徐 謙，趙永波，高華君，朱靜波，趙 勇，魏 永

（1. 招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200041；2. 招商局金陵船舶（威海）有限公司，山東威海 264200）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）燃料的供氣系統(tǒng)在客船上越來(lái)越多的運(yùn)用，它可以大大減少碳氧化物的排放量，但是LNG是一種易燃易爆的燃料，非常危險(xiǎn)。保障客滾船LNG燃料供氣系統(tǒng)安全性是設(shè)計(jì)中的最大挑戰(zhàn)，而機(jī)械通風(fēng)是其中重要措施。LNG通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了需要運(yùn)用通風(fēng)的專業(yè)技術(shù)，還和多個(gè)其他專業(yè)密切相關(guān)，包含危險(xiǎn)區(qū)域劃分、船舶的總體布置、LNG供氣系統(tǒng)、雙燃料主機(jī)、危險(xiǎn)氣體探測(cè)、防火安全和電氣控制等，因此，設(shè)計(jì)工作仍存在很大的難度。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)可以通過(guò)稀釋、房間壓差、流量監(jiān)控、風(fēng)機(jī)冗余布置、冗余供電和控制等手段來(lái)保持LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全運(yùn)用。本文結(jié)合規(guī)范IGF code，從LNG的通風(fēng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的集中控制和設(shè)置LNG風(fēng)機(jī)房這3個(gè)方面，對(duì)一艘在建客滾船項(xiàng)目的LNG機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究。

1 LNG 通風(fēng)設(shè)計(jì)

客滾船LNG通風(fēng)設(shè)計(jì)主要包含LNG加注站、LNG管的TCS和燃?xì)怆p壁管這3個(gè)方面。

1.1 LNG 加注站的通風(fēng)設(shè)計(jì)

客滾船的加注站一般布置在滾裝處所區(qū)域，加注時(shí)是半封閉狀態(tài)，舷門關(guān)閉后是封閉狀態(tài)，根據(jù)IGF 13.7，需要布置機(jī)械通風(fēng)，在加注時(shí)，用于排除泄露的LNG蒸汽。LNG加注時(shí)，LNG易泄露，加注站是屬于Zone 1的危險(xiǎn)區(qū)，所以布置了30次/小時(shí)的機(jī)械抽風(fēng)，及時(shí)用通風(fēng)來(lái)稀釋可能泄露的危險(xiǎn)氣體，LNG加注站的排風(fēng)口4.5 m半徑內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)，進(jìn)風(fēng)口3 m半徑內(nèi)為危險(xiǎn)區(qū)。

IGF 13.3.9規(guī)定安全區(qū)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)需要通過(guò)一個(gè)通風(fēng)加壓的氣閘室，需要5次每小時(shí)的通風(fēng)量。在LNG加注時(shí)，船員從滾裝處所進(jìn)出LNG加注站需要經(jīng)過(guò)氣閘室和緩沖間，見(jiàn)圖1。氣閘室根據(jù)IGF 13.3.9布置，配置了機(jī)械送風(fēng)，自然排風(fēng)，屬于Zone 2的危險(xiǎn)區(qū)，壓差開(kāi)關(guān)2用于監(jiān)控加注站和氣閘室的壓差；考慮到滾裝處所會(huì)有汽車尾氣，有一定的危險(xiǎn)性，屬于特殊分類區(qū)，所以在滾裝處所和氣閘室之間布置一個(gè)緩沖間，并布置了機(jī)械送風(fēng)，自然排風(fēng)，定義為安全區(qū)。由于滾裝處所是負(fù)壓，機(jī)械送風(fēng)的緩沖間相對(duì)于滾裝處所是正壓，而氣閘室和緩沖間都是正壓，通過(guò)調(diào)節(jié)自然排風(fēng)管上的風(fēng)閘開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)房間的壓力，使氣閘室的正壓小于緩沖間，壓差開(kāi)關(guān)1用于監(jiān)控緩沖間和氣閘室的壓差。

圖1 LNG 加注站示意圖

根據(jù)房間的容積，此項(xiàng)目加注站的風(fēng)量是30次/小時(shí)，為2 500 m3/h；氣閘室的風(fēng)量是5次/小時(shí)，為35 m3/h；緩沖間的風(fēng)量是5次/小時(shí)，為100 m3/h。

