周榮輝， 顧 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

某大型LNG船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建模

周榮輝， 顧 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

研究某型LNG船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)原理，根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供的功率參數(shù)，運(yùn)用極限升溫法，算出整個(gè)機(jī)艙維持滿負(fù)荷工作所需的總通風(fēng)量，確定適合的機(jī)艙通風(fēng)以及分配方式；根據(jù)機(jī)艙通風(fēng)管路原理圖，運(yùn)用三維干涉檢查法，設(shè)計(jì)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)管路三維物理模型，驗(yàn)證風(fēng)管的布局合理性，為風(fēng)管生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供模型依據(jù)。

LNG船；機(jī)艙；設(shè)計(jì)和建模；通風(fēng)系統(tǒng)

0 引 言

目前，機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用機(jī)械通風(fēng)和自然排風(fēng)扇組合的方式,用風(fēng)機(jī)將兩舷外側(cè)的新鮮空氣通過(guò)風(fēng)管送入機(jī)艙各處，在機(jī)艙內(nèi)吸熱后從天窗、煙囪或排風(fēng)格柵排出。

船舶機(jī)艙是船舶的心臟，其間交叉密布了各種機(jī)械及電力設(shè)備。設(shè)置船舶機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)的目的是提供主、副機(jī)或鍋爐及其他設(shè)備燃燒和散熱時(shí)所需的空氣量，以及滿足機(jī)艙散熱和排廢氣的需求。為保證機(jī)艙內(nèi)良好的通風(fēng)工作環(huán)境，必須對(duì)機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)。

船舶機(jī)艙通風(fēng)要求在機(jī)艙內(nèi)建立并保持適宜的通風(fēng)環(huán)境條件,良好的通風(fēng)可以為員工提供舒適的工作環(huán)境，保障機(jī)械設(shè)備正常負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),有效排除廢氣，減少安全隱患及事故的發(fā)生。

1 通風(fēng)系統(tǒng)原理

1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

本文的研究對(duì)象為滬東中華造船(集團(tuán))有限公司承建的大型LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)，采用1臺(tái)主機(jī)、3臺(tái)發(fā)電機(jī)(船舶全速航行時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)，1臺(tái)備用)，鍋爐、副機(jī)以及其他機(jī)械設(shè)備等無(wú)間隔地布置在整個(gè)高大機(jī)艙內(nèi)。

該型LNG船機(jī)艙通風(fēng)的原理是通過(guò)機(jī)械抽風(fēng)機(jī)將外界新風(fēng)經(jīng)由通風(fēng)管路送入機(jī)艙大環(huán)境內(nèi)供機(jī)械動(dòng)力設(shè)備工作使用，同時(shí)吸收機(jī)艙內(nèi)機(jī)械動(dòng)力設(shè)備的負(fù)荷工作散熱，通過(guò)回風(fēng)系統(tǒng)排出[1]。利用機(jī)械送風(fēng)機(jī)經(jīng)由若干通風(fēng)格柵，將新鮮空氣均勻送進(jìn)機(jī)艙大環(huán)境，再充分采用自然出風(fēng)口將已經(jīng)污染的有害氣體排至船外，從而達(dá)到LNG船機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)換氣及散熱的目的[2]。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)一般由進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道及其附件等組成。

(1) 設(shè)計(jì)LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路時(shí),須維持通風(fēng)管路內(nèi)的微正壓環(huán)境,正常設(shè)計(jì)時(shí)不超過(guò)50 Pa。

(2) LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路的原材料和連接附件等須經(jīng)防腐處理，并且能夠防止海水侵蝕。

(3) LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路在滿足正常通風(fēng)量使用的條件下，應(yīng)盡可能地優(yōu)化尺寸，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，這樣可有效地減少摩擦力和阻力。在管徑產(chǎn)生變化的連接部位應(yīng)盡量采用漸擴(kuò)或漸縮管。由于LNG船機(jī)艙布局緊湊,在有彎頭的地方,風(fēng)管的彎頭可根據(jù)需要選用適當(dāng)?shù)男螤睢Ｔ谌ü苈返倪B接處，氣流尚未穩(wěn)定,不要接交換器和通風(fēng)格柵。

(4) LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路設(shè)計(jì)須統(tǒng)籌考慮防火防爆的綜合要求。

LNG船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量很大，機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的散熱量也很大，可搭配與降溫型空調(diào)器一起使用來(lái)降低艙內(nèi)溫度，可以有效排出機(jī)艙內(nèi)余熱。

