李岳洋，何建軍，石真肖，王 飛

(1．江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇韓通船舶重工有限公司，江蘇 南通226302；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

CNG運(yùn)輸船是指將天然氣壓縮到1/200，使其容積大幅度縮減，常溫環(huán)境下存儲(chǔ)在船上耐壓的氣瓶中以氣態(tài)形式進(jìn)行運(yùn)輸?shù)拇?。目前，國?nèi)外海上船用運(yùn)輸天然氣大都采用液化天然氣(LNG)的方式。LNG運(yùn)送特點(diǎn)是運(yùn)送量大，壓縮比高，但所需成本很大，所以首選長線運(yùn)輸。而CNG運(yùn)輸船在近岸短距離運(yùn)輸上有明顯優(yōu)勢(shì)，不需要液化及汽化設(shè)施，即可實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在輸送的距離(925 n mile)和天然氣的輸送容量都一樣的情況下，CNG 船在整個(gè)運(yùn)輸過程中花費(fèi)的運(yùn)輸費(fèi)用僅為LNG 船的40%至50%，因此CNG運(yùn)輸船成為近岸天然氣運(yùn)輸方式的首選[1-2]。

本文結(jié)合CNG運(yùn)輸船貨艙儲(chǔ)存壓縮天然氣的特點(diǎn)，分析貨艙溫度及熱源條件，計(jì)算得到貨艙通風(fēng)量，合理布置風(fēng)機(jī)、管路及閥件附件等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)CNG運(yùn)輸船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 船舶概述

110 m CNG運(yùn)輸船為世界首艘CNG運(yùn)輸船，主機(jī)采用1臺(tái)瓦錫蘭雙燃料主機(jī)，掛旗國為印度尼西亞。全船總長110.92 m，型寬17.60 m，型深9.00 m，設(shè)計(jì)吃水5.20 m。本船為雙底雙殼單甲板結(jié)構(gòu)；貨艙為雙舷側(cè)雙底、縱骨架結(jié)構(gòu)，由四道平面艙壁分為五個(gè)貨艙。貨艙容積約736 000 m3，可容納832只氣瓶，其中44只氣瓶可作為主機(jī)燃料。氣瓶的工作壓力為25 MPa。貨艙無惰性氣體保護(hù)。

2 通風(fēng)要求

本船滿足美國船級(jí)社(ABS)和印尼船級(jí)社(BKI)雙船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求，同時(shí)需滿足國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則(IGC code)。本船航行區(qū)域常年平均溫度保持在23～33 ℃，整個(gè)貨艙溫度不得高于38 ℃[3-4]。

3 通風(fēng)系統(tǒng)分析及計(jì)算

目前，在國外設(shè)計(jì)的CNG運(yùn)輸船采用緊湊盤管式Coselle技術(shù)的存儲(chǔ)方式。這種存儲(chǔ)方式是把天然氣壓縮到27.5 MPa壓力下再儲(chǔ)存在52.4 mm(6 in)長的小口徑盤卷管路中，這就是典型的Coselle系統(tǒng)。貨艙采用充注惰性氣體來控制艙內(nèi)的天然氣濃度，使之低于爆炸極限。另設(shè)有機(jī)械通風(fēng)作為輔助措施。在相關(guān)人員進(jìn)入貨艙前，開啟強(qiáng)制排風(fēng)，降低貨艙內(nèi)的天然氣濃度，直至達(dá)到安全值。這種形式的儲(chǔ)運(yùn)方式對(duì)管路的要求很高，且需具備專門的貨艙加熱系統(tǒng)來抵消卸載天然氣時(shí)吸熱對(duì)貨艙盤圓管路鋼材的影響，同時(shí)在施工過程中存在較高的技術(shù)難點(diǎn)，造價(jià)高昂[5-8]。

本船的LNG鋼瓶在貨艙內(nèi)垂直放置，每只鋼瓶及附屬管路均為單一模塊，便于安裝和固定。貨艙內(nèi)進(jìn)行不間斷地強(qiáng)制排風(fēng)，使其天然氣濃度低于爆炸點(diǎn)[9-11]。機(jī)械通風(fēng)作為貨艙保護(hù)的主要形式，大大減少了船舶設(shè)備的配置，降低了船舶的建造成本。

溫度對(duì)貨艙的裝載量也有很大的影響，在計(jì)算貨艙通風(fēng)量時(shí)需考慮到這一點(diǎn)。取外界的環(huán)境溫度為35 ℃，相對(duì)濕度為90%的情形來計(jì)算船艙的通風(fēng)量。本船貨艙有兩個(gè)主要的熱源：第一是輻射熱，主要是在將天然氣注入汽缸期間，天然氣被連續(xù)壓縮，汽缸被擠壓，導(dǎo)致瓶內(nèi)溫度和瓶子表面溫度上升并將熱量散發(fā)到貨艙內(nèi)部；第二是貨艙的甲板余熱或艙壁的滲透熱。

以1號(hào)貨艙設(shè)計(jì)為例，1只鋼瓶注滿天然氣大約會(huì)向貨艙內(nèi)部輻射出1.24 kW的熱量，每只鋼瓶注滿天然氣需要12 h。1號(hào)貨艙一共裝有92只鋼瓶，所有鋼瓶同時(shí)充注天然氣時(shí)，貨艙產(chǎn)生的熱輻射為Q1=114.08 kW。

