呂海燕
摘 要:本文以某78 m 平臺(tái)供應(yīng)船/油回收船的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)為例,介紹機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程,包括機(jī)艙通風(fēng)量計(jì)算、管路布置、阻力計(jì)算、百葉窗等附件的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵詞:機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì);通風(fēng)量;風(fēng)管;阻力
中圖分類號(hào):U664.86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Design of Ships E/R Ventilation System
L? Haiyan
( Guangzhou Shunhai Shipyard Ltd. Guangzhou 511440 )
Abstract: This paper introduces the design of engine room ventilation system through the design example of a 78 m platform supply / oil recovery ship, including engine room ventilation quantity calculation, pipeline arrangement, resistance calculation, design of louvers and other accessories.
Key words: Engine room ventilation design; Ventilation quantity; Air duct; Resistance
1 引言
船舶機(jī)艙作為全船的核心區(qū)域,匯聚了船舶的動(dòng)力裝置及大部分重要設(shè)備。為確保機(jī)艙部分的設(shè)備正常運(yùn)行及工作人員操作維護(hù)管理方便,可靠的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是輪機(jī)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要工作。
機(jī)艙通風(fēng)需實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的目的:
(1)維護(hù)機(jī)艙內(nèi)基本的值班工作環(huán)境;
(2)提供主柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)及其它發(fā)熱設(shè)備燃燒及散熱所必須的空氣量;
(3)排除機(jī)艙內(nèi)滯留的油氣、廢熱等。
本文以某78 m 平臺(tái)供應(yīng)船/油回收船為例,介紹船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2 通風(fēng)量確定
根據(jù)ISO8861-1998的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),機(jī)艙通風(fēng)量的確定主要考慮兩方面的因素:一是設(shè)備燃燒所需空氣量;二是設(shè)備散熱所需空氣量。機(jī)艙總通風(fēng)量至少為以上兩部分之和。該船的機(jī)艙主要設(shè)備包括:2臺(tái)主推進(jìn)柴油機(jī),額定功率為2 x 4 020 kW,在最大使用功率時(shí)的空氣消耗量為7.5 ( m3/Hr/kW);柴油發(fā)電機(jī)組3臺(tái),額定功率為3 X 450 kW,最大使用功率時(shí)的空氣消耗量為0.699 kg/s ;2臺(tái)1 100 kW的主機(jī)帶動(dòng)的軸帶發(fā)電機(jī)。
2.1 設(shè)備燃燒所需的空氣量計(jì)算
(1)推進(jìn)柴油機(jī)燃燒所需空氣量Qdp按下式計(jì)算:
Qdp=Mdp ·P ·n=60300 m3 / h=60300 m3 / h (1)
式中:
Mdp—推進(jìn)柴油機(jī)在最大使用功率時(shí)的空氣消耗量,Mdp = 7.5 (m3 / Hr / kW);
P —主柴油機(jī)最大持續(xù)功率時(shí)的軸功率,P = 4020 kW;
ndp—主柴油機(jī)臺(tái)數(shù),ndp=2;
(2)發(fā)電機(jī)燃燒所需空氣量Qdg按下式計(jì)算:
Qdg= Mdg x ndg x3 600 /ρ=4 453.8 m3/h (2)
式中:Mdg—發(fā)電機(jī)在最大使用功率時(shí)的空氣消耗量,Mdg=0.699 kg / s;
