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        大型雙燃料動力集裝箱船氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

        2020-08-28 02:46:36孟繁偉
        造船技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:耗量惰化雙燃料

        孟繁偉, 王 怡

        (1.中船郵輪科技發(fā)展有限公司, 上海 200137; 2.上海外高橋造船有限公司, 上海 200137)

        0 引 言

        隨著國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)對船舶污染物排放要求的日益嚴(yán)格,液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料已成為國際船舶未來主要替代燃料之一[1]。根據(jù)《國際防止船舶造成污染公約》[2](MARPOL附則VI防止船舶空氣污染規(guī)則)要求,所有經(jīng)過排放控制區(qū)域的船舶必須滿足硫氧化物及氮氧化物的排放要求,這將進(jìn)一步刺激市場對天然氣動力船的需求。

        對于雙燃料動力船而言,在設(shè)計(jì)過程中需考慮相關(guān)規(guī)范對船舶安全使用LNG 的相應(yīng)要求,以確保雙燃料發(fā)動機(jī)的安全運(yùn)行。氣態(tài)和液態(tài)天然氣均屬于高度易燃易爆物質(zhì)[3],且以極低溫度儲存,一旦泄漏會對人員造成嚴(yán)重凍傷并使常溫管材和設(shè)備產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象[4]。LNG易氣化揮發(fā),當(dāng)與空氣混合且達(dá)到一定比例時(shí),易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。

        一般液化氣與空氣混合比在1.5%~15%屬于可燃范圍,液化氣和空氣的比值低于1.5%時(shí)稱為過稀,高于15%時(shí)稱為過濃,過稀和過濃都不會引起燃燒或爆炸。然而在LNG燃料處理過程中,LNG燃料儲存艙內(nèi)的氣體組成會持續(xù)處于這個可燃范圍(丁烷的可燃極限為1.5%~9%,甲烷的可燃極限為5%~15%)內(nèi),因此必須采取一些特殊的預(yù)防措施加以避免該問題。

        為保證船舶的安全運(yùn)營,相關(guān)規(guī)范、規(guī)則及船級社要求在雙燃料動力船上使用氮?dú)鈱θ細(xì)忾y組(Gas Valve Unit, GVU)、燃?xì)夤堋㈦p燃料發(fā)動機(jī)等部件進(jìn)行吹洗,使其中空氣的含氧量減少至不能支持火災(zāi)或爆炸的程度,以避免形成爆炸危險(xiǎn)環(huán)境,對船舶進(jìn)行有效保護(hù)。為保證氮?dú)庀到y(tǒng)的可靠性,通常在雙燃料動力船上設(shè)置專門的氮?dú)獍l(fā)生器,將其產(chǎn)生的氮?dú)庾鳛榇舷嚓P(guān)設(shè)備和部件的吹掃氣體。

        本文以某20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為研究對象,從安全的角度出發(fā)并結(jié)合規(guī)范要求,提出氮?dú)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置方案,為相關(guān)研究及工程設(shè)計(jì)提供參考。

        1 氮?dú)庀到y(tǒng)概述

        1.1 氮?dú)庀到y(tǒng)構(gòu)成

        氮?dú)庀到y(tǒng)主要由氮?dú)獍l(fā)生器和氮?dú)饩彌_罐組成。氮?dú)獍l(fā)生器從供氣空壓機(jī)獲取壓縮空氣,空氣經(jīng)干燥和過濾后送至氮?dú)獍l(fā)生器進(jìn)行處理,其后產(chǎn)生的氮?dú)馀胖恋獨(dú)饩彌_罐進(jìn)行儲存,在用氣時(shí)氮?dú)鈴牡獨(dú)饩彌_罐輸送至各用戶。圖1為氮?dú)庀到y(tǒng)工作流程圖。

