高愛華，馬忠麗，婁春景，蒯晶晶

1.上海外高橋造船有限公司，上海200137 2.成都信息工程大學控制工程學院，四川成都610225

隨著船舶LNG雙燃料動力技術不斷發(fā)展成熟，LNG雙燃料船及船上配套裝置和技術研究也變得越來越重要[1]。其中，雙燃料船的機艙安全性和可靠性研究就是一項重要內(nèi)容。

雙燃料船機艙在設計過程中，對其安全性和可靠性的要求應該與柴油機船舶具有相同水平：應將氣體燃料發(fā)生危害的概率降至最低；應將可能發(fā)生危險的區(qū)域盡量減到最少，降低潛在風險；應防止爆炸性、可燃性或毒性氣體濃度的意外累積[2]。

由于LNG的易燃易爆性，其被輸送到機艙后增加了機艙的火災和爆炸風險。相對來說，船舶機艙空間較狹窄，機艙中由于機器工作散發(fā)到周圍環(huán)境中的熱量主要靠通風來排除；同時，某些設備燃燒也需要大量空氣，所以通風對機艙來說非常重要和必要[3]。為了將危險降到最低，需要對輸送LNG燃料的雙壁管、燃氣閥門單元(GVU)、燃氣處理間等進行特定的通風系統(tǒng)配置。

目前，國內(nèi)缺乏這方面的研究，本文針對20000箱大型集裝箱船的機艙通風系統(tǒng)進行了設計、計算以及配置研究。

1 LNG燃料供給系統(tǒng)通風設計和配置

1.1 本質(zhì)安全型機艙

本質(zhì)安全的機艙一般采用單一的氣體燃料發(fā)動機或雙燃料發(fā)動機，本質(zhì)安全是指對機艙內(nèi)所有的供氣管路采取氣密環(huán)圍手段(通常使用雙壁管路、通風導管)，使管路中可能的氣體燃料泄露風險降至最低，機艙安全性得到提高，使機器處所在任何情況下均處于氣體安全狀態(tài)[4?5]。

1.2 本質(zhì)安全型機艙的通風設計

1.2.1 通風系統(tǒng)總體設計

根據(jù)《國際船舶使用氣體或其他低閃點燃料安全規(guī)則》(international code of safety for ships using gases or other low-flashpoint fuel，IGF規(guī)則)相關規(guī)定，通風系統(tǒng)設計應滿足以下要求[6]：

1)危險場所的通風管道應與非危險場所的通風管道分開，且能在所有溫度和環(huán)境條件下正常工作。

2)應能避免任何氣體積聚，系統(tǒng)由獨立風扇組成，要保證容量足夠。

3)非危險空間的空氣出口設在危險區(qū)域之外。

4)危險封閉空間的空氣出口設在與通風空間相同或較小的危險程度區(qū)域內(nèi)。

5)通風設備所需的容量要根據(jù)房間的總容積計算。對于復雜形式的房間，需要增加通風能力。

6)可通過入口由非危險區(qū)域進入危險區(qū)域的處所，應設置空氣鎖，并保持在相對于外部危險區(qū)域的超壓狀態(tài)。

對于本質(zhì)安全型機艙，主機、發(fā)電機均使用雙燃料的機型，供氣系統(tǒng)管路使用雙壁管。內(nèi)管是供氣管，雙壁管中間為通風通道。設計將通風系統(tǒng)分為主機供氣管路通風系統(tǒng)、發(fā)電機用發(fā)動機(輔機)供氣管路通風系統(tǒng)、燃氣處理間通風系統(tǒng)、鍋爐管路通風系統(tǒng)4部分[7]，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 通風系統(tǒng)整體構成

1.2.2 主機供氣管路通風系統(tǒng)設計

主機的供氣系統(tǒng)采用高壓供氣形式。氣缸頭處設置有供氣噴射閥，進機艙前的供氣管的管路上設置有通風排風機，供氣管和噴射閥集全部使用雙壁管?？諝膺M氣口具體位置的確定要保證新風從安全區(qū)域引入，且高度要滿足規(guī)范要求，這里是從掃氣雙壁管(主機)出機艙的地方引出；排風機的排出口的位置和高度也需滿足規(guī)范要求。根據(jù)船級社規(guī)范規(guī)定：含雙壁管中間的空間及閥集的空間的通風循環(huán)次數(shù)應不小于30次/h；風機應為防爆型風機；電機置于風道外[8]。

1.2.3 輔機供氣管路通風系統(tǒng)設計

輔機的燃氣供氣系統(tǒng)采用低壓供氣形式，在燃氣進入發(fā)動機前，管路設置有燃氣閥單元。通風機風量的換氣量設計應該滿足空間內(nèi)30次/h。由于采用幾臺輔機并聯(lián)通風形式，為保證每臺輔機供氣管路的空氣循環(huán)量滿足相關的規(guī)范要求，風量調(diào)節(jié)閥被安置在每臺輔機新風入口處，用來調(diào)節(jié)進入每臺輔機供氣管路空間的空氣量[8]。其他設計要求與主機通風系統(tǒng)類似。

