王 磊，竇 旭，井雷雷，范中彪

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司LNG技術(shù)研究所，上海 200129）

0 引 言

近年來(lái)，隨著天然氣燃料在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船的需求量逐漸增多。由于天然氣作為燃料具有低污染特性，以天然氣和燃油為燃料的LNG雙燃料船逐漸發(fā)展成了熱門船型。船級(jí)社等規(guī)范制定部門為保證該類型船的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、安全隱患最低化，針對(duì)其特殊潛在風(fēng)險(xiǎn)提出了多項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，其中針對(duì)燃?xì)忾y組單元（Gas Valve Unit，GVU）房間提出，由于其潛在的燃?xì)庑孤╋L(fēng)險(xiǎn)較高，必須保證其具有良好的通風(fēng)效果、穩(wěn)定的負(fù)壓狀態(tài)和及時(shí)的泄漏報(bào)警，要求非常嚴(yán)格。

對(duì)于GVU房間，船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)和《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（IGC Code）均要求其必須達(dá)到每小時(shí)30 次的換氣次數(shù)；同時(shí)，要求其在船舶運(yùn)行期間始終保持負(fù)壓狀態(tài)，且負(fù)壓值需在40 Pa以上（即絕對(duì)壓力需小于-40 Pa）。因此，綜合這2 點(diǎn)要求，GVU的排氣風(fēng)機(jī)性能需達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于GVU房間內(nèi)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警器安裝位置，需在確定GVU 風(fēng)機(jī)型號(hào)和GVU 房間進(jìn)風(fēng)口尺寸，并利用流體分析軟件，采用有限體積法得出房間內(nèi)的空氣流場(chǎng)和泄漏燃?xì)鈹U(kuò)散趨勢(shì)之后再確定，保證發(fā)生燃?xì)庑孤┦鹿手竽芗皶r(shí)觸發(fā)報(bào)警。

GVU房間高效的換氣次數(shù)需要較大的風(fēng)機(jī)排風(fēng)量予以保證，良好的負(fù)壓需要較小的房間進(jìn)口格柵流通面積予以保證。然而，風(fēng)機(jī)排風(fēng)量增大會(huì)提高風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管路內(nèi)的風(fēng)速，增大相應(yīng)的管路壓力損失，房間進(jìn)口格柵流通面積減小會(huì)引起房間內(nèi)的壓力損失發(fā)生變化。因此，在設(shè)計(jì)LNG雙燃料船GVU房間時(shí)，首要任務(wù)是選定滿足規(guī)范要求的GVU風(fēng)機(jī)型號(hào)和GVU房間進(jìn)風(fēng)口尺寸。

1 研究方法

1.1 GVU房間通風(fēng)設(shè)計(jì)

LNG雙燃料船GVU房間的排風(fēng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖見圖1。

結(jié)合圖1 中的信息分析：-為GVU房間進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的靜壓差，包含空氣動(dòng)能增加量和房間內(nèi)的壓力損失；-為風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路的壓力損失。因此，-為風(fēng)機(jī)進(jìn)口與出口的靜壓差，包含風(fēng)機(jī)用于提升空氣動(dòng)能和克服整個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)阻力損失的總壓頭。此外，空氣動(dòng)壓的計(jì)算公式為

圖1 LNG雙燃料船GVU房間的排風(fēng)系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

式（1）中：為空氣動(dòng)壓；ρ 為空氣密度；為空氣流速。在一定流量、一定環(huán)境壓力下，空氣動(dòng)壓可認(rèn)為是固定值。

考慮到研究的針對(duì)性和可靠性，本文以某建造中的80 000 mLNG雙燃料船為研究對(duì)象。

1.2 換氣次數(shù)要求

該船GVU房間的容積約為450 m，根據(jù)每小時(shí)至少30 次的換氣要求確定GVU 風(fēng)機(jī)的最小風(fēng)量為13 500 m/h?？紤]測(cè)量誤差和其他不可控因素的影響，為確保換氣次數(shù)充足，建議在實(shí)際選型時(shí)增加10%的余量，即將風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制在14 850 m/h以上。因此，對(duì)GVU風(fēng)機(jī)性能的第一個(gè)要求就是使風(fēng)機(jī)風(fēng)量盡量大于14 850 m/h。

