劉海天，李佳娜，葉 兵

（中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，遼寧 大連 116001）

化學(xué)品船貨艙冷卻系統(tǒng)研究

劉海天，李佳娜，葉 兵

（中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，遼寧 大連 116001）

運(yùn)輸一些低沸點(diǎn)和半氣態(tài)的貨品會(huì)對(duì)化學(xué)品船的設(shè)計(jì)建造產(chǎn)生重大影響，冷卻貨艙是一種有效的手段。本文從公約規(guī)范角度入手，對(duì)貨品物理性質(zhì)及設(shè)備現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，闡述了貨艙冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊要求及解決方法。

化學(xué)品船；低沸點(diǎn)貨物；貨艙冷卻；制冷機(jī)組

0 引言

化學(xué)品船作為高技術(shù)船舶，在其設(shè)計(jì)初期就需要對(duì)擬裝運(yùn)貨物的性質(zhì)進(jìn)行全面研究，如易燃性、毒性、腐蝕性及對(duì)環(huán)境的污染等。貨品的物理性質(zhì)同樣需要重點(diǎn)考慮，常規(guī)化學(xué)品船裝載的貨品在大氣環(huán)境狀態(tài)下為液態(tài)，故多數(shù)化學(xué)品船貨艙的設(shè)計(jì)壓力為0.025 MPa。對(duì)于低沸點(diǎn)或半氣態(tài)的貨品，規(guī)范定義為在環(huán)境溫度下絕對(duì)蒸氣壓力超過(guò)大氣壓的貨品，則要求相應(yīng)貨艙有更高的設(shè)計(jì)壓力。根據(jù)IBC CODE，貨艙高壓力的替代方案為在船舶運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)貨品進(jìn)行冷卻[1]。

目前國(guó)內(nèi)尚未建造過(guò)貨艙具備冷卻功能的化學(xué)品船，本文將根據(jù)規(guī)范公約、貨品性質(zhì)對(duì)化學(xué)品船的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，以解決貨艙冷卻系統(tǒng)對(duì)船舶設(shè)計(jì)所帶來(lái)的問(wèn)題，從而提出一套解決方案，為未來(lái)相應(yīng)船舶的建造做好技術(shù)準(zhǔn)備。

1 化學(xué)品船規(guī)范規(guī)則及需考慮的主要貨品種類(lèi)

1.1 規(guī)范規(guī)則

1）《國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶結(jié)構(gòu)和設(shè)備規(guī)范》(IBC CODE)[1]。

根據(jù)IBC CODE第1章1.1.2：“本規(guī)則所包括的液體是指那些在溫度為37.8℃時(shí)，其蒸氣壓力不超過(guò)0.28MPa絕對(duì)壓力的液體?！惫时疚乃接懙呢浧贩秶鸀樵?7.8℃時(shí)其絕對(duì)蒸氣壓力超過(guò)0.1013MPa低于0.28MPa的貨物。

該規(guī)則第7章貨物溫度控制相關(guān)要求對(duì)貨物加熱及冷卻提出了總則性的要求。第17章最低要求一覽表列出了裝載每種貨物對(duì)化學(xué)品船配備的最低要求，相應(yīng)低沸點(diǎn)貨品需滿足對(duì)應(yīng)具體章節(jié)所描述的特殊要求。

2）船級(jí)社規(guī)范

每個(gè)船級(jí)社都有各自的化學(xué)品船規(guī)范，其主要內(nèi)容與IBC CODE一致，同時(shí)提出了許多其他細(xì)節(jié)要求，如環(huán)境條件及設(shè)備數(shù)量的限定等。故在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)船舶所對(duì)應(yīng)的船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行研究，以滿足相應(yīng)要求。

1.2 需考慮的主要貨品種類(lèi)

IBC CODE 15.14明確了在37.8℃時(shí)其絕對(duì)蒸氣壓力超過(guò)0.1013MPa的貨物冷卻要求，故IBC CODE第17章最低要求一覽表第o欄中若存在15.14相關(guān)描述，則需要確認(rèn)此貨品是否存在冷卻要求，共計(jì)15種貨品[1]。表1中所列的幾種化學(xué)品為產(chǎn)量及運(yùn)輸規(guī)模較大的貨品。

表1 常見(jiàn)低沸點(diǎn)化學(xué)品

IBC CODE第17章中個(gè)別貨品名稱(chēng)為某類(lèi)化學(xué)品的總稱(chēng)，如表1中提到的戊烷(所有異構(gòu)體)就包含了多種化學(xué)品。每種化學(xué)品具有各自的物化性能，所以需要設(shè)計(jì)方與船東及時(shí)明確擬裝載的化學(xué)品，以便做出相應(yīng)的方案。