1.2.4 燃氣處理間通風系統(tǒng)設計

燃料處理間屬于密閉的空間，里面放置供氣系統(tǒng)的處理裝置以及所有與儲氣罐相連接的閥等。在這個空間設置通風系統(tǒng)的作用是將閥及設備逸漏到此處的燃氣及時排出，設計時還需要考慮此處檢查及維修時員工的出入[8]。設計要求與主機通風系統(tǒng)類似。

1.2.5 鍋爐管路通風系統(tǒng)設計

鍋爐是一種燃料燃燒設備，向鍋爐中注入的燃料主要利用其化學能和電能，經(jīng)鍋爐燃燒輸出一定的熱能[9]。供氣管均采用雙壁管形式，設計要求與主機通風系統(tǒng)類似。

2 LNG燃料供給系統(tǒng)風機容量計算選型

風機是通風系統(tǒng)的重要器件，容量是選擇風機的重要依據(jù)參數(shù)，準確的容量計算尤為重要。

2.1 機艙通風容量計算及風機選型

機艙重要參數(shù)如表1所示。

表1 通風系統(tǒng)計算參數(shù)依據(jù)

通入機艙的空氣，一部分用于幫助燃料燃燒，另一部分用于給機艙設備通風散熱。因此，機艙通風耗氣量主要包括機艙燃燒耗氣量和機艙散熱耗氣量。

2.1.1 機艙燃燒耗氣量計算

機艙燃燒包括推進柴油機燃燒、發(fā)電用柴油機燃燒、鍋爐燃燒3個部分。

1)推進柴油機燃燒空氣量qdp計算[10]

式中：Pdp為推進柴油機持續(xù)使用功率，kW；mad為二沖程推進柴油機燃燒空氣率，kg/kW·s；ρ為溫度35℃、相對濕度70%、氣壓101.3kPa時空氣密度，kg/m3。

2)發(fā)電用柴油機燃燒空氣量qdg計算

式中：Pdg為發(fā)電用柴油機最大持續(xù)使用功率，kW；K為柴油發(fā)電機負載系數(shù)；mad為四沖程柴油發(fā)電機燃燒空氣率，kg/kW·s；n為正常航行條件下發(fā)電用柴油機工作臺數(shù)。

3)鍋爐燃燒空氣量計算

式中：Gb為鍋爐最大連續(xù)產(chǎn)量，kg/s；mfs為制造每公斤蒸汽消耗的燃油量，kg/kg；maf為燃燒每公斤燃油所需空氣量，kg/kg。

4)燃燒所需總空氣量計算

式中qa=0.07m3/s。

2.1.2 機艙散熱耗氣量計算

機艙散熱包括推進柴油機散熱、發(fā)電用柴油機散熱、蒸汽鍋散熱等9部分。

1)推進柴油機散熱量計算

式中Pdp為推進柴油機最大持續(xù)使用功率，kW。2)發(fā)電用柴油機散熱量計算

式中：Pdg為發(fā)電用柴油機最大持續(xù)使用功率，kW；K為柴油發(fā)電機負載系數(shù)；n為正常航行條件下發(fā)電機工作臺數(shù)。

3)蒸汽鍋爐散熱量計算

式中：mS為鍋爐最大連續(xù)產(chǎn)氣量，kg/s；mfs為每千克蒸汽燃油耗率，kg/kg；h為燃油低熱值，kJ/kg；hb為鍋爐在最大連續(xù)輸出時的熱損失百分比；B1表示鍋爐安裝位置，這里鍋爐設在機艙內(nèi)，機艙棚下，值取1。

4)蒸汽管和凝水管散熱量計算

式中：msc為蒸汽熱耗量，每千瓦大約相當于每小時1.6kg蒸汽量，kW；Δhp為蒸汽管和凝水管每千瓦蒸汽熱耗量的散熱量。

5)發(fā)電機散熱量計算

式中：Pg為風冷發(fā)電機功率,備用機組不計，kW；η為發(fā)電機效率。

6)電氣設備的散熱量計算

電氣設備的散熱量在進行估算時，取航行中使用的電氣設備額定功率和照明功率總和的20%。

7)排氣管和廢氣鍋爐散熱量計算

8)加熱箱柜散熱量計算

9)機艙中其他設備發(fā)熱量估算值計算

10)所有設備散熱所需通風量qh計算[11]

按ISO-8861國際標準推薦公式，計算如下：

2.1.3 機艙通風總量及風機選型

1)機艙通風總量計算

設置風機共6臺，每臺容量不小于

因此實際每臺風機容量為120000m3/h。(從廠家風機特性曲線中查得，取約5%余量)。

2)機艙送風機選型

機艙送風機選型如表2所示。

表2 機艙送風機選型參數(shù)

2.2 主機供氣管路及GVU通風容量計算及風機選型

1)主機供氣管路及GVU通風總量計算

2)主機供氣管路抽風機選型

主機供氣管路抽風機選型如表3所示。

表3 主機供氣管路抽風機選型參數(shù)

