桐鳴,郭雙淇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司 氣體開(kāi)發(fā)部,山東 青島 266101)

相比較傳統(tǒng)能源石油,液化天然氣(LNG,Liqufied Natural Gas)是一種更安全可靠、清潔環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的能源,近年來(lái)受到了制造業(yè)的廣泛關(guān)注。隨著船舶排放標(biāo)準(zhǔn)要求的提高,LNG逐漸在汽車(chē)運(yùn)輸船、集裝箱船、散貨船等多種船型上得到了一定應(yīng)用。但由于液化天然氣會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成低溫?fù)p傷,一旦泄露將會(huì)迅速爆炸,對(duì)于LNG船舶的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)格。

1 LNG雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)

由于主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等設(shè)備布置在機(jī)艙,為確保機(jī)艙的安全性,在進(jìn)行LNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需對(duì)封閉處所內(nèi)的相關(guān)燃?xì)馓幚碓O(shè)備以及燃?xì)夤苈凡扇∵m當(dāng)?shù)陌踩Ｗo(hù)措施。如使用雙壁通風(fēng)系統(tǒng):內(nèi)管通天然氣,外管通過(guò)風(fēng)機(jī)對(duì)其抽風(fēng)產(chǎn)生負(fù)壓,一旦發(fā)現(xiàn)供氣管路泄露,會(huì)將危險(xiǎn)氣體抽到安全區(qū)域以避免燃?xì)夤┙o管路的燃?xì)庑孤┑綑C(jī)艙等安全區(qū)域。

對(duì)于中小型船舶來(lái)說(shuō),使用風(fēng)機(jī)對(duì)于雙壁燃?xì)夤艿赖膬?nèi)外環(huán)形空間及燃?xì)忾y組單元(Gas Valve Unit,GVU)進(jìn)行通風(fēng)[1];但是對(duì)于大型船舶,供氣管路的主閥至主輔機(jī)管路過(guò)長(zhǎng),僅通過(guò)主閥控制燃?xì)夤苈啡源嬖谛孤兜娘L(fēng)險(xiǎn),需要在主閥及主輔機(jī)GVU管路之間增加燃?xì)鈶?yīng)急切斷閥組單元(Gas Emergency Cut-off Valve Unit,GECU)進(jìn)行進(jìn)一步控制,GECU在設(shè)備維修時(shí)將燃?xì)庠O(shè)備與供氣系統(tǒng)隔離,并用氮?dú)鈱?duì)上下游管路進(jìn)行吹掃。由于每個(gè)用氣設(shè)備燃?xì)夤?yīng)的雙壁管區(qū)域都需采用獨(dú)立的機(jī)械負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng),因此對(duì)于此種發(fā)電機(jī)的供氣管路需要三個(gè)進(jìn)風(fēng)口才能滿(mǎn)足要求,見(jiàn)圖1。

圖1 發(fā)電機(jī)的雙壁管通風(fēng)單元示意圖

圖1為發(fā)電機(jī)的雙壁管通風(fēng)單元示意圖,主要包括發(fā)電機(jī)及其GVU、GECU、雙壁管內(nèi)管、外管及風(fēng)機(jī)、風(fēng)量開(kāi)關(guān)氣體探測(cè)等。風(fēng)量開(kāi)關(guān)用于監(jiān)測(cè)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量,氣體探測(cè)用于監(jiān)測(cè)是否有燃?xì)庑孤?/p>

2 通風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)IGF規(guī)范要求,雙壁管和氣體安全機(jī)器處所內(nèi)氣體閥件單元處所的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于所有其他通風(fēng)系統(tǒng);雙壁燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的內(nèi)外管環(huán)形空間以及GVU閥組應(yīng)通過(guò)機(jī)械風(fēng)機(jī)保證持續(xù)通風(fēng),每小時(shí)至少換氣30次并且通過(guò)氣體探測(cè)器實(shí)時(shí)檢測(cè)燃?xì)夤艿臍怏w泄漏[3]。GECU同GVU結(jié)構(gòu)大致相同,同樣需要滿(mǎn)足規(guī)范通風(fēng)要求。

假設(shè)通風(fēng)次數(shù)為每小時(shí)30次,則圖1中風(fēng)機(jī)A雙壁管通風(fēng)量計(jì)算公式為:

QA=30×(Q1+Q2+Q3+Q4)

(1)

(2)

(3)

式中,Q1為GECU至GVU雙壁管單次通風(fēng)量,L1為其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度;Q2為GVU至發(fā)電機(jī)雙壁管單次通風(fēng)量,L1為其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度;Q3為GVU閥箱容積;Q4為發(fā)電機(jī)內(nèi)部雙壁管環(huán)形空間容積;D1為雙壁管外管內(nèi)徑,D0為雙壁管內(nèi)管外徑。