        圖1 氮?dú)庀到y(tǒng)工作流程

        氮?dú)庀到y(tǒng)可提供滿足雙燃料動力船所需的氮?dú)?。氮?dú)庖?guī)格如表1所示。

        表1 氮?dú)庖?guī)格

        1.2 規(guī)范對氮?dú)庀到y(tǒng)的要求

        氮?dú)庀到y(tǒng)與雙燃料動力船上其他系統(tǒng)一樣,在設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循相關(guān)的規(guī)范、規(guī)則以及相關(guān)設(shè)備制造廠的要求和推薦。其中, IMO制定的強(qiáng)制性規(guī)定《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》(InternationalCodeofSafetyforShipsUsingGasesorOtherLow-FlashpointFuels, IGF規(guī)則)[5]中的要求是必須滿足的,且適用于所有雙燃料動力船。

        根據(jù)IGF規(guī)則相關(guān)規(guī)定,氮?dú)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)須滿足以下要求:

        (1) 惰性氣體系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)清除燃料加注管路可燃?xì)怏w的功能,當(dāng)不進(jìn)行加注操作時(shí),須保證管線內(nèi)無可燃?xì)怏w。

        (2) 惰化和吹掃系統(tǒng)的主要目的是防止燃料系統(tǒng)的管系、燃料艙、設(shè)備和鄰近處所的內(nèi)部、附近或周圍形成可燃?xì)怏w。

        (3) 燃料系統(tǒng)的惰化和吹掃程序須確??諝獠槐灰牍芟祷蛉剂吓?,氣體燃料不被引入鄰近燃料系統(tǒng)的圍阱或處所。

        (4) 加注管路須布置成具備惰化和除氣功能。當(dāng)加注管路閑置時(shí),須保持除氣狀態(tài),除非不除氣的后果已經(jīng)經(jīng)過評估和批準(zhǔn)。

        1.3 氮?dú)庀到y(tǒng)功能

        雙燃料動力船氮?dú)庀到y(tǒng)的功能是提供足夠容量的氮?dú)庥糜谌缦掠猛荆?1)LNG加注管路在加注后的惰化;(2)LNG燃料管路在維修前的惰化;(3)LNG燃料儲存艙驅(qū)氣后的透氣;(4)LNG燃料儲存艙絕緣層空間的供氣和吹掃;(5)蒸發(fā)氣(Boiled Off Gas, BOG)壓縮機(jī)的密封;(6)向主/副機(jī)和鍋爐GVU的吹掃;(7)LNG加注管、氣液管路、放空管和儀表等的吹洗;(8)泄漏試驗(yàn)連接;等等。

        需要注意的是,LNG燃料儲存艙在初次加注或維修后再加注都需使用氮?dú)鈱NG燃料儲存艙進(jìn)行氮?dú)庵脫Q惰化并用液氮初步冷卻儲罐艙體。這需要設(shè)置臨時(shí)設(shè)施來供給氮?dú)?,通常使用液氮槽罐車運(yùn)輸液氮,液氮?dú)饣笙虼瞎┙o氮?dú)庥糜诙杌屠鋮s。初步估計(jì)20 000 TEU雙燃料集裝箱船上置換和冷卻用的液氮耗量約200 m3,該耗量不包括船上氮?dú)獍l(fā)生器產(chǎn)生的氮?dú)馊萘俊?/p>

        2 氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)

        2.1 氮?dú)庥猛竞秃牧?/h3>

        為維護(hù)LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行,需連續(xù)或者間歇性地對一些用氣設(shè)備和燃料管路進(jìn)行氮?dú)獯祾摺⒚芊夂椭脫Q。

        表2 氮?dú)庀到y(tǒng)用戶及耗氣量

        根據(jù)表2中的計(jì)算結(jié)果,氮?dú)獾倪B續(xù)耗量為10 m3/h,間歇耗量為82 m3/h。按30 d的續(xù)航力計(jì)算,氮?dú)庀目偭考s7 200 m3(30 d×24 h×10 m3/h)。