2 通風(fēng)量計(jì)算

極限溫升法參照初始設(shè)定的船舶機(jī)艙溫度，根據(jù)詳細(xì)規(guī)格策劃書(shū)中各相關(guān)機(jī)械設(shè)備的功率進(jìn)行計(jì)算，得到各大型負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備的通風(fēng)量和散熱量，接著計(jì)算得出總體負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的總送風(fēng)量。極限溫升法認(rèn)為空氣燃燒量及各種設(shè)備散發(fā)出來(lái)的熱量是隨著功率的增加而增加的，適用于總通風(fēng)量相對(duì)比較大的艙室。

該LNG船機(jī)艙屬于高大空間，布局緊湊，多種機(jī)械設(shè)備交叉布置，屬于總通風(fēng)量比較大的艙室，因此決定采取極限溫升法來(lái)計(jì)算LNG船機(jī)艙維持總體負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)所需的總通風(fēng)量。

通風(fēng)計(jì)算具體參照“ISO 8861—1998[3]造船——柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)——設(shè)計(jì)要求和計(jì)算基礎(chǔ)”來(lái)進(jìn)行。計(jì)算得出的總通風(fēng)量應(yīng)滿足LNG船機(jī)艙全部機(jī)電設(shè)備滿負(fù)荷工作時(shí)最大通風(fēng)量的需求,并且滿足排除LNG船機(jī)艙內(nèi)所有機(jī)械設(shè)備散熱所需的總通風(fēng)量。

2.1 燃燒所需通風(fēng)量

根據(jù)極限溫升法，參照各相關(guān)機(jī)械設(shè)備的功率開(kāi)展計(jì)算。該LNG船機(jī)艙主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下：主機(jī)1臺(tái)，功率4 010 kW，4 沖程；發(fā)電機(jī)3臺(tái)，發(fā)電柴油機(jī)功率410 kW，4 沖程，航行狀態(tài)時(shí)同時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用；組合型燃油鍋爐1 臺(tái)，功率約500 kW；廢氣鍋爐 1 臺(tái)，功率約500 kW。

機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算依據(jù)“ISO 8861-1998”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況，大氣壓力100 kPa,外界氣溫取+35℃，相對(duì)濕度為70%，空氣密度為1.2 kg/m3，比熱為1.01 kJ/(kg·K)。

設(shè)計(jì)工況系數(shù)：外界環(huán)境溫度為+35℃，氣壓為101 kPa，溫升ΔT：最大12.5 K，ΔT= 艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度51.5℃ - 送風(fēng)溫度39℃，空氣密度ρ取1.2 kg/ m3，空氣質(zhì)量熱容C取1.01 kJ/(kg·K)。

燃燒所需空氣量：

主機(jī)燃燒所需空氣量qdp=pdp×mad/ρ= 6.68 m3/s；

發(fā)電柴油機(jī)燃燒所需空氣量qdg= 2×pdg×mad/ρ= 1.367 m3/s；

鍋爐燃燒所需空氣量qb=pdb×mfs×maf/ρ=0.20 m3/s；

燃燒所需空氣總量qc=qdp+qdg+qb=8.247 m3/s。

式中：pdp為主機(jī)最大連續(xù)輸出功率，kW；mad為柴油機(jī)耗氧系數(shù)，0.002 kg/(kW·s)(4 缸)；pdg為發(fā)電柴油機(jī)最大連續(xù)輸出功率，kW；pdb為燃油鍋爐功率；mfs為燃油消耗量，0.11 kg/(kW·h)；maf為每消耗1 kg 燃油所需的空氣量，15.7 kg。

2.2 散熱所需通風(fēng)量

設(shè)備散熱所需空氣量：

鍋爐散熱量φb=pdb×B1×Δhb/100 =45.52 kW ；

式中：B1為鍋爐位置系數(shù)，B1= 0.1 ；Δhb為鍋爐最大連續(xù)輸出時(shí)熱損失百分比，取91.04%。

蒸汽管及凝水管散熱量φp= 5 kW；

排氣管散熱量φep= 5.225 kW。

電氣設(shè)備總散熱量：LNG船機(jī)艙電氣設(shè)備包括照明燈具、電纜管路通道和各種電氣設(shè)備等，按電氣所有設(shè)備全部負(fù)荷使用，估算結(jié)果φe1= 13.38 kW。