風(fēng)機(jī)B雙壁管通風(fēng)量計(jì)算公式為:

QB=30×(Q5+Q6)

(4)

式中,Q5為GECU到機(jī)艙的雙壁管單次通風(fēng)量,L5為其對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度,其計(jì)算公式與Q1相同;Q6為GECU閥箱容積。

以瓦錫蘭發(fā)電機(jī)W9L34DF為例,該GVU體積為1.2 m3,發(fā)電機(jī)內(nèi)部環(huán)形空間體積為0.053 m3。根據(jù)式(1)式(4)可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)A和風(fēng)機(jī)B需要的風(fēng)量,考慮一定余量后可以得到風(fēng)機(jī)選定的風(fēng)量,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 風(fēng)機(jī)A風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

表2 風(fēng)機(jī)B風(fēng)量計(jì)算結(jié)果

可以得知,發(fā)電機(jī)GVU,GECU的風(fēng)機(jī)所需的通風(fēng)量均為60 m3/h,所選的風(fēng)機(jī)必須要滿(mǎn)足此通風(fēng)量的需求。

3 管路壓力損失計(jì)算

3.1 計(jì)算原理

風(fēng)機(jī)選型不僅需要考慮通風(fēng)量,還要考慮靜壓值。風(fēng)機(jī)的靜壓值為負(fù)壓值與管路壓力損失的總和,一般來(lái)說(shuō),雙壁管的環(huán)形空間需要機(jī)械抽風(fēng)維持在2 000 Pa的負(fù)壓狀態(tài),為得到風(fēng)機(jī)選型所需的靜壓值,需要對(duì)通風(fēng)管路的壓力損失進(jìn)行計(jì)算。在風(fēng)機(jī)初步選型時(shí),需預(yù)留余量,在船廠(chǎng)放樣后,再根據(jù)詳細(xì)管路布置計(jì)算壓力損失來(lái)核對(duì)選型是否正確。管路壓力損失包括沿程壓力損失、局部壓力損失兩個(gè)部分。

3.1.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失是由空氣本身的黏滯性及其與管壁間的摩擦而產(chǎn)生的沿程能量損失[3],可由公式(5)算出。

(5)

式中,λ為摩擦因數(shù),L為管道長(zhǎng)度,m;D為當(dāng)量直徑,m;ρ為風(fēng)量密度,kg/m3;v為流速,m/s。對(duì)于摩擦因數(shù)的計(jì)算。

如果雷諾數(shù)Re<2 000(層流):

(6)

如果雷諾數(shù)2 000

(7)

式中,K為絕對(duì)粗糙度;d為圓管內(nèi)徑,mm;β為過(guò)渡區(qū)λ的計(jì)算系數(shù)。

如果雷諾數(shù)4 000

(8)

如果雷諾數(shù)105

(9)

但在工程應(yīng)用上摩擦因數(shù)值λ變化很小,近似于常數(shù),而管路及流體一定,不考慮密度變化時(shí)[5],(5)式可以轉(zhuǎn)變?yōu)?

△Pf=k0ν2

(10)

由于:

(11)

因此,管路的沿程阻力與流量的平方成正比,比例關(guān)系為:

(12)

(13)

3.1.2 局部壓力損失

局部壓力損失是流體流經(jīng)局部障礙時(shí),由于液流的方向和速度的突然變化,導(dǎo)致邊界層分離產(chǎn)生漩渦而造成的能量損失,可由公式(14)算出。

(14)

式中,為局部阻力系數(shù)ξ;n為局部障礙數(shù)量。管路及流體一定,不考慮密度變化時(shí),管路的局部阻力仍與流量的平方成正比,比例關(guān)系為:

(15)

(16)

常見(jiàn)的管路局部阻力系數(shù)ξ見(jiàn)表3。

表3 常見(jiàn)的管路局部阻力系數(shù)

除了管路自身產(chǎn)生的壓降,空氣經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)及GVU會(huì)產(chǎn)生壓降,且壓降大小與風(fēng)量有關(guān),由于本項(xiàng)目的GECU與GVU環(huán)形空間容積相同,結(jié)構(gòu)相似,因此在初步選型的時(shí)候可以參考廠(chǎng)家提供的GVU壓降曲線(xiàn),發(fā)電機(jī)及GVU的壓降曲線(xiàn)見(jiàn)圖2～3。

圖2 發(fā)電機(jī)W9L34DF風(fēng)量壓降曲線(xiàn)