        2.2 氮?dú)夤饽J竭x擇

        選擇氮?dú)獾墓饽J剑杓骖櫟獨(dú)膺B續(xù)耗量和間歇耗量,同時(shí)也需考慮在續(xù)航期內(nèi)的總體消耗量。目前廣泛應(yīng)用的小型供氮系統(tǒng)主要有以下幾種型式:

        (1) 氮?dú)馄拷M。氮?dú)馄拷M的型式適合小型LNG氣站,該方案可連續(xù)供氣,也可間歇性供氣。20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船續(xù)航時(shí)間長,在續(xù)航期內(nèi)氮?dú)庀目偭看?,需要的瓶組也較多,占用空間大,因此該方案不適用該船型。

        (2) 液氮儲存氣化。通過在船上儲存液氮然后再氣化供應(yīng)氮?dú)馐且环N常用的氮?dú)夤?yīng)方式,液氮通常布置在主甲板上,該方案在一些LNG運(yùn)輸船上有應(yīng)用案例??紤]到20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船主甲板空間局限性及設(shè)備管理問題,該方案不適用。

        (3) 薄膜式氮?dú)獍l(fā)生器。膜分離技術(shù)的原理是采用高科技中空纖維膜,當(dāng)氣體混合物通過高分子膜時(shí),不同氣體在膜中相對滲透速率不同,從而實(shí)現(xiàn)混合氣體分離的目的。薄膜式氮?dú)獍l(fā)生器的體積小且運(yùn)行可靠,是常用的制氮設(shè)備,但薄膜制氮的空氮比例高,與相同規(guī)格的變壓吸附式(Pressure Swing Adsorption, PSA)氮?dú)獍l(fā)生器相比價(jià)格較高。

        (4) PSA式氮?dú)獍l(fā)生器。PSA式氮?dú)獍l(fā)生器是以空氣為原料、以碳分子篩為吸附劑,利用其對氧與氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法,是純物理的分離方法。該型式氮?dú)獍l(fā)生器制氮方便快捷、可靠穩(wěn)定,可提供持續(xù)不間斷的氮?dú)夤?yīng);與其他制氮方式相比,其具備運(yùn)行成本低、能耗低和效率高等優(yōu)點(diǎn),且產(chǎn)生氮?dú)獾馁|(zhì)量較高,氮?dú)饧兌瓤蛇_(dá)99.999%。

        結(jié)合上述分析結(jié)果,綜合對比不同型式氮?dú)獍l(fā)生器的空氮比和設(shè)備價(jià)格等因素,20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船更適宜使用PSA式氮?dú)獍l(fā)生器作為船上氮?dú)庀到y(tǒng)的氮?dú)鈦碓?。氮?dú)庀到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

        圖2 大型雙燃料集裝箱船氮?dú)庀到y(tǒng)原理圖

        在系統(tǒng)工作時(shí),將抽取的空氣由空壓機(jī)壓縮至一定壓力后,先后送入空氣干燥器和過濾器去除壓縮空氣里的水分和雜質(zhì),之后排至空氣瓶,給氮?dú)獍l(fā)生器提供空氣,空氣進(jìn)入氮?dú)獍l(fā)生器后經(jīng)過處理得到滿足要求的氮?dú)?,產(chǎn)生的氮?dú)馑腿氲獨(dú)饩彌_罐后便可送至BOG壓縮機(jī)、加注站、GVU及相關(guān)燃料管路等多個處所以實(shí)現(xiàn)密封或吹掃的功能。

        3 氮?dú)庀到y(tǒng)配置

        以20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為例,確定氮?dú)庀到y(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備的容量,相關(guān)計(jì)算如下。

        3.1 氮?dú)獍l(fā)生器數(shù)量計(jì)算

        為確定PSA式氮?dú)獍l(fā)生器的制氮能力,主要考慮如下因素:

        (1) 氮?dú)膺B續(xù)供氣量(10 m3/h):系統(tǒng)需要連續(xù)供氣時(shí)的氮?dú)庀牧浚?/p>

        (2) 最大氮?dú)忾g歇供氣量(LNG 燃料儲存艙絕緣層空間吹掃30 m3/h):系統(tǒng)間歇需要供氣時(shí)的氮?dú)庀牧浚?/p>

        (3) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕量:為保證氮?dú)庀到y(tǒng)工作的可靠性,需為系統(tǒng)考慮20%的設(shè)計(jì)裕量;