1.3 風(fēng)機(jī)性能要求

考慮到不同風(fēng)量下風(fēng)機(jī)能提供的總壓和靜壓有限，即克服管阻、將空氣排至室外大氣中的能力有限，必須保證風(fēng)機(jī)在一定風(fēng)量下需要的進(jìn)出口靜壓差小于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)總壓和風(fēng)機(jī)進(jìn)出口靜壓差除去空氣動(dòng)壓之后仍小于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)靜壓，只有如此才能確保風(fēng)機(jī)的排風(fēng)效果滿足需求。

GVU風(fēng)機(jī)特性曲線見圖2。結(jié)合前文對(duì)每小時(shí)30 次換氣次數(shù)要求的分析，GVU 風(fēng)機(jī)風(fēng)量最低需要13 500 m/h。此外，根據(jù)廠家的推薦，為避免風(fēng)速過(guò)高降低排風(fēng)效果，建議將風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量控制在20 400 m/h以內(nèi)。

圖2 GVU風(fēng)機(jī)特性曲線

結(jié)合船級(jí)社對(duì)換氣次數(shù)的要求和風(fēng)機(jī)廠家的推薦，將風(fēng)機(jī)風(fēng)量初步選定在13 500 ～20 400 m/h 范圍內(nèi)。

1.4 房間負(fù)壓要求

基于GVU房間的負(fù)壓要求，必須確定合適的進(jìn)風(fēng)口流通面積，使GVU 房間內(nèi)部能保持絕對(duì)壓力小于-40 Pa。考慮到房間內(nèi)可能存在壓力分布不均的情況，建議增加20%余量，即將房間內(nèi)的平均負(fù)壓控制在-48 Pa以下。然而，不同的進(jìn)風(fēng)口流通面積必然會(huì)對(duì)房間內(nèi)的壓力損失產(chǎn)生不同的影響。

綜合以上分析，擬定本文的研究思路如下：

1）選取14 000 m/h、17 000 m/h和20 400 m/h等3 種設(shè)計(jì)風(fēng)量，根據(jù)廠家提供的特性曲線確定這3種風(fēng)量下風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)總壓和靜壓；

2）建立GVU房間三維模型，計(jì)算各設(shè)計(jì)風(fēng)量下的室內(nèi)空氣流場(chǎng)，得到不同進(jìn)風(fēng)口流通面積下的GVU房間負(fù)壓和風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓，計(jì)算出GVU房間負(fù)壓值與進(jìn)風(fēng)口流通面積的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得到各設(shè)計(jì)風(fēng)量下滿足負(fù)壓要求的房間進(jìn)風(fēng)口流通面積，以及房間進(jìn)風(fēng)口最大允許流通面積與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的函數(shù)關(guān)系；

3）建立風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路模型，計(jì)算各設(shè)計(jì)風(fēng)量下的排風(fēng)管路壓力損失-（為0），根據(jù)-和--分別得到風(fēng)機(jī)需求總壓和需求靜壓，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)機(jī)需求總壓和需求靜壓與風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)總壓和靜壓的差值，擬合出該差值與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的函數(shù)關(guān)系；

4）綜合上述2 種函數(shù)關(guān)系確定最合理的GVU風(fēng)機(jī)風(fēng)量和GVU房間進(jìn)風(fēng)口流通面積。

2 研究過(guò)程

2.1 GVU房間內(nèi)部流場(chǎng)分析

2.1.1 流場(chǎng)模型

結(jié)合實(shí)船三維模型資料建立與實(shí)際GVU房間（包含內(nèi)部設(shè)備和管路）等尺寸的三維實(shí)體模型，將該模型輸入流體分析軟件中，填充生成GVU房間內(nèi)部流場(chǎng)模型。

在流體分析軟件中進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。將完成網(wǎng)格劃分的流場(chǎng)模型（將最初建立的實(shí)體模型抑制掉，僅保留流場(chǎng)模型）導(dǎo)入流體計(jì)算軟件中，準(zhǔn)備進(jìn)行流場(chǎng)分析。