對(duì)于某些在 37.8℃時(shí)其絕對(duì)蒸氣壓力未超過(guò)0.1013MPa 的貨物，船東可能會(huì)出于安全考慮對(duì)一些低閃點(diǎn)或低沸點(diǎn)的貨品提出冷卻要求。例如正丙烯酸丁酯Butyl acrylates，雖然并未達(dá)到規(guī)范所要求的蒸汽壓力，但由于其較低的閃點(diǎn)，也可能存在冷卻的需求。

除了IBC CODE中的貨品，某些易揮發(fā)的油類(lèi)也需要進(jìn)行冷卻，這類(lèi)主要是部分低沸點(diǎn)的石腦油。

2 液貨冷卻系統(tǒng)

2.1 液貨冷卻系統(tǒng)類(lèi)型

化學(xué)品船的液貨艙冷卻形式主要分為艙外冷卻(圖1)及艙內(nèi)冷卻(圖2)。艙外冷卻即通過(guò)貨油泵將貨品從貨艙內(nèi)排出至甲板上的換熱器，經(jīng)該換熱器冷卻后注入艙內(nèi)。艙內(nèi)冷卻即通過(guò)循環(huán)泵將制冷介質(zhì)駁運(yùn)至艙內(nèi)的換熱器使貨艙保持低溫。

圖1 艙外冷卻系統(tǒng)原理

圖2 艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)原理

艙外冷卻的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、設(shè)備相對(duì)便宜、初期成本較低，但在艙外冷卻過(guò)程中，貨油泵需參與運(yùn)行，操作相對(duì)復(fù)雜。同時(shí)出于安全考慮，船東不希望某些貨品如環(huán)氧丙烷和異戊二烯在液貨艙以外進(jìn)行循環(huán)。故目前多數(shù)具有冷卻系統(tǒng)的化學(xué)品船都采用艙內(nèi)冷卻。本文也主要對(duì)艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究。

冷卻系統(tǒng)甲板上管路應(yīng)當(dāng)包絕緣，設(shè)置相關(guān)閥門(mén)，以便隔斷每個(gè)液貨艙的冷卻系統(tǒng)并可以用人工調(diào)節(jié)流量。冷卻系統(tǒng)應(yīng)配備設(shè)施，確保在任何情況下(系統(tǒng)排空者除外)均能使系統(tǒng)的壓力高于液貨艙內(nèi)貨物作用于該系統(tǒng)的最大壓力[1]。

2.2 液貨冷卻系統(tǒng)配置

進(jìn)行液貨冷卻系統(tǒng)的換熱量計(jì)算，首先應(yīng)當(dāng)確定該貨艙需要保持的溫度，該溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诨鶞?zhǔn)溫度。基準(zhǔn)溫度系指貨物蒸氣壓力與壓力釋放閥的設(shè)定壓力相當(dāng)時(shí)的溫度[1]。本文研究的貨艙是未進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特殊考慮的化學(xué)品船，貨艙的設(shè)計(jì)壓力為0.025MPa，壓力釋放閥的設(shè)定值為0.02MPa。對(duì)于不同的貨品，應(yīng)查找其在絕對(duì)飽和蒸汽壓力為0.121MPa(即0.02MPa+0.101MPa)時(shí)的溫度，貨艙的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀谠摐囟?。然后根?jù)環(huán)境條件、貨艙容量等計(jì)算熱量傳遞得出換熱器的容量，最后進(jìn)行相應(yīng)制冷機(jī)組的選型設(shè)計(jì)。

由于冷卻系統(tǒng)應(yīng)能在任何情況下保持艙內(nèi)的液體溫度低于基準(zhǔn)溫度，故至少應(yīng)配備能根據(jù)液貨艙內(nèi)的溫度變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的2整套制冷裝置。每套裝置應(yīng)配有完整的正常作業(yè)所必需的輔助設(shè)備，其控制系統(tǒng)應(yīng)能進(jìn)行人工操作，應(yīng)設(shè)有報(bào)警器，用于指出溫度控制的故障。故制冷機(jī)組及冷卻器均應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的兩套，每套具有100%的容量。作為替代布置是設(shè)3套冷卻裝置，它們中任何2套應(yīng)能足以保持液體溫度低于基準(zhǔn)溫度。如果冷卻介質(zhì)只有一種，根據(jù)規(guī)范，甲板上的冷卻介質(zhì)管路不需要兩套[1]。