在貨艙的側(cè)壁，主要是頂部和主甲板上方應(yīng)鋪設(shè)50 mm巖棉進(jìn)行隔熱，傳熱功率Q2的計(jì)算公式如下：

Q2=SK(T1-T0)

式中：T1為貨艙日曬甲板當(dāng)量溫度,T1=68 ℃；K為傳熱系數(shù)，K=0.9 W/(m2·K)；S為甲板面積，S=113 m2；T0為貨艙溫度，T0=38 ℃。

經(jīng)計(jì)算，Q2=3.05 kW。

ABS對(duì)CNG 運(yùn)輸船貨艙通風(fēng)的要求為每小時(shí)不得小于8次。1號(hào)貨艙的容積約1 379 m3，參照ABS規(guī)定，1號(hào)貨艙的通風(fēng)計(jì)算量大于等于11 032 m3/h。在分析貨艙通風(fēng)量、鋼瓶的滲透熱量和熱輻射的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到內(nèi)部的總熱量Q=Q1+Q2=117.13 kW。

為了使供風(fēng)溫度TC控制在28 ℃左右，該設(shè)計(jì)在供氣口加裝制冷劑水冷盤管以冷卻空氣。同時(shí)貨艙所需通風(fēng)量qh按下式計(jì)算：

qh=Q/[ρc(T0-TC)]

式中：c為空氣比熱容，c=1.01kJ/(kg·K)；ρ為空氣密度，ρ=1.13 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算，qh=36 946.29 m3/h。

qh是貨艙所需的實(shí)際通風(fēng)量。由于供風(fēng)時(shí)需要進(jìn)行一定的冷卻，貨艙通風(fēng)形式選用2臺(tái)雙速防爆機(jī)械抽風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)通風(fēng)量為39 000 m3/h，風(fēng)機(jī)的靜壓約760 Pa。

4 通風(fēng)布置

根據(jù)IGC code 12.1.6的要求，危險(xiǎn)區(qū)域的通風(fēng)口應(yīng)距離以下區(qū)域至少10 m以上，這些區(qū)域包括生活區(qū)以及服務(wù)區(qū)和緊密相關(guān)的安全區(qū)域，最主要的是它的開口和通風(fēng)口的設(shè)置。另外在通風(fēng)口布置的問題上，務(wù)必要讓空氣的排出方向是向上的。根據(jù)IGC code 12.1.9的要求，在通風(fēng)管外，務(wù)必要讓所選風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須安裝在此位置，風(fēng)機(jī)采用無火花型。眾所周知， 空氣的密度比天然氣的密度大，進(jìn)氣口的設(shè)置區(qū)域必須在底部，與此同時(shí)排氣口的位置也應(yīng)該處于貨艙的頂部區(qū)域。最應(yīng)該注意的問題是：通風(fēng)系統(tǒng)的死角以及通風(fēng)系統(tǒng)的短路。貨艙機(jī)械通風(fēng)布置示意見圖1。

排風(fēng)風(fēng)筒從圖中可以看出臨著艏部服務(wù)艙室，它的位置處在貨艙艏端，進(jìn)風(fēng)風(fēng)筒的位置處在貨艙艉端，貨艙風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒布置圖見圖2。

貨艙機(jī)械通風(fēng)布置示意見圖3。從圖3a)中可以看出，新風(fēng)在進(jìn)入預(yù)冷卻排管，經(jīng)降溫處理后，被相應(yīng)的管道送達(dá)貨艙的底部區(qū)域，同時(shí)可以觀察到在貨艙的一端，有一個(gè)供給面形成，這就是空氣供給面。在空氣被經(jīng)過間隙輸送到另一端，通過排風(fēng)口，在貨艙的頂部被排到空氣之中，見圖3b)。這種布置有兩大優(yōu)點(diǎn)：一是降低了空氣流動(dòng)的阻力，可以有效避免小循環(huán)和貨艙死角；二是可以加速實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)空氣的大循環(huán)，并能快速流動(dòng)從而產(chǎn)生了全面的通風(fēng)。

圖3 貨艙機(jī)械通風(fēng)布置示意

5 結(jié)語

本船每個(gè)貨艙均布置2臺(tái)雙速防爆機(jī)械抽風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)速度要求自動(dòng)控制，隨氣貨的裝卸狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)速度。正常情況下，需滿足貨艙區(qū)域8次/h的換氣頻率；在探測(cè)到氣體泄漏的緊急情況下，需30次/h進(jìn)行換氣，即貨艙區(qū)域每2 min換氣一次。全船5個(gè)貨艙內(nèi)共布置69臺(tái)冷風(fēng)機(jī)，使貨艙內(nèi)溫度在裝卸氣體工況下維持在35 ℃左右。通過貨艙通風(fēng)計(jì)算，合理布局優(yōu)化設(shè)置風(fēng)機(jī)、監(jiān)控和溫度自動(dòng)控制設(shè)備等，確保貨艙區(qū)域的安全性及易控性，從而使設(shè)計(jì)的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)具有安全性高、易控制、低成本等優(yōu)點(diǎn)。