2.1.2 分析前處理

在分析計(jì)算之前，需進(jìn)行以下設(shè)置：

1）將空氣視為低速不可壓縮流體，選取基于壓力法的pressure-based求解器；

2）為得到穩(wěn)定的室內(nèi)流場(chǎng)情況，采用穩(wěn)態(tài)求解分析法；

3）設(shè)置重力加速度為9.81 kg/s；

4）選取SSTω湍流模型；

5）根據(jù)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)法確定需分析的案例，在分析每個(gè)案例之前按對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量和房間進(jìn)風(fēng)口流通面積輸入邊界參數(shù)；

6）設(shè)置房間內(nèi)部不同高度（1 m、2 m、3 m、4 m和5 m）的平均壓力監(jiān)測(cè)面；

7）采用二階迎風(fēng)格式對(duì)動(dòng)量、湍流動(dòng)能和湍流耗散率等參數(shù)進(jìn)行數(shù)值離散，為保證求解精度，關(guān)閉能量方程，將連續(xù)方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1 ×10。

2.1.3 數(shù)據(jù)后處理

完成以上設(shè)置之后，開始進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)分析計(jì)算收斂之后，得到各案例下的室內(nèi)流場(chǎng)分布情況、進(jìn)出口靜壓和房間內(nèi)靜壓。

以上述案例中的1 組案例為例，計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)之后，得到GVU房間內(nèi)部空氣流速分布云圖見圖3。

由圖3 可知，GVU房間右半部分空間的空氣流動(dòng)速度較快，左半部分空間的空氣流動(dòng)速度較慢，整體房間內(nèi)絕大部分空間的空氣流動(dòng)速度在0.5 m/s以上。

圖3 GVU房間內(nèi)部空氣流速分布云圖

根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)，GVU房間內(nèi)部靜壓在-33.1 Pa以下，房間出口靜壓為-404.6 Pa。

最終將各案例的靜壓計(jì)算結(jié)果整合到一起。根據(jù)整合的數(shù)據(jù)擬合出不同設(shè)計(jì)風(fēng)量下房間負(fù)壓與房間進(jìn)風(fēng)口凈流通面積之間的回歸曲線，見圖4。

圖4 不同設(shè)計(jì)風(fēng)量下房間負(fù)壓與進(jìn)風(fēng)口凈流通面積的關(guān)系

得到各風(fēng)量下的冪函數(shù)方程，利用上述與之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出房間負(fù)壓= -48 Pa時(shí)，各設(shè)計(jì)風(fēng)量下的流通面積臨界值，見表1。

表1 設(shè)計(jì)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)口流通面積選取的參考數(shù)據(jù)整合結(jié)果

由表1 可知，隨著設(shè)計(jì)風(fēng)量的增加，-48 Pa房間負(fù)壓允許的最大流通面積逐漸增大。此外，可得到流通面積臨界值與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的擬合回歸曲線和函數(shù)關(guān)系式，將其作為選取風(fēng)機(jī)性能和房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的參考依據(jù)之一。

2.2 風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路分析

與GVU房間內(nèi)部流場(chǎng)分析相似，建立實(shí)船風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路內(nèi)部三維流場(chǎng)模型并完成網(wǎng)格劃分。相關(guān)分析前處理與GVU房間內(nèi)部流場(chǎng)分析基本保持一致，只需將進(jìn)出口邊界條件改成14 000 m/h、17 000 m/h 和20 400 m/h 等3 種設(shè)計(jì)風(fēng)量下的風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路實(shí)際參數(shù)即可。另外，設(shè)置管路進(jìn)口和出口為靜壓監(jiān)測(cè)面，便于計(jì)算結(jié)束之后得到排風(fēng)管路壓力損失情況。

對(duì)不同設(shè)計(jì)風(fēng)量下的風(fēng)機(jī)排風(fēng)管路內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到排風(fēng)管路內(nèi)部流場(chǎng)分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)不同設(shè)計(jì)風(fēng)量下的排風(fēng)管路壓力損失，結(jié)果見表2。