同時(shí)需要注意，如本文1.2描述，如果該冷卻系統(tǒng)不是規(guī)范強(qiáng)制要求，而是船東自愿安裝，則不需要滿足備用要求。

2.3 制冷機(jī)組及冷卻介質(zhì)選擇

1）制冷機(jī)組

根據(jù)IBC CODE 7.1.6分析，貨艙冷卻系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立于船上其他用途系統(tǒng)，而且不進(jìn)入機(jī)器處所[1]。故需要為貨艙冷卻系統(tǒng)設(shè)置單獨(dú)的制冷機(jī)組?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及較大的制冷量，采用冷水機(jī)組方式進(jìn)行冷卻。冷水機(jī)組的主要組成部分有蒸發(fā)器，壓縮機(jī)，冷凝器、制冷介質(zhì)循環(huán)泵、儲(chǔ)存柜及膨脹柜等[2](參見(jiàn)圖1、2)。

制冷機(jī)組應(yīng)當(dāng)安裝在安全區(qū)域，故可在上層建筑區(qū)域設(shè)置單獨(dú)的房間作為貨艙冷卻機(jī)組室。

2）冷卻介質(zhì)的選擇

關(guān)于制冷介質(zhì)的選擇，需要注意以下幾點(diǎn)：a）不能與貨物發(fā)生反應(yīng)；b）凍結(jié)溫度低于工作溫度；c）比熱容應(yīng)足夠大；d）不易對(duì)管路產(chǎn)生腐蝕[3]。

故冷卻介質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)考慮所冷卻的貨物種類(lèi)，較多采用的冷卻介質(zhì)為水與乙二醇的混合液。

2.4 冷卻器的構(gòu)造、布置及存放

1）冷卻器的構(gòu)造

由于冷卻器安裝在艙內(nèi)，考慮到化學(xué)品的高腐蝕性[4]，多采用AISI 316L材質(zhì)。圖3為廠家FRAMO的浸沒(méi)式冷卻器，主要組成部分為頂板、管集及底部循環(huán)單元。冷卻介質(zhì)通過(guò)位于頂板的接管進(jìn)入冷卻管集，管集為熱量交換的主要部件，經(jīng)換熱后從頂板排出循環(huán)至制冷機(jī)組。底部循環(huán)單元包含一個(gè)較小的透平裝置，冷卻介質(zhì)除了冷卻功能，同時(shí)推動(dòng)透平運(yùn)轉(zhuǎn)以帶動(dòng)貨品艙內(nèi)循環(huán)，保證冷量的均勻傳遞。

圖3 艙內(nèi)冷卻器

2）冷卻器的布置

由于冷卻器中部及底部需要設(shè)置支撐與貨艙側(cè)壁固定，故冷卻器均應(yīng)靠艙壁安裝。冷卻器在艙內(nèi)的布置應(yīng)使冷卻器相互之間的距離盡可能遠(yuǎn)，最大可能保證貨艙內(nèi)溫度均勻。

3）冷卻器的存放

冷卻器可以永久安裝在貨艙內(nèi)，但考慮到冷卻器構(gòu)造較為復(fù)雜不利于洗艙，在不用此冷卻器時(shí)可考慮將其移出貨艙存放。故作如下設(shè)計(jì)：a）冷卻器與甲板上的冷卻介質(zhì)管路之間采用軟管連接，方便冷卻器拆除；b）貨艙主甲板上設(shè)置單獨(dú)的房間用于冷卻器的存放；c）貨油軟管吊盡量覆蓋冷卻器布置區(qū)域及存放房間，以便于冷卻器的吊裝。由此可將需要冷卻的貨艙及冷卻器存放空間設(shè)置在軟管吊附近。

3 案例分析

化學(xué)品船貨艙冷卻系統(tǒng)較為復(fù)雜，為便于理解，下面舉一個(gè)例子，以某船廠2009年建造的25000dwt II類(lèi)化學(xué)品船作為研究對(duì)象，考慮一對(duì)貨艙裝載環(huán)氧丙烷帶來(lái)的影響。

為方便冷卻器的吊裝，將貨油軟管吊覆蓋的 4號(hào)貨艙(P&S)作為需冷卻的貨油艙，冷卻器不用時(shí)的存放間也布置在貨油軟管吊覆蓋區(qū)域，在上建主甲板設(shè)置單獨(dú)房間布置冷水機(jī)組。具體布置參見(jiàn)圖4。