其他小型箱柜及設(shè)備散熱量估算為φ0= 9 kW。

全部設(shè)備散熱所需空氣量為

2.3 總通風(fēng)量

機(jī)艙所需總風(fēng)量：

A 方式：QA=qc+qh= 22.21 m3/s= 79 956 m3/h≈80 000 m3/h。

B 方式：QB=1.5×qc= 1.5×9.327 m3/s= 13.990 5 m3/s < A 方式。

取大者，所以該LNG船機(jī)艙所需的總風(fēng)量約為80 000 m3/h。

結(jié)合該LNG船實(shí)際布置情況，決定采用兩個(gè)機(jī)械電動(dòng)送風(fēng)機(jī)對(duì)LNG船機(jī)艙進(jìn)行送風(fēng)(均分總的通風(fēng)量80 000 m3/h，即平均每臺(tái)機(jī)械電動(dòng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量選擇為40 000 m3/h)，左右舷對(duì)稱布置；考慮到不同航行載荷的條件，采用雙速風(fēng)機(jī)，根據(jù)船舶風(fēng)機(jī)布置規(guī)范，綜合考慮釋放廢氣后的排風(fēng)，將其中1臺(tái)設(shè)計(jì)為可逆式風(fēng)機(jī)。

3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)一般由進(jìn)氣與排氣組織兩部分構(gòu)成。主管為主的管路布局模式,優(yōu)點(diǎn)是空間布局緊湊,占用空間地方較小,節(jié)約空間還能滿足通風(fēng)需求； LNG船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)采用主管為主的管路布局模式，系統(tǒng)包含進(jìn)氣和排氣兩部分，其進(jìn)氣裝備包含風(fēng)管、送風(fēng)口、進(jìn)氣柵、軸流風(fēng)機(jī)和防火擋板等，其排風(fēng)裝置包含風(fēng)管、排氣格柵、排風(fēng)口及防火擋板等。

某大型LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng),其主機(jī)、發(fā)電機(jī)及相關(guān)機(jī)械設(shè)備等無(wú)間隔地被布置在整個(gè)機(jī)艙內(nèi)。按照“ISO 8861-1998”要求，船舶機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)必須滿足微正壓前提，通常不超過(guò)50 Pa，綜合考慮布局及通排風(fēng)各方式的優(yōu)缺點(diǎn)，該LNG船機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)為機(jī)械強(qiáng)制送風(fēng)自然回風(fēng)方式。

LNG船機(jī)艙通風(fēng)的主風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為2臺(tái)機(jī)械電動(dòng)風(fēng)機(jī)：1臺(tái)必須設(shè)計(jì)為可逆轉(zhuǎn),可滿足在主進(jìn)風(fēng)口安裝風(fēng)雨密水密門或者小型艙口蓋的需求；同時(shí)滿足在低負(fù)荷的航行過(guò)程條件下,可利用那臺(tái)可逆轉(zhuǎn)的機(jī)械電動(dòng)風(fēng)機(jī),連接成送風(fēng)和排風(fēng)的通風(fēng)順暢回路,從而改善換氣效果。

設(shè)計(jì)LNG船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口布置時(shí)，不能太接近機(jī)艙的排風(fēng)口,防止廢氣再次被吸入后進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。統(tǒng)籌機(jī)艙行車、排氣管、菌形通風(fēng)筒的整體布局安排,通過(guò)及貫穿船體結(jié)構(gòu)會(huì)損傷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且不美觀和整齊，所以LNG船機(jī)械風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為左右舷完全對(duì)稱布置。

在保證有效使用截面積的前提下，矩形風(fēng)管相對(duì)于圓形風(fēng)管形式靈活,方便做方向或者拐彎等調(diào)整,尤其是在空間布局很緊張的機(jī)艙大環(huán)境下，風(fēng)管需穿越結(jié)構(gòu)且經(jīng)常拐彎。同時(shí)，矩形風(fēng)管可充分滿足《SOLAS公約》[4]的相關(guān)要求，滿足防火隔離等級(jí)的要求，公約中強(qiáng)制要求壁厚大于(或等于)3 mm的鋼質(zhì)矩形風(fēng)管必須包扎復(fù)合巖棉材料來(lái)保護(hù)。

機(jī)艙屬于機(jī)械工作場(chǎng)所，其通風(fēng)管路布局設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮絕緣防火保護(hù)，尤其是在經(jīng)過(guò)有嚴(yán)格要求的防火等級(jí)的艙壁情形下。為滿足防火等級(jí)及布局需求，該LNG船機(jī)艙內(nèi)管路、電纜及相關(guān)機(jī)械設(shè)備布局多且緊湊，因此該LNG船的機(jī)艙通風(fēng)管道形式?jīng)Q定使用矩形結(jié)構(gòu)風(fēng)管。

線網(wǎng)式格柵形式有效通風(fēng)面積大，同樣數(shù)量的風(fēng)柵后者出風(fēng)口風(fēng)速較大且均勻，綜合考慮機(jī)艙空間布局情況，該LNG船共布置18個(gè)線網(wǎng)式通風(fēng)格柵來(lái)滿足機(jī)艙通風(fēng)需求。