表2 不同設(shè)計(jì)風(fēng)量下的排氣管路壓力損失和空氣動(dòng)壓

2.3 風(fēng)機(jī)需求總壓和靜壓分析

由于在最大設(shè)計(jì)風(fēng)量20 400 m/h下，滿足規(guī)范要求的房間負(fù)壓的允許最大進(jìn)風(fēng)口流通面積為0.64 m，故僅考慮進(jìn)風(fēng)口流通面積小于0.64 m的數(shù)據(jù)。另外，觀察GVU房間內(nèi)部流場(chǎng)已分析數(shù)據(jù)，進(jìn)風(fēng)口流通面積小于0.04 m的風(fēng)機(jī)進(jìn)口靜壓2 過(guò)低，導(dǎo)致需求總壓過(guò)高，風(fēng)機(jī)性能無(wú)法滿足要求，故不予考慮。因此，取中間的0.25 m、0.36 m和0.64 m2 等3 組進(jìn)風(fēng)口流通面積對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行總壓和靜壓分析。

2.3.1 流體動(dòng)壓分析

各設(shè)計(jì)風(fēng)量下的空氣動(dòng)壓如表2 所示，其中：ρ=1.169 1 kg/m；=/（3 600·），其中，為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量，為風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口截面積，若風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口直徑為520 mm，則≈0.212 m。

2.3.2 風(fēng)機(jī)總壓余量和靜壓余量分析

結(jié)合前文的排風(fēng)管路壓力損失和空氣動(dòng)壓分析：風(fēng)機(jī)總壓余量（即設(shè)計(jì)總壓高出需求總壓的值）可由-（-）計(jì)算得到；風(fēng)機(jī)靜壓余量（即設(shè)計(jì)靜壓高出需求靜壓的值）可由-（--）計(jì)算得到。

2.3.2 .1 總壓余量分析

根據(jù)2.3.2 節(jié)中的計(jì)算方法，計(jì)算并擬合得到不同進(jìn)風(fēng)口流通面積下風(fēng)機(jī)總壓余量與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的關(guān)系曲線和函數(shù)關(guān)系式，其中關(guān)系曲線見圖5。

圖5 風(fēng)機(jī)總壓余量與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的關(guān)系曲線

由于風(fēng)機(jī)總壓余量必須大于零，根據(jù)函數(shù)方程可計(jì)算出風(fēng)機(jī)總壓余量剛好等于零時(shí)的臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量，如表1 所示。

由表1 可知，隨著房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的增大，風(fēng)機(jī)總壓臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量也逐漸增大。同時(shí)，可得到風(fēng)機(jī)總壓臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量與房間進(jìn)風(fēng)口流通面積之間的擬合回歸曲線和函數(shù)關(guān)系式，將其作為選取風(fēng)機(jī)性能和房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的參考依據(jù)。

2.3.2 .2 靜壓余量分析

根據(jù)2.3.2 節(jié)中的計(jì)算方法，計(jì)算擬合得到不同進(jìn)風(fēng)口流通面積下風(fēng)機(jī)靜壓余量與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的關(guān)系曲線和函數(shù)關(guān)系式，其中關(guān)系曲線見圖6。

圖6 風(fēng)機(jī)靜壓余量與設(shè)計(jì)風(fēng)量之間的關(guān)系曲線

由于風(fēng)機(jī)靜壓余量同樣必須大于零，根據(jù)函數(shù)關(guān)系式可計(jì)算出風(fēng)機(jī)靜壓余量剛好等于零時(shí)的臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量，如表1 所示。

由表1 可知，隨著房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的增大，風(fēng)機(jī)靜壓臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量逐漸增大。同時(shí)，可得到風(fēng)機(jī)靜壓臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量與房間進(jìn)風(fēng)口流通面積之間的擬合回歸曲線和函數(shù)關(guān)系式，將其作為選取風(fēng)機(jī)性能和房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的參考依據(jù)。

3 研究數(shù)據(jù)分析

整合整個(gè)研究過(guò)程中作為參考依據(jù)的3 組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1 所示。