3.2 計(jì)算過(guò)程

對(duì)于該系統(tǒng)中,GVU前進(jìn)風(fēng)管有兩路,此時(shí)需考慮到兩進(jìn)風(fēng)管路的風(fēng)量分配。針對(duì)一根管路,沿程阻力損失和局部壓力損失與風(fēng)量平方成正比,風(fēng)量越大,壓降越大,但兩根管路均進(jìn)入到GVU閥箱,視為并聯(lián)管路。對(duì)于并聯(lián)管路,各支路管路阻力應(yīng)盡量相等[6],不然并聯(lián)管路會(huì)自動(dòng)平衡。由于發(fā)電機(jī)壓降相較于管路的壓降較大,因此發(fā)電機(jī)所在進(jìn)風(fēng)管風(fēng)量應(yīng)相對(duì)另一管路小很多才能保證GVU閥箱兩進(jìn)口壓力的穩(wěn)定。而GECU部分的風(fēng)機(jī)吸入口即為進(jìn)風(fēng)口c,無(wú)需考慮進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量分配的情況。

3.2.1 風(fēng)機(jī)A吸入口前的壓力損失計(jì)算

假定溫度20 ℃,空氣密度為1.2 kg/m3,該段通風(fēng)管路尺寸、長(zhǎng)度信息見(jiàn)表4。

表4 風(fēng)機(jī)A吸入口前管路信息

根據(jù)表1及表2結(jié)果,風(fēng)機(jī)A選定的風(fēng)量為60 m3/h,為獲得較為準(zhǔn)確的流量分配,本文計(jì)算了兩路進(jìn)風(fēng)口到GVU管路在五組流量分配下的壓力損失,以進(jìn)風(fēng)口a至GVU風(fēng)量為8 m3/h(進(jìn)風(fēng)口b至GVU風(fēng)量為52 m3/h)為例,計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表5。

表5 進(jìn)風(fēng)口a風(fēng)量為8 m3/h下進(jìn)風(fēng)管的壓力損失

同樣可以分別計(jì)算出進(jìn)風(fēng)口a至GVU風(fēng)量為4,6,8,10,12 m3/h情況下兩路進(jìn)風(fēng)口至GVU的壓力損失。將五組計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總,見(jiàn)表6。

表6 不同流量分配下進(jìn)風(fēng)口至GVU的壓力損失

可以得到兩路進(jìn)風(fēng)管的壓力損失與進(jìn)風(fēng)口a的風(fēng)量關(guān)系,見(jiàn)圖3。

圖3 兩路進(jìn)風(fēng)管的壓力損失與進(jìn)風(fēng)口a的風(fēng)量關(guān)系

圖3 GVU風(fēng)量壓降曲線(xiàn)

由圖3可以得到兩曲線(xiàn)交點(diǎn)處進(jìn)風(fēng)口a風(fēng)量為6.85 m3/h,進(jìn)風(fēng)口b風(fēng)量為53.15 m3/h 時(shí),兩管路到GVU的壓力損失ΔPtga=ΔPtgb=116.7Pa,流量分配相對(duì)合理。為了驗(yàn)證曲線(xiàn)的正確性,計(jì)算此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力損失見(jiàn)表7。

表7 進(jìn)風(fēng)口a風(fēng)量為6.85 m3/h下進(jìn)風(fēng)管的壓力損失

根據(jù)表7,可得到曲線(xiàn)及公式計(jì)算的壓力損失的誤差為:

式中,ΔPtc,ΔPtg分別為根據(jù)公式計(jì)算的總壓降計(jì)算結(jié)果,根據(jù)曲線(xiàn)查出的總壓降計(jì)算結(jié)果。兩條管路的計(jì)算誤差均小于5%,因此,兩路進(jìn)風(fēng)管的壓力損失與進(jìn)風(fēng)口a的風(fēng)量關(guān)系曲線(xiàn)比較準(zhǔn)確,得出的兩進(jìn)風(fēng)口的流量分配也比較準(zhǔn)確。

3.2.2 風(fēng)機(jī)B吸入口前的壓力損失

假定溫度20 ℃,空氣密度為1.2 kg/m3,該段通風(fēng)管路尺寸、長(zhǎng)度信息見(jiàn)下表8。

表8 風(fēng)機(jī)B吸入口前管路信息

其管路壓降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 風(fēng)機(jī)B吸入口前壓力損失

風(fēng)機(jī)一般要求負(fù)壓為2 000 Pa,在以上計(jì)算的基礎(chǔ)上考慮余量,風(fēng)機(jī)A可以選用靜壓為2 500 Pa的風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)B可以選用靜壓為2 300 Pa的風(fēng)機(jī)。在調(diào)試前,風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管的流量分配可以通過(guò)節(jié)流孔板或者調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)是LNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán),對(duì)整個(gè)LNG動(dòng)力船極為重要。不僅需要在風(fēng)機(jī)選型前計(jì)算壓降及風(fēng)量,還要根據(jù)最后的船廠(chǎng)布置圖進(jìn)行仔細(xì)核算,如果風(fēng)機(jī)初步選型比實(shí)際需求較大時(shí),可以通過(guò)節(jié)流孔板來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口。