此次研究中運(yùn)用CFD計(jì)算來(lái)分析不同門打開(kāi)時(shí)，研究各個(gè)空間的壓力變化，CFD 可以為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更加方便、廉價(jià)、直觀與有效的手段[1]。LNG加注時(shí)，舷門打開(kāi)，當(dāng)門1、門2、門3都關(guān)閉時(shí)，為了使高危險(xiǎn)區(qū)的氣體不向低危險(xiǎn)區(qū)泄露，房間壓力的變化要求如下：緩沖間>氣閘室>LNG加注站。由圖2的CFD計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)舷門打開(kāi)時(shí)，LNG加注站與外界聯(lián)通，雖然室內(nèi)有每小時(shí)30次的抽風(fēng)，但是室內(nèi)只有非常微弱的負(fù)壓。而氣閘室和緩沖間通過(guò)機(jī)械送風(fēng)建立正壓使得2個(gè)壓差開(kāi)關(guān)都在正常狀態(tài)，緩沖間的正壓需要大于氣閘室，從而防止危險(xiǎn)區(qū)的氣體向安全區(qū)泄露。

圖2 LNG 加注站門1～3 關(guān)閉時(shí)的壓力云圖

在LNG加注的時(shí)，船員需要通過(guò)加注站進(jìn)出，當(dāng)門3打開(kāi)時(shí)，加注站和氣閘室連通，氣閘室的房間壓力降低到和加注站一致，壓差開(kāi)關(guān)1正常，壓差開(kāi)關(guān)2報(bào)警。

在LNG加注時(shí)，當(dāng)船員進(jìn)入氣閘室后，門3關(guān)閉，門2打開(kāi)，相對(duì)于氣閘室和緩沖間聯(lián)通，壓差開(kāi)關(guān)1報(bào)警，壓差開(kāi)關(guān)2正常。

當(dāng)門1打開(kāi)時(shí)，緩沖間和滾裝處所聯(lián)通，緩沖間失去正壓，壓差開(kāi)關(guān)1報(bào)警，壓差開(kāi)關(guān)2正常。

通過(guò)CFD計(jì)算，可以獲得各個(gè)處所在不同的門打開(kāi)時(shí)的房間壓力。門的開(kāi)閉對(duì)壓差開(kāi)關(guān)的影響見(jiàn)表1，當(dāng)1個(gè)壓差開(kāi)關(guān)發(fā)出報(bào)警時(shí)，LNG加注站的隔離措施仍然是有效的，報(bào)警信號(hào)不對(duì)外輸出；而當(dāng)2個(gè)壓差開(kāi)關(guān)都發(fā)出報(bào)警時(shí)，需要輸出報(bào)警信號(hào)，并觸發(fā)聲光報(bào)警，認(rèn)為L(zhǎng)NG加注站的隔離措施已經(jīng)失效了。

表1 加注站壓差開(kāi)關(guān)變化表

1.2 LNG 罐TCS 的通風(fēng)設(shè)計(jì)

客滾船的LNG罐一般布置在底層甲板的LNG罐儲(chǔ)藏間，且沒(méi)有直接從開(kāi)敞甲板進(jìn)入的通道，見(jiàn)圖3，按照IGF 5.11.3，需要布置進(jìn)入連接室（Tank Connection Space，TCS）的人孔蓋，且根據(jù)IGF 12.5.3，布置此人孔蓋的緩沖間是危險(xiǎn)區(qū)Zone 2，根據(jù)DNV 6.1.2.2，此緩沖間需要布置至少每小時(shí)8 次的換氣次數(shù)。根據(jù)2019 年的MSC/Circ.1605通函，LNG罐儲(chǔ)藏間沒(méi)有泄露危險(xiǎn)的接頭，也沒(méi)有通往危險(xiǎn)區(qū)域的通道，可以認(rèn)為是安全區(qū)[2]。緩沖間和LNG罐儲(chǔ)藏間之間布置氣閘室，配有每小時(shí)5次的機(jī)械送風(fēng)，并安裝壓差開(kāi)關(guān)用于監(jiān)測(cè)氣閘室和TCS的壓差。