圖4 主要設(shè)備布置

關(guān)于貨品的基準(zhǔn)溫度，即貨物蒸氣壓力與壓力釋放閥的設(shè)定壓力值相當(dāng)時(shí)的溫度，可查詢(xún)相應(yīng)的化工手冊(cè)。但由于化學(xué)品種類(lèi)較多，飽和蒸汽壓力隨溫度的變化性很大，不便于內(nèi)插，故多數(shù)情況下可采用安托尼(Antoine)方程進(jìn)行計(jì)算[5]：。

式中，P為飽和蒸汽壓力，mmHg，T為溫度，℃。A、B、C為物質(zhì)的自有關(guān)聯(lián)系數(shù)。環(huán)氧丙烷的安托尼常數(shù)：A=7.06492、B=1113.6、C=232。

經(jīng)計(jì)算，飽和蒸汽壓力為0.121MPa時(shí)的溫度為39.1℃，此溫度即為基準(zhǔn)溫度。但此溫度只是一個(gè)初步的數(shù)據(jù)，在此溫度下，該艙的壓力調(diào)節(jié)閥正處于臨界開(kāi)啟狀態(tài)。由于貨艙設(shè)置壓力傳感器及高壓報(bào)警，報(bào)警值為表壓力0.018MPa，正常狀態(tài)下此報(bào)警值不應(yīng)被觸發(fā)。同時(shí)考慮到熱量傳遞的不均勻，為保證一定的安全性，把貨艙的保持溫度設(shè)定為25℃。根據(jù)MSDS查詢(xún)，此溫度下環(huán)氧丙烷的飽和蒸汽壓力為0.07586MPa，遠(yuǎn)低于壓力釋放閥的開(kāi)啟壓力。

對(duì)于單個(gè)貨艙的熱傳導(dǎo)計(jì)算，假設(shè)其相鄰艙為空艙，溫度為35℃。CCS規(guī)范對(duì)環(huán)境條件有明確的描述，海水溫度32℃，空氣溫度45℃[1]。根據(jù)以上條件及貨艙尺寸即可算出每個(gè)貨艙的吸熱量約為252kW。根據(jù)換熱量及規(guī)范對(duì)于冷卻系統(tǒng)備用性的要求，每個(gè)貨艙設(shè)置4臺(tái)冷卻器(其中1臺(tái)備用)，每臺(tái)冷卻器的容量為90kW。冷卻器在艙中的布置可參見(jiàn)圖5。

制冷機(jī)組的選型設(shè)計(jì)基于兩個(gè)貨艙同時(shí)冷卻，故設(shè)置兩臺(tái)并聯(lián)的制冷量為560kW的冷水機(jī)組，一臺(tái)工作，另一臺(tái)備用。冷卻介質(zhì)采用水與乙二醇的混合液，進(jìn)出冷卻器的溫度為～3℃/5℃。由于冷卻介質(zhì)同時(shí)推進(jìn)冷卻器底部透平裝置，為減少設(shè)備磨損，在管路中設(shè)置濾器，濾器及循環(huán)泵設(shè)置兩套，其中一套備用。

圖5 案例船型貨艙冷卻器布置

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)IBC CODE貨品清單中低沸點(diǎn)和半氣態(tài)貨品性質(zhì)及貨艙冷卻相關(guān)規(guī)范研究，總結(jié)了貨艙冷卻系統(tǒng)對(duì)化學(xué)品船設(shè)計(jì)的特殊要求，結(jié)合設(shè)備廠家技術(shù)，提出了可行的解決方法，這對(duì)于未來(lái)具有貨艙冷卻功能化學(xué)品船的建造具有指導(dǎo)作用。

[1]中國(guó)船級(jí)社.國(guó)際散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)范,2009

[2]沈維道,蔣智敏,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002

[3]中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司,中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司,中國(guó)造船工程學(xué)會(huì).船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)(第3版)輪機(jī)分冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2013

[4]Frank Mohn AS.Installation of submerged heat exchanger[M].Framo mounting instruction,2008.

[5]馬沛生.化工熱力學(xué)(通用型)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Study on Cargo Cooling System of Chemical Tanker

LIU Hai-tian,LI Jia-na,YE Bing
(China Ship Design & Research Center Co.,Ltd.,Dalian 116001,China)

The transportation of low-boiling-point cargoes and semi-gases has a great impact on the chemical tanker design and construction.Cargo cooling system is an effective approach.Based on regulations and rules,the chemical cargo physical property and equipment current situation were analyzed.Finally,an example was provided to illustrate the requirements and solutions for cargo cooling system design.

chemical tanker; low-boiling-point cargo; cargo cooling; refrigerating unit

U674.13+3.2

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.003

劉海天（1983-），男，工程師，從事船舶輪機(jī)管系設(shè)計(jì)及研究工作。