        基于上述因素,PSA式氮?dú)獍l(fā)生器的制氮能力為(氮?dú)膺B續(xù)供氣量+氮?dú)忾g歇供氣量)×120% = 48 m3/h??紤]到系統(tǒng)冗余,該船配置2臺PSA式氮?dú)獍l(fā)生器。

        3.2 氮?dú)饩彌_罐容積計(jì)算

        氮?dú)饩彌_罐的容量通常應(yīng)按照LNG供氣系統(tǒng)廠家和船舶建造規(guī)格書要求進(jìn)行選擇,氮?dú)饩彌_罐應(yīng)設(shè)計(jì)有足夠容量以防止氮?dú)獍l(fā)生器在正常航行過程中每小時(shí)超過2次的頻繁啟動,從而影響其使用壽命,氮?dú)獍l(fā)生器會根據(jù)氮?dú)饩彌_罐的壓力自動起停。

        氮?dú)饩彌_罐容積計(jì)算公式如下:

        V=(Δm·R·T)/(Δp·MW)

        式中:Δm為5 min吹掃所需的氮?dú)赓|(zhì)量(單次操作的最大量為80 m3/h,加注時(shí)吹掃LNG管),Δm= 80 m3×5 min ×1.25 kg/m3/(60 min)= 8.4 kg;R為氣體常數(shù), 取8.314 J/(mol·k);T為大氣溫度, 取303 K;Δp為儲罐壓降, 取0.4 MPa;MW為氮?dú)饽栙|(zhì)量, 取28 g/mol。

        通過計(jì)算,氮?dú)饩彌_罐容積為1.88 m3,實(shí)際選用1.9 m3。

        3.3 空壓機(jī)容量計(jì)算

        PSA式氮?dú)獍l(fā)生器的空氣來源為壓縮空氣,其制氮所消耗的壓縮空氣量根據(jù)氮?dú)獍l(fā)生器廠商的空氮比經(jīng)驗(yàn)值估算,根據(jù)相關(guān)廠商參考資料,當(dāng)?shù)獨(dú)饧兌?體積分?jǐn)?shù))為97%時(shí)本船所選用氮?dú)獍l(fā)生器的空氮比為2,即每臺制氮裝置至少需要的供氣壓縮空氣量預(yù)估為96 m3/h,壓力為7 bar。對于2臺制氮裝置則需配置2臺至少96 m3/h的空氣壓縮機(jī)。

        綜上所述,該大型雙燃料集裝箱船氮?dú)庀到y(tǒng)主要設(shè)備配置選型如表3所示。

        表3 氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)備配置選型

        4 結(jié)束語

        結(jié)合IGF規(guī)則要求,以20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為研究對象,對該船的氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)與配置方案包括氮?dú)庀到y(tǒng)工作原理、氮?dú)獍l(fā)生器選型的主要設(shè)備容量計(jì)算進(jìn)行分析。研究表明,對于雙燃料動力船,必須滿足IGF規(guī)則中對于氮?dú)庀到y(tǒng)的要求,對船上LNG燃料儲存艙、燃料管道及相關(guān)用氣設(shè)備等處所使用氮?dú)膺M(jìn)行惰化或吹掃,使得系統(tǒng)中的天然氣完全被氮?dú)馊〈?,徹底消除可能的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

        隨著雙燃料動力船舶的日益增多,相關(guān)船上的安全性也得到越來越多的重視,在船上配置氮?dú)庀到y(tǒng)是防范燃?xì)怙L(fēng)險(xiǎn)的重要手段之一。本文所述的氮?dú)庀到y(tǒng)是針對大型雙燃料集裝箱船的,設(shè)計(jì)思路與其他雙燃料動力船類似,可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

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