ndg—發(fā)電機(jī)數(shù)量,正常航行時(shí),ndg=2;
ρ—空氣密度,取35 ℃時(shí)ρ=1.13 kg / m3。
(3)主空壓機(jī)所需空氣量Qa:
Qa=2 x 34 m3 / h=68 m3/h
由此可得,設(shè)備燃燒所需空氣量QC合計(jì)為:QC = Qdp + Qdg + Qa = 64 821.8 m3 / h (3)
2.2設(shè)備散熱所需的空氣量計(jì)算
機(jī)艙中散熱設(shè)備眾多,本文從主要考慮主柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)組這兩項(xiàng)設(shè)備的散熱,其次為電氣設(shè)備、排氣管系等。
設(shè)備散熱所需的空氣量Qh按下式計(jì)算:
Qh= (Φdp +Φdg +Φel +Φep +Φo ) / (ρ·C·△T)-0.4(Qdp+ Qdg) =119125 m3 / h (4)
式中:Φdp —主柴油機(jī)散熱量kW,;
Φdg —主發(fā)電柴油機(jī)散熱量kW, ;
Φel — 電氣設(shè)備的散熱量kW,;
Φep — 排氣管系的散熱量kW,;
Φo —其它設(shè)備的散熱量,kW;
Qdp —主柴油機(jī)燃燒所需的空氣量,m3/s;
Qdg —主發(fā)電柴油機(jī)燃燒所需的空氣量,m3/s;
ρ—空氣密度,取35℃時(shí)ρ=1.13 kg / m3;
C —空氣定壓比熱容, C=1.01 kJ / kg*K
△T — 機(jī)艙內(nèi)的平均溫升,△T=12.5 K;
2.2.1主柴油機(jī)散熱量Φdp的計(jì)算
如果主機(jī)商不能提供確切的數(shù)據(jù),按下式計(jì)算:
Φdp=Ldx PdpxndP = 132.66 kW (5)
式中:Pdp ——推進(jìn)柴油機(jī)最大持續(xù)功率時(shí)軸的功率,Pdp= 4 020 kW;
Ld — 柴油機(jī)熱損失,%。按圖1計(jì)算,取0.0165;
ndP—主柴油機(jī)的臺(tái)數(shù),ndP=2。
2.2.2發(fā)電機(jī)組散熱量Φdg計(jì)算endprint
Φdg=φdgxndg=50 kW (6)
式中:Φdg — 發(fā)電機(jī)的熱排放,取Φdg=25 kW,(廠商提供);
ndg — 正常航行時(shí)ndg =2。
2.2.3 電器設(shè)備散熱量Φel 計(jì)算
Φel = Pg x n x 0.85 x 20%=187 kW (7)
式中:Pg—軸帶發(fā)電機(jī)的功率,每臺(tái)Pg =1 100 kW;
n —軸帶發(fā)電機(jī)數(shù)量,n=1。
2.2.4 排氣管散熱量Φep計(jì)算
(1)主機(jī)排氣管散熱量
主機(jī)排氣管管徑DN700 mm,絕緣厚70 mm,從圖譜查出每米排氣管的散熱量為0.5 kW/m;
主機(jī)排氣管長(zhǎng)度28 m,故2臺(tái)主機(jī)排氣管散發(fā)熱量為28 kW。
(2)發(fā)電機(jī)排氣管散熱量
發(fā)電柴油機(jī)排氣管管徑DN200 mm, 絕緣厚50 mm,每米排氣管的散熱量為0.25 kW/m,發(fā)電機(jī)排氣管長(zhǎng)度30 m,故2臺(tái)發(fā)電機(jī)排氣管散發(fā)熱量為15 kW.
因此,排氣管系的散熱量合計(jì)Φep =28+15=43 kW.
2.3 機(jī)艙所需總通風(fēng)量計(jì)算
QTV= QC +Qh =183 946.8 m3/h (8)
3 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)依據(jù):BV(必維船級(jí)社)規(guī)范、LLC《國(guó)際載重線公約》以及SOLAS《國(guó)際海上人命安全公約》等。
3.1 通風(fēng)方式的選擇
艙室的通風(fēng)有以下幾種方式:機(jī)械送風(fēng)機(jī)械排風(fēng);機(jī)械送風(fēng)自然回風(fēng);自然送風(fēng)機(jī)械排風(fēng)方式;自然通風(fēng)方式。根據(jù)ISO8861-1998要求,機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)需維持機(jī)艙稍微有正壓,通常正壓不超過50 Pa,因此該船設(shè)計(jì)采用機(jī)械送風(fēng)自然回風(fēng)方式,即采用機(jī)艙機(jī)械送風(fēng)、機(jī)艙(煙囪棚)自然回風(fēng)方式。因此,選用2臺(tái)等風(fēng)量的風(fēng)機(jī)用于機(jī)艙送風(fēng)(每臺(tái)風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)風(fēng)量約為92 000 m3/h)。為滿足不同工況需求,采用雙速風(fēng)機(jī),考慮到機(jī)艙釋放CO2后的排風(fēng)需求,其中一臺(tái)風(fēng)機(jī)采用可逆型式。另外,為了滿足效率高、體積小、方便正反轉(zhuǎn)等特點(diǎn),機(jī)艙風(fēng)機(jī)選擇軸流風(fēng)機(jī)。
