季同盛，韓 嘯，孫興亮

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

1 前言

液化氣船較常規(guī)船型而言，其管系設(shè)計(jì)中的消防水﹑中央冷卻水﹑海水冷卻等系統(tǒng)的管徑設(shè)計(jì)﹑流量分配計(jì)算﹑壓降校核計(jì)算﹑泵設(shè)計(jì)選型等具有相當(dāng)?shù)奶厥庑院蛷?fù)雜性。通常在設(shè)計(jì)時(shí)往往選擇大管徑﹑高揚(yáng)程﹑大流量的泵，這不僅占用了船舶的有限空間，更提高了建造成本。本文針對(duì)某型液化氣船的液貨海水系統(tǒng)進(jìn)行管道模型分析，通過(guò)減少節(jié)流孔板流通面積的方法，解決了海水出口氣體探測(cè)裝置無(wú)海水流通的問(wèn)題。

2 AFT Fathom 軟件介紹

AFT Fathom軟件為美國(guó)AFT 公司開(kāi)發(fā)，目前已快速成長(zhǎng)為船舶管道流體模擬分析軟件市場(chǎng)上的領(lǐng)導(dǎo)者。該軟件在管徑計(jì)算﹑壓降計(jì)算﹑流量分配計(jì)算上極其方便，能模擬各種工況下的計(jì)算結(jié)果，并能根據(jù)模型出現(xiàn)的問(wèn)題給出解決方案，從而為船舶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

AFT Fathom軟件使用修正后的牛頓- 拉夫森矩陣迭代方法和AFT 開(kāi)發(fā)的專(zhuān)有管道流量求解方法，在場(chǎng)景管理器中模擬各種工況，其模型無(wú)大小限制，可模擬開(kāi)式﹑閉式系統(tǒng)。

AFT Fathom軟件穩(wěn)態(tài)分析時(shí)，使用的連續(xù)性方程和質(zhì)量守恒方程如下：

（1）管道中沿程阻力損失計(jì)算，使用Darcy-Weishach公式：

（2）節(jié)點(diǎn)間的總壓力變化，使用Bernoulli方程：

（3）阻力計(jì)算方法如下：

① 管道的沿程阻力損失與管道的粗糙度有關(guān)，粗糙度可以是絕對(duì)粗糙度（使用長(zhǎng)度單位），也可以是相對(duì)粗糙度（絕對(duì)粗糙度與管徑的比值）；

② 在層流區(qū)，使用如下方程計(jì)算阻力系數(shù)：

③ 在紊流區(qū)，使用Colebrook-White方程計(jì)算阻力系數(shù)：

④ 管件的局部阻力損失，使用如下公式：

目前該軟件在國(guó)內(nèi)使用較多，如：大連造船公司用AFT Fathom 分析設(shè)計(jì)船舶消防和冷卻系統(tǒng)，在消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇恰當(dāng)?shù)墓軓僵p泵﹑閥門(mén)﹑噴淋頭等元件，以滿足流量和壓力要求；滬東中華造船公司用AFT Fathom 分析設(shè)計(jì)LNG船裝卸系統(tǒng)，選擇合適的管徑和確定泵的選型，從而保證了裝貨系統(tǒng)和卸貨系統(tǒng)中管系的壓力降﹑各液貨泵的裝貨卸貨率﹑管路中液貨流速；外高橋造船公司用AFT Fathom分析設(shè)計(jì)981深水半潛平臺(tái)，通過(guò)在主路設(shè)置孔板節(jié)流來(lái)控制水量分布，并將主環(huán)路管徑優(yōu)化至12 in，解決了因管徑過(guò)大給安裝和檢修帶來(lái)的不便等。

在國(guó)外TGE﹑WGS﹑LEG三大液貨系統(tǒng)廠家，均使用該軟件核算系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)中的管徑大小和設(shè)備選型。

3 AFT Fathom軟件工程應(yīng)用

3.1 液貨海水系統(tǒng)原理

如圖1所示通過(guò)位于機(jī)艙的2臺(tái)液貨海水冷卻泵，將海水抽送到水乙二醇冷卻器﹑LPG冷凝器﹑制冷劑冷凝器等，對(duì)液化設(shè)備進(jìn)行換熱，最后排至舷外。

圖1 海水系統(tǒng)原理圖

我司在實(shí)船建造時(shí)，發(fā)現(xiàn)流經(jīng)液貨管路的海水出口探測(cè)裝置沒(méi)有反應(yīng)，排往舷外的海水沒(méi)有經(jīng)過(guò)該液貨海水探測(cè)裝置直接排出去，故使用該軟件進(jìn)行分析。

3.2 軟件模型

根據(jù)實(shí)際管路放樣，對(duì)液貨海水系統(tǒng)進(jìn)行建模，其中管道及主要元件參數(shù)參照軟件自帶阻力系統(tǒng)，液貨設(shè)備壓降值設(shè)定由廠家給出，具體分別見(jiàn)下表1﹑表2，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

表1 管道參數(shù)

表2 設(shè)備參數(shù)

圖2 計(jì)算模型

3.3 模型計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)海水經(jīng)LPG加熱/蒸發(fā)器排出舷外時(shí)，管件號(hào)37﹑38流量為負(fù)值，即無(wú)海水流向氣體探測(cè)裝置，計(jì)算結(jié)果如圖3。

圖3 探測(cè)裝置管路計(jì)算結(jié)果

查看模型，發(fā)現(xiàn)排往舷外的海水出口管相對(duì)高度為12 350 mm，而海水探測(cè)裝置的高度為23 281 mm，流經(jīng)該三通處的壓力過(guò)低，由于液體的自重流導(dǎo)致海水無(wú)法流至探測(cè)裝置。

3.4 解決方法

可通過(guò)在排舷外的海水管路上添加節(jié)流孔板，來(lái)限制海水往排水管的流量。在軟件中通過(guò)添加調(diào)控閥，設(shè)置經(jīng)過(guò)該閥門(mén)的壓損為10 m，軟件計(jì)算結(jié)果顯示有海水流向氣體探測(cè)裝置。軟件計(jì)算在DN450的管路﹑壓損10 m的調(diào)壓閥，對(duì)應(yīng)孔板的當(dāng)量直徑為248.5 mm。因此根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)將現(xiàn)有的節(jié)流孔板進(jìn)行更換，發(fā)現(xiàn)氣體探測(cè)裝置有海水流通。

4 總結(jié)

該軟件在系統(tǒng)建模﹑網(wǎng)格劃分﹑求解和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面使用方便，軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀況符合。使用該軟件能有效進(jìn)行管道管徑計(jì)算﹑管道壓降計(jì)算，給前期的設(shè)備選型﹑管徑選擇等提供有效的理論依據(jù)。