結(jié)構(gòu)風(fēng)管尺寸設(shè)計(jì)參照《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)——輪機(jī)分冊(cè)》[5]，按風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速不超過(guò)12 m/s 開(kāi)展設(shè)計(jì)，且要做到18個(gè)通風(fēng)格柵通風(fēng)速度均勻，不形成局部死角。由于該LNG船屬于大型船舶，其通風(fēng)量較大，相應(yīng)的風(fēng)管尺寸也設(shè)計(jì)得比較大；參照船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，滿足詳細(xì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，將矩形風(fēng)管設(shè)計(jì)為3 mm 壁厚的白鐵皮制作，外部包設(shè)75 mm厚的復(fù)合巖棉，滿足防火隔離等級(jí)要求。

4 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)三維物理建模

該LNG船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)原理詳細(xì)設(shè)計(jì)布置如圖1所示，在SB3DS-PEPE模塊中，開(kāi)展三維放樣工作，建立矩形風(fēng)管的原始模型，盡量注意優(yōu)化異徑及三通接頭的連接布置，彎頭盡可能少采用；綜合考慮結(jié)構(gòu)、電氣、舾裝、輪機(jī)等其他專業(yè)的平衡布置，經(jīng)過(guò)多次協(xié)調(diào)，確認(rèn)各自的布局，反復(fù)開(kāi)展三維干涉檢查工作，確認(rèn)風(fēng)管管路的最佳布局，將18個(gè)通風(fēng)格柵做到盡可能地均勻布置在整個(gè)管路系統(tǒng)中。最終，該船機(jī)艙三維通風(fēng)布置消隱形式如圖2所示。

圖1 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

圖2 全機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)三維模型

為了更清楚地表達(dá)出LNG船矩形風(fēng)管結(jié)構(gòu)走向，對(duì)船體結(jié)構(gòu)及其他機(jī)械設(shè)備做刪減處理，提煉后的機(jī)艙風(fēng)管三維模型圖如圖3所示，圖4給出了三維俯視圖。

圖3 風(fēng)管系統(tǒng)三維模型

該LNG船機(jī)艙通風(fēng)方式為強(qiáng)制機(jī)械送風(fēng)和自然排風(fēng)相組合的方式，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為80 000 m3/h，共均勻布置18個(gè)相同規(guī)格的格柵口，滿足均勻通風(fēng)需求，保障機(jī)艙負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)條件。

圖4 風(fēng)管系統(tǒng)三維俯視圖

5 結(jié) 論

通風(fēng)系統(tǒng)不僅要維護(hù)機(jī)艙內(nèi)基本的工作環(huán)境，提供主、副機(jī)和鍋爐等動(dòng)力機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)的燃燒用空氣，滿足冷卻主、副機(jī)等機(jī)械設(shè)備的散熱需求，還需維持環(huán)境溫度，為設(shè)備和工作人員提供換氣呼吸必要的新鮮空氣，提供優(yōu)良的工作環(huán)境，保持空氣清潔并排出廢氣。 船舶艙通風(fēng)管路是整條船的呼吸系統(tǒng)，四通八達(dá)，布置于每個(gè)艙室之中，通風(fēng)從格柵出來(lái)流向整船艙室，如何建立整船的通風(fēng)模型，統(tǒng)籌考慮大型設(shè)備(如主機(jī)、發(fā)電機(jī)等)布局，綜合考慮人體舒適度，改善格柵口或布風(fēng)器的整體布局是未來(lái)的發(fā)展方向。

[1] 何治斌.船舶空調(diào)系統(tǒng)的建模與仿真[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.

[2] 周俊男.艦船艙室氣流組織的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司.柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)條件和計(jì)算基準(zhǔn)：CB/T 3772-1996[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[4] 國(guó)際海事組織.國(guó)際海上人命安全公約[EB/OL].[2013-01-19].http://wenku.baidu.com/view/8901fodc28ea81 c758f5788b.html.

[5] 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)——輪機(jī)分冊(cè)[M].3版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

DesignandModelingofEngineRoomVentilationSystemonaLNGShip

ZHOU Ronghui， GU Jin， PEI Yiyi

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032, China)

The principle of ventilation system in the engine room on a LNG ship is researched. According to the power parameters provided by the detailed design, the total ventilation rate of the whole engine room which can maintain the demand for full load work by the limit speed temperature control, the suitable ventilation and distribution mode of engine room are determined. According to the schematic diagram of vent line, the 3D physical model of vent line of the engine room is designed by 3D interference inspection, which verifies the rationalization of the layout of the vent line and provides the basis of production design for vent pipes.

LNG ship; engine room； design and modeling; ventilation system

周榮輝(1984-)，女 ，工程師，研究方向?yàn)榇棒秆b設(shè)計(jì)

1000-3878(2017)06-0052-05

U664

A