3.2 機(jī)艙主通風(fēng)管路設(shè)計(jì)
機(jī)艙屬機(jī)械處所,其通風(fēng)道在經(jīng)過其他艙室時(shí)需考慮防火問題。另外,考慮到機(jī)艙內(nèi)電纜、水管、油管等管線眾多,因此機(jī)艙通風(fēng)道主要采用結(jié)構(gòu)風(fēng)管型式,以滿足布置及防火需求。
主甲板以上部分結(jié)構(gòu)風(fēng)管布置在上層建筑的兩側(cè),該風(fēng)道截面的設(shè)計(jì)是將風(fēng)速控制在最高8 m/s左右,以降低風(fēng)道內(nèi)噪音對(duì)上層建筑的影響。在結(jié)構(gòu)風(fēng)道中,由于船體結(jié)構(gòu)布置的原因,風(fēng)管的走向不可能全部順暢,有些位置甚至拐彎比較多,造成局部通風(fēng)面積不夠,例如甲板結(jié)構(gòu)開孔偏小,造成局部風(fēng)速達(dá)25 m/s。為解決這一問題,在滿足強(qiáng)度要求及不改變其他專業(yè)布置的情況下,將該結(jié)構(gòu)風(fēng)管根部(甲板下)艙壁由垂直改為傾斜,局部擴(kuò)大面積,以降低風(fēng)速使風(fēng)道暢通,見圖2。
主甲板下部機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)道主要作用是將風(fēng)送至機(jī)艙內(nèi)各個(gè)場(chǎng)所,其目的如下:提供主機(jī)、輔機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行時(shí)需要的燃燒用空氣;帶走機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行時(shí)散發(fā)的大量熱量;帶走機(jī)械設(shè)備散發(fā)的各種油氣等危險(xiǎn)氣體;給工作人員提供呼吸用的新鮮空氣。 因此需從總管上分出各支風(fēng)管至上述位置,這些支風(fēng)管大小須按風(fēng)量風(fēng)速設(shè)計(jì),通過前面的風(fēng)量計(jì)算,各主要設(shè)備所需的風(fēng)量分別是:主機(jī)約110 000 m3/h;發(fā)電機(jī)約60000 m3/h;軸發(fā)約18 000 m3/h;其他約7000 m3/h。由于該船機(jī)艙比較小,設(shè)備較多,機(jī)艙分為上下兩層結(jié)構(gòu):機(jī)艙上層風(fēng)管主管中的風(fēng)速,推薦風(fēng)速12~20 m/s;然后依次確定其后各段主管和分管中風(fēng)速。一般風(fēng)量每次降低10%、風(fēng)速約降低0.5 m/s,將各支風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速控制在8 m/s左右。由于風(fēng)量及風(fēng)管尺寸較大,這些支風(fēng)管均采用至少3 mm的黑鐵皮制作,以滿足強(qiáng)度要求,避免風(fēng)管強(qiáng)度不夠產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲;機(jī)艙下層風(fēng)管由于結(jié)構(gòu)的限制,直接在上層主風(fēng)管所到達(dá)的機(jī)艙下層甲板前后四個(gè)角的位置安裝4臺(tái)相當(dāng)風(fēng)量的送風(fēng)機(jī),以保證機(jī)艙下層通風(fēng),具體布置見圖3。
3.3 送風(fēng)管路上風(fēng)口設(shè)計(jì)
該船送風(fēng)口采用的是不可調(diào)節(jié)的線網(wǎng)式風(fēng)柵形式,主要考慮到該型風(fēng)柵有效通風(fēng)面積較大,若采用傳統(tǒng)的槽式結(jié)構(gòu)通風(fēng)柵,其有效通風(fēng)面積小,同樣數(shù)量的風(fēng)柵后者出風(fēng)口風(fēng)速較大,若為降低風(fēng)速而增多風(fēng)柵,則又不經(jīng)濟(jì)。通風(fēng)柵的數(shù)量應(yīng)將機(jī)艙內(nèi)的送風(fēng)口風(fēng)速控制在6 m/s以下,達(dá)到相關(guān)要求。
3.4 機(jī)艙進(jìn)/出風(fēng)口
機(jī)艙風(fēng)機(jī)室上部結(jié)構(gòu)風(fēng)道主要用于安裝送風(fēng)百葉窗,根據(jù)LLC規(guī)范:在“位置1”的通風(fēng)筒,其圍板高出甲板以上4 500 mm;在“位置2”的通風(fēng)筒,其圍板高出甲板以上2 300 mm。所謂“位置1” -指在開敞的干舷甲板和后升高甲板上,以及位于從首垂線起船長(zhǎng)四分之一以前的開敞上層建筑甲板上;“位置2”- 指在位于從首垂線起船長(zhǎng)四分之一以后的上層建筑甲板上。