2.3 發(fā)電機管路及GVU通風容量計算及風機選型

單臺發(fā)電機管路及GVU通風量為：

發(fā)電機共2臺，通風總量為：

發(fā)電機管路抽風機選型參數(shù)如表4所示。

表4 發(fā)電機管路抽風機選型參數(shù)

2.4 鍋爐管路及GVU通風容量計算及風機選型

鍋爐管路及GVU通風總量計算

鍋爐抽風機選型參數(shù)如表5所示。

表5 鍋爐抽風機選型參數(shù)

2.5 燃氣處理間通風容量計算及風機選型

燃氣處理間通風容量計算

燃氣處理間抽風機選型參數(shù)如表6所示。

表6 燃氣處理間抽風機選型參數(shù)

3 LNG燃料供給系統(tǒng)通風布置

通風系統(tǒng)合理布置是系統(tǒng)高效工作的保障。這里討論主機和輔機供氣管路及GVU通風布置。

3.1 主機供氣管路及GVU通風布置

選用MAN B&W8S90MEC-GI作為主機方案。根據(jù)GVU容積及雙壁管內(nèi)容積，雙壁管及GVU通風換氣次數(shù)要求為30次/h，防爆風機容量至少為175m3/h。因防爆風機最小型號為1000m3/h，故實際選型為30A橄欖式防爆軸流風機。設計的主機供氣管路及GVU通風管系及布置圖如圖2所示。

圖2 主機供氣管路通風管系走向圖

系統(tǒng)包含2臺防爆風機(一用一備)、一套鵝頸式自然通風筒及相關防火風閘、止回風閘及風管。主機供氣雙壁管在進入機艙前接入通風管路到排風機；自然鵝頸通風筒接風管進入機艙，風管連接必須采用套管焊接形式以保證安全性；自然進風管接到主機供氣雙壁管終端的通風接口處。

通風系統(tǒng)要求的進氣和排氣，都應該分別來自和排向安全位置[12]。對于進風口，其周圍1.5m內(nèi)應無其他安全處所的進風口及開口；對于排風口，其周圍4.5m內(nèi)應無其他安全處所的進風口及開口。

通風系統(tǒng)除需能保證IGF要求的換氣次數(shù)外，還需能保證機艙氣壓P1大于GVU內(nèi)氣壓P2、外界大氣壓P0大于GVU內(nèi)氣壓P2。因為機艙通風為送風，P1還需大于P0約50Pa，以保證主機能按照其功率曲線運轉。

3.2 發(fā)電機供氣管路及GVU通風布置

選用WARTSILA6L20DF作為雙燃料輔機方案。根據(jù)輔機GVU容積及雙壁管內(nèi)容積，雙壁管及GVU通風換氣次數(shù)要求為每小時30次，防爆風機容量至少為265m3/h。因防爆風機最小型號為1000m3/h，故實際選型也為30A橄欖式防爆軸流風機。設計的輔機供氣管路及GVU通風管系及布置如圖3所示。

圖3 輔機供氣管路及GVU通風管系走向

設計供氣管路時，4套閥組布置在一個GVU內(nèi)，簡化了通風系統(tǒng)。系統(tǒng)包含2臺防爆風機(一用一備)、一套鵝頸式自然通風筒及相關防火風閘、止回風閘及其風管。

輔機供氣雙壁管在進入機艙前接入通風管路到排風機；自然鵝頸通風筒接風管進入機艙，風管連接必須采用套管焊接形式以保證安全性；自然進風管總管分開為6路，一路接到輔機供氣雙壁管起始端，一路接到GVU通風接口，另4路接到輔機供氣雙壁管的終端通風接口。

對于所要求的通風系統(tǒng)的通風進氣和排氣，與主機要求類似。

通風系統(tǒng)除需能保證IGF要求的換氣次數(shù)外，還需能保證機艙氣壓P1大于GVU內(nèi)氣壓P3、外界大氣壓P0大于GVU內(nèi)氣壓P3。因為機艙通風為送風，P1還需大于P0約50Pa，以保證輔機能按照其功率曲線運轉。

4 結論

文章通過對本質(zhì)安全的雙燃料船機艙通風系統(tǒng)設計需求進行分析，按照相關行業(yè)標準，提出針對兩萬箱雙燃料集裝箱船的機艙通風系統(tǒng)的設計和配置方案，分別對主機、發(fā)電機、鍋爐管路雙壁管和它們的GVU單元以及燃氣處理間的通風設計和布置進行了詳細闡述，得出如下結論：

1)設計的雙燃料船本質(zhì)安全型機艙通風系統(tǒng)符合相關規(guī)范要求，能夠保證危險氣體的有效可靠排出，保障船舶雙燃料的可靠安全使用；

2)本文設計以工程可實現(xiàn)性為出發(fā)點，設計的通風系統(tǒng)較易工程實現(xiàn)；

3)本文設計的針對雙燃料集裝箱船機艙的通風系統(tǒng)為其他LNG燃料系統(tǒng)的通風系統(tǒng)的設計提供了設計思路和依據(jù)。

在之后的工程實踐中，將會進一步研究并解決在實際配置和安裝中產(chǎn)生的具體問題。