圖3 TCS 示意圖

根據(jù)IGF 13.4，TCS需要有每小時(shí)30次的換氣量和失效即自動(dòng)關(guān)閉的防火風(fēng)閘。本項(xiàng)目的TCS安裝有兩臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，每臺(tái)50%，2臺(tái)風(fēng)機(jī)全負(fù)荷時(shí)，TCS達(dá)到每小時(shí)30次的換氣量，當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)失效時(shí)，TCS的換氣次數(shù)依舊可以達(dá)到大于50%的總風(fēng)量。根據(jù)IGF 12.5，TCS屬于危險(xiǎn)區(qū)Zone 1，其排風(fēng)口有直徑4.5 m的危險(xiǎn)區(qū)，其進(jìn)風(fēng)口有直徑3 m的危險(xiǎn)區(qū)。在TCS的進(jìn)風(fēng)口布置了蒸汽加熱器，通過(guò)加熱的方式提高TCS內(nèi)進(jìn)風(fēng)的相對(duì)濕度，當(dāng)進(jìn)風(fēng)在TCS被冷卻時(shí)，室內(nèi)空氣依舊可以保持在露點(diǎn)以上，從而減少TCS內(nèi)部的凝水。

本項(xiàng)目TCS的抽風(fēng)風(fēng)量2 580 m3/h，緩沖間的抽風(fēng)風(fēng)量是80 m3/h；氣閘室的送風(fēng)風(fēng)量是80 m3/h。LNG罐儲(chǔ)藏間是配有機(jī)械送風(fēng)，房間壓力可通過(guò)調(diào)風(fēng)門調(diào)整到50 Pa，當(dāng)船員進(jìn)入TCS時(shí)，門的開(kāi)閉狀態(tài)和房間內(nèi)的壓力變化見(jiàn)表2，用于監(jiān)測(cè)TCS和氣閘室的壓差開(kāi)關(guān)都在正常狀態(tài)，如果壓差開(kāi)關(guān)報(bào)警，那么說(shuō)明TCS的隔離措施存在失效。

表2 TCS 室內(nèi)壓力變化表

考慮到TCS抽風(fēng)機(jī)一直保持這個(gè)風(fēng)量導(dǎo)致較高的能耗, 且一直運(yùn)行容易發(fā)生故障，所以在設(shè)計(jì)上做了優(yōu)化，風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制，且和TCS內(nèi)的危險(xiǎn)氣體傳感器連鎖，如果危險(xiǎn)氣體傳感器無(wú)報(bào)警信號(hào)，只開(kāi)一臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，保持TCS有每小時(shí)8次的換氣量，當(dāng)設(shè)定為每小時(shí)8次換氣量的風(fēng)量開(kāi)關(guān)報(bào)警時(shí)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)；如果危險(xiǎn)氣體傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)都全負(fù)荷啟動(dòng)，取消對(duì)每小時(shí)30次換氣量的風(fēng)量開(kāi)關(guān)的屏蔽。根據(jù)式（1）和式（2）[3]，風(fēng)機(jī)的功率與風(fēng)量的3次方成正比，所以當(dāng)TCS的換氣次數(shù)從每小時(shí)30次降低到8次，風(fēng)量Q降為原來(lái)的0.266倍，風(fēng)機(jī)功率將為原來(lái)的0.02倍。量見(jiàn)下公式

式中：V1為TCS到GVU的雙壁管夾層空間；V2為GVU的內(nèi)部空間；V3為GVU到主機(jī)的雙壁管夾層空間；V4為主機(jī)上雙壁管夾層空間。

式中：p為空氣密度，一般取1.2；ξ為阻力系數(shù)；V為迎面風(fēng)速；P為風(fēng)機(jī)壓頭；N為風(fēng)機(jī)功率；η為風(fēng)機(jī)的效率。

1.3 燃?xì)怆p壁管的通風(fēng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的機(jī)艙屬于本質(zhì)安全機(jī)器處所，采用通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)船舶燃?xì)夤庀到y(tǒng)進(jìn)行氣密環(huán)圍，使用了通風(fēng)雙壁管和全封閉型的燃?xì)忾y組系統(tǒng)（Gas Valve Unit，GVU）[4]。

通風(fēng)雙壁管用于輸送氣化后的燃?xì)?，從TCS到GVU，再到主機(jī)，見(jiàn)圖4。按照IGF要求，換氣次數(shù)要達(dá)到每小時(shí)30次，通風(fēng)的容積包括雙壁管夾層空間，GVU內(nèi)部空間，主機(jī)上雙壁管夾層空間，此空間屬于Zone 2的危險(xiǎn)。抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)