該船設(shè)計(jì)共用4個(gè)1 500 mm×1 400 mm無(wú)門固定百葉窗分別向兩個(gè)風(fēng)機(jī)供風(fēng)。根據(jù)SOLAS公約,應(yīng)設(shè)有供天窗開啟和關(guān)閉、在煙囪上正常排氣通風(fēng)開口關(guān)閉和通風(fēng)擋火閘關(guān)閉用的控制裝置,因此煙囪上的回風(fēng)百葉窗采用無(wú)門但百葉可關(guān)閉的形式。綜合風(fēng)速、百葉窗葉片數(shù)量等考慮,設(shè)計(jì)采用2個(gè)大小為2000 mm×1550 mm的氣動(dòng)百葉窗,并在駕駛室能控制其開閉。根據(jù)本人多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),只要百葉窗的面積大約是風(fēng)機(jī)通風(fēng)面積的1.8~2倍就可滿足通風(fēng)要求。
3.5 風(fēng)機(jī)噪聲和震動(dòng)的消除
由于風(fēng)機(jī)尺寸較大,噪聲也比較大,所以造成機(jī)艙的噪聲及上層建筑的噪聲均比較大。為了改善這種狀況,在送風(fēng)機(jī)下方加消音器,以減少風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)住艙的影響。同時(shí),為了減少風(fēng)機(jī)的震動(dòng),在風(fēng)機(jī)下方安裝有減震器,如圖4。
另外,在結(jié)構(gòu)風(fēng)管一些拐角的地方,加了有一定弧度的導(dǎo)流板。
3.6 機(jī)艙風(fēng)機(jī)可閉風(fēng)閘及煙囪百葉窗
按BV規(guī)范要求,在機(jī)艙釋放CO2的情況下,應(yīng)能迅速切斷機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng);另外,由于機(jī)艙風(fēng)機(jī)風(fēng)閘及煙囪百葉窗的尺寸較大,手動(dòng)操作比較困難,因此本通風(fēng)系統(tǒng)上的煙囪百葉窗、機(jī)艙風(fēng)機(jī)上的風(fēng)閘均設(shè)計(jì)成氣動(dòng)形式,氣源為壓縮空氣,來(lái)自應(yīng)急速關(guān)閥空氣系統(tǒng),供氣時(shí)保持開啟狀態(tài),斷氣時(shí)關(guān)閉,并能在駕駛室遙控,駕駛臺(tái)可顯示開關(guān)狀態(tài)并能遙控啟/閉。
3.7 風(fēng)管阻力的計(jì)算
風(fēng)機(jī)壓力根據(jù)風(fēng)管系統(tǒng)的阻力計(jì)算確定。一般風(fēng)機(jī)的靜壓為400 Pa~500 Pa,這樣使風(fēng)管尺寸及電動(dòng)機(jī)功率都不致過大。進(jìn)行通風(fēng)管道計(jì)算時(shí),必須確定壓力損失,包括局部阻力損失和摩擦阻力損失,由于通風(fēng)管道短而且曲折多,所以局部阻力損失比較大。
(1)局部阻力損失
△Pi=ξx (V2 xρ) / 2 (9)
式中: △Pi—管件阻力損失,Pa;ξ— 局部阻力系數(shù),可查表求出; ρ—空氣密度,取35 ℃時(shí)ρ=1.13 kg/m3;V —流速,m/s。
(2)摩擦阻力損失
可根據(jù)風(fēng)管的形狀、風(fēng)量和直徑,從標(biāo)準(zhǔn)圖譜中查出。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文通過介紹船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,闡述了機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的風(fēng)量計(jì)算、風(fēng)管的設(shè)計(jì)、阻力計(jì)算以及設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題,對(duì)船舶通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。該系統(tǒng)最終通過了系泊試驗(yàn),并在航行實(shí)驗(yàn)階段運(yùn)行良好。但是,由于受空間限制,該船機(jī)艙風(fēng)機(jī)的布置圍井偏小,如果布置位置允許,應(yīng)該給風(fēng)機(jī)盡可能大的空間,以利于安裝風(fēng)機(jī)和消音器以及改善通風(fēng)效果。
參考文獻(xiàn)
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[3] LLC,國(guó)際載重線公約[1966].endprint