以風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為因變量，以GVU房間進(jìn)風(fēng)口流通面積為自變量，根據(jù)以上數(shù)據(jù)擬合出的3 條曲線和函數(shù)關(guān)系式見圖7。

結(jié)合這3 條曲線綜合分析：

1）在一定設(shè)計(jì)風(fēng)量下，滿足-48 Pa房間負(fù)壓需求的流通面積需在臨界值以下，故可選區(qū)域在最大流通面積曲線左邊。

2）在一定流通面積下，滿足風(fēng)機(jī)總壓和靜壓需求的設(shè)計(jì)風(fēng)量需在臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量以下，故可選區(qū)域在臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量曲線以下。同時(shí)，考慮每小時(shí)至少30 次換氣次數(shù)和增加10%余量，設(shè)計(jì)風(fēng)量需控制在14 850 m/h以上。

綜上所述，GVU風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量和房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的選取點(diǎn)需在圖7 中的陰影區(qū)域內(nèi)。參照該圖，可在一定設(shè)計(jì)風(fēng)量下選擇適當(dāng)?shù)姆块g進(jìn)風(fēng)口流通面積，也可根據(jù)實(shí)船GVU 房間進(jìn)風(fēng)口已確定的流通面積選擇合理的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量。

圖7 設(shè)計(jì)風(fēng)量與GVU房間進(jìn)風(fēng)口流通面積的關(guān)系曲線

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)在保證設(shè)計(jì)風(fēng)量滿足換氣次數(shù)和負(fù)壓要求的同時(shí)，考慮分析計(jì)算誤差，盡量使風(fēng)機(jī)總壓和靜壓有一定的余量（換氣次數(shù)和房間負(fù)壓的余量前文已考慮）。

例如，當(dāng)GVU風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量選定為18 000 m/h時(shí)，按圖7 中的陰影區(qū)域確定進(jìn)風(fēng)口流通面積需控制在0.2 ～0.56 m范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)擬合出的函數(shù)關(guān)系式，得到總壓余量、靜壓余量等于零的設(shè)計(jì)風(fēng)量最大值為19 058 m/h，對(duì)應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口流通面積均為0.559 m。此時(shí)的進(jìn)風(fēng)口流通面積在陰影區(qū)域內(nèi)，且臨界設(shè)計(jì)風(fēng)量高出18 000 m/h最多，總壓、靜壓余量最大。因此，當(dāng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為18 000 m/h時(shí)，首先要控制進(jìn)風(fēng)口流通面積在0.20 ～0.56 m范圍內(nèi)，其次使其最佳取值盡量靠近0.559 m2。

此外，當(dāng)GVU 房間進(jìn)風(fēng)口流通面積選定為0.4 m時(shí)，按陰影區(qū)域確定風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量需控制在14 850 ～18 854 m/h范圍內(nèi)。同時(shí)，由擬合曲線可知，風(fēng)機(jī)總壓和靜壓余量隨著風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量的減小而增大。因此，當(dāng)房間進(jìn)風(fēng)口流通面積選定為0.4 m時(shí)，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量需控制在14 850 ～18 854 m3/h范圍內(nèi)，并盡量靠近14 850 m/h。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文的研究可為L(zhǎng)NG雙燃料船的GVU風(fēng)機(jī)性能選取和GVU房間進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)提供參考，避免在船舶試航期間因GVU風(fēng)機(jī)靜壓不足和GVU房間進(jìn)風(fēng)口流通面積過(guò)大而引起GVU房間排風(fēng)效果不佳和達(dá)不到規(guī)范的要求等后果，有效提高船舶設(shè)計(jì)的效率，保證設(shè)計(jì)參數(shù)的可靠性。

此外，在該研究的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步分析不同雙燃料船、不同GVU房間布置對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而得到GVU房間布置與GVU風(fēng)機(jī)性能和GVU房間進(jìn)風(fēng)口尺寸之間的關(guān)系，以便提高其他雙燃料船型GVU房間設(shè)計(jì)的效率，避免多次重復(fù)分析。