圖4 燃?xì)怆p壁管示意圖

流量開(kāi)關(guān)安裝在進(jìn)風(fēng)管上，用于檢測(cè)進(jìn)風(fēng)量的大小是否達(dá)到設(shè)計(jì)值，其中任一一個(gè)流量小于流量開(kāi)關(guān)的設(shè)定值，報(bào)警信號(hào)會(huì)發(fā)送給控制系統(tǒng)，備用通風(fēng)自動(dòng)啟動(dòng)，延遲20 s后，流量開(kāi)關(guān)仍報(bào)警或通風(fēng)不運(yùn)行，將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給LNG供氣系統(tǒng)。

外界的空氣通過(guò)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入燃?xì)怆p壁管的夾層空間，見(jiàn)圖5；由于有2處進(jìn)風(fēng)口，分別是主機(jī)側(cè)和TCS側(cè)，需要用節(jié)流孔板用于調(diào)節(jié)兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量平衡，節(jié)流孔板布置在進(jìn)風(fēng)口，見(jiàn)圖6。

圖5 進(jìn)風(fēng)接口示意圖

圖6 進(jìn)風(fēng)口示意圖

按照冗余要求，配置2臺(tái)100%的抽風(fēng)機(jī)，一用一備，當(dāng)布置在進(jìn)風(fēng)口的壓差開(kāi)關(guān)報(bào)警時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)備用的抽風(fēng)機(jī)。在GVU的出風(fēng)口布置2個(gè)危險(xiǎn)氣體傳感器，當(dāng)空氣中的危險(xiǎn)氣體達(dá)到爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL）的20%時(shí)，發(fā)出報(bào)警，當(dāng)達(dá)到40%的LEL時(shí)，切斷供氣系統(tǒng)。

由于雙壁管內(nèi)夾層的空間很小所以抽風(fēng)機(jī)的風(fēng)量很小，但是阻力很大，需要選用低風(fēng)量和高壓頭的防爆離心風(fēng)機(jī)。由于雙壁管的夾層空間非常復(fù)雜，很難計(jì)算壓力損失，建議選用的風(fēng)機(jī)靜壓是5 000 Pa左右[5]。

本項(xiàng)目燃?xì)怆p壁管抽風(fēng)量的各個(gè)組成見(jiàn)表3，根據(jù)式（3）計(jì)算風(fēng)量，GVU的容積較大，占了76%的份額，而進(jìn)入GVU的空氣可以從主機(jī)側(cè)進(jìn)風(fēng)口通過(guò)雙壁管夾層空間進(jìn)入，也可以從TCS側(cè)進(jìn)風(fēng)。

表3 燃?xì)怆p壁管抽風(fēng)量的組成

本項(xiàng)目服務(wù)主機(jī)的燃?xì)怆p壁管的外管是165 mm×3.4 mm，內(nèi)管是114 mm×3 mm，夾層的截面積9 395 mm2。由于總抽風(fēng)量很小，為86.52 m3/h，這些風(fēng)量分配到兩處進(jìn)風(fēng)口，在燃?xì)怆p壁管的風(fēng)速并不高，不會(huì)大于2.5 m/s。在燃?xì)怆p壁管與主機(jī)連接處，使用特殊的法蘭來(lái)連接，見(jiàn)圖7，法蘭內(nèi)圈存在16個(gè)直徑為8 mm的小孔，用于通過(guò)空氣，這些小孔的截面積僅為804 mm2，不到雙壁管夾層截面積的1/10，此處會(huì)產(chǎn)生較大的壓降。為了使兩路進(jìn)風(fēng)管的壓力損失盡量一致，設(shè)計(jì)時(shí)選擇80%～90%的風(fēng)從TCS側(cè)進(jìn)入，剩余部分有主機(jī)側(cè)的進(jìn)入。

圖7 燃?xì)怆p壁管與主機(jī)的連接法蘭（單位：mm）

1.4 LNG 機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)匯總

LNG機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要考慮房間危險(xiǎn)定義、通風(fēng)形式、換氣次數(shù)等因數(shù)，其設(shè)計(jì)匯總見(jiàn)表4。

表4 LNG 機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)匯總（續(xù)）

表4 LNG 機(jī)械通風(fēng)設(shè)計(jì)匯總

重點(diǎn)研究的內(nèi)容主要包括有：使用流量開(kāi)關(guān)、壓差開(kāi)關(guān)和風(fēng)機(jī)冗余等技術(shù)手段來(lái)構(gòu)造高安全性的LNG通風(fēng)系統(tǒng)；運(yùn)用CFD模擬計(jì)算分析了船員進(jìn)出危險(xiǎn)處所過(guò)程中由于不同的門打開(kāi)導(dǎo)致的房間壓力變化。

2 LNG 通風(fēng)系統(tǒng)的集成控制

客滾船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)本身就非常龐大，而LNG通風(fēng)系統(tǒng)也包含很多的風(fēng)閘和風(fēng)機(jī)，且兩者幾乎沒(méi)有關(guān)聯(lián)性，完全可以相互獨(dú)立。為了使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，本項(xiàng)目把LNG通風(fēng)系統(tǒng)做成一個(gè)獨(dú)立的集成控制系統(tǒng)，設(shè)置了專門的通風(fēng)電氣中心（Ventilation Motor Control Center，VMCC），VMCC即包含為風(fēng)機(jī)供電的啟動(dòng)器，也包含風(fēng)機(jī)，風(fēng)閘的控制部分，包含PLC和觸摸屏，可以顯示風(fēng)機(jī)，風(fēng)閘和壓力開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

LNG VMCC的接口需要考慮周到和全面，為了提高客滾船的安全性，很多配置都是冗余和雙套的，具體見(jiàn)圖8的VMCC框架圖[6]。

圖8 VMCC 框架圖

1）VMCC的供電來(lái)自2個(gè)主配電板，避免1個(gè)配電板失效時(shí)，LNG通風(fēng)完全失效。

2）與2套全船應(yīng)急切斷系統(tǒng)有接口，LNG通風(fēng)也需要根據(jù)全船風(fēng)油切斷的分組組合切斷。

3）與2套火警系統(tǒng)有接口，當(dāng)相對(duì)應(yīng)區(qū)域的火警報(bào)警時(shí)，LNG通風(fēng)需要自動(dòng)切斷電源。

4）在駕駛室設(shè)置額外的控制板，見(jiàn)圖9，此控制板帶有可以監(jiān)控整個(gè)LNG通風(fēng)系統(tǒng)的觸摸屏，此觸摸屏和VMCC通過(guò)通信來(lái)連接；此控制板還有顯示此系統(tǒng)中風(fēng)閘狀態(tài)的指示燈和成組風(fēng)閘關(guān)閉按鈕，與VMCC通過(guò)硬線來(lái)連接，進(jìn)一步提高控制的穩(wěn)定性。

圖9 駕駛室控制板

3 LNG 風(fēng)機(jī)房的設(shè)置

LNG風(fēng)機(jī)數(shù)量較多，為了便于維護(hù)和管理，并且解決風(fēng)機(jī)軟管存在的氣體泄露風(fēng)險(xiǎn)，本項(xiàng)目設(shè)置了定義為Zone 2的LNG風(fēng)機(jī)房，見(jiàn)圖10，集中布置所有LNG相關(guān)的風(fēng)機(jī)。LNG風(fēng)機(jī)房布置在客滾船的最上層甲板，靠近LNG的透氣桅和LNG垂直管弄的位置。

圖10 LNG 風(fēng)機(jī)房（3D 模型）

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)分析和研究了如何在客滾船的LNG通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增加LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全性。運(yùn)用機(jī)械通風(fēng)來(lái)形成各個(gè)不同危險(xiǎn)等級(jí)的處所內(nèi)房間壓力梯度，保障開(kāi)門時(shí)，危險(xiǎn)處所的空氣不會(huì)向低危險(xiǎn)處所流動(dòng)，并運(yùn)用壓差房間來(lái)監(jiān)控；運(yùn)用冗余的抽風(fēng)機(jī)對(duì)危險(xiǎn)處所進(jìn)行高換氣次數(shù)的抽風(fēng)，保障盡快地把泄露的危險(xiǎn)氣體排出，并用流量開(kāi)關(guān)來(lái)監(jiān)測(cè)通風(fēng)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行；運(yùn)用以VMCC為中心的LNG通風(fēng)集成電氣系統(tǒng)，對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)閘、流量開(kāi)關(guān)等供電和控制進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)來(lái)提高系統(tǒng)的安全性；設(shè)置專門的LNG風(fēng)機(jī)房來(lái)集中管理和維護(hù)LNG風(fēng)機(jī)。本文對(duì)實(shí)際客滾船項(xiàng)目的LNG通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了全面且完整的分析和研究，對(duì)很多實(shí)際項(xiàng)目中碰到的疑問(wèn)做了解讀，其設(shè)計(jì)方法在實(shí)船上得到了驗(yàn)證，廣大工程師可以用來(lái)作為設(shè)計(jì)中的指南。