LNG船液貨艙安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫少哲，馮國增，王慶豐，馬哲樹

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

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LNG船液貨艙安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫少哲，馮國增，王慶豐，馬哲樹

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

LNG船是海上運(yùn)輸液態(tài)天然氣的專用船舶，其液貨圍護(hù)系統(tǒng)在安裝過程中必須控制艙室內(nèi)的空氣溫度、濕度以及二氧化硫、氯氣等有害氣體含量，因此有必要開展LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)施工過程中環(huán)境控制方面的研究。提出了單艙艙容為5萬m3的LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括設(shè)計(jì)參數(shù)和冷熱源方案確定，空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，送回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。該船液貨艙安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)類似LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)的環(huán)境控制問題研究有借鑒意義。

LNG船；液貨艙；圍護(hù)系統(tǒng)；空調(diào)系統(tǒng)；風(fēng)管布置；室內(nèi)環(huán)境控制

0 引言

薄膜型液化天然氣船(LNG)的液貨圍護(hù)系統(tǒng)通常由雙層船殼、內(nèi)薄膜、外薄膜和低溫隔熱材料所組成。內(nèi)、外薄膜由具有較低熱膨脹率的殷瓦鋼制作，構(gòu)成裝載低溫液貨的完整限界面，并與絕熱層(內(nèi)外薄膜之間的部分)共同保證船體結(jié)構(gòu)不受由超低溫造成的脆性破壞，因此在LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)的建造中，殷瓦薄膜及絕熱層的安裝成為主要的技術(shù)難點(diǎn)[1]。然而殷瓦鋼對(duì)環(huán)境的溫濕度要求很高，常溫下8 h以內(nèi)接觸到水或油就會(huì)生銹。根據(jù)法國GTT公司的建議，在LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)的安裝過程中必須配備具有除濕功能的空調(diào)，維持艙內(nèi)環(huán)境的相對(duì)濕度在60%以下。

建造中的LNG船液貨艙屬于高大空間結(jié)構(gòu)，高大空間氣流組織的均勻性通常是空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題之一。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有LNG船艙室內(nèi)部的空調(diào)系統(tǒng)測(cè)試，氣流組織分布嚴(yán)重不均，頂層空間和底層空間溫差可達(dá)5～7 ℃，同一水平空間溫差也可達(dá)3～4 ℃[2]。另外，艙室內(nèi)溫濕度的控制對(duì)殷瓦薄膜的順利安裝極其重要。如何實(shí)現(xiàn)圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)溫濕度的精確控制和可靠運(yùn)行，也是該空調(diào)系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題。

本文以在北方某沿海城市造船廠建造的LNG船為設(shè)計(jì)對(duì)象，其單艙艙容為5萬m3。該液貨艙長50 m，高28 m，寬40 m，液貨艙中每隔2.6 m架設(shè)一層環(huán)形的腳手架，一共十層，用于液貨圍護(hù)系統(tǒng)的安裝。本文提出了較完整的大型LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)確定

北方某沿海城市的氣象參數(shù)見表1?？紤]到《暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中該地區(qū)的氣象參數(shù)是多年氣象參數(shù)的平均值，不包括天氣特別惡劣的情況，而且船舶制造地靠近海邊，氣象參數(shù)與手冊(cè)的參數(shù)也有差異，因此，為了保證LNG船艙室建造環(huán)境，對(duì)艙外設(shè)計(jì)參數(shù)作了調(diào)整。艙室外的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)取該地區(qū)夏季最熱月14時(shí)的平均溫度，見表2。

表1 某沿海城市的室外氣象參數(shù)表

表2 艙外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)表

依據(jù)《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)(輪機(jī)分冊(cè))》選取相關(guān)參數(shù)，夏、冬季工況下，艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度和相對(duì)濕度參數(shù)見表3。

表3 艙內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

經(jīng)論證，確定LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)系統(tǒng)，除濕方式選擇冷凍除濕，冬季加熱采用蒸汽加熱，加濕方式采用蒸汽加濕，空調(diào)過濾器除了考慮除塵外，還應(yīng)考慮去除二氧化硫、氯氣、海水鹽分等有害氣體。

空調(diào)的風(fēng)管系統(tǒng)主風(fēng)管采用硬質(zhì)風(fēng)管，支風(fēng)管采用軟風(fēng)管。軟風(fēng)管具有防凝露、易清潔維護(hù)、重量輕、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，而且安裝簡(jiǎn)單，能夠縮短工程周期。因此，考慮到使用和維護(hù)方便，主風(fēng)管使用矩形風(fēng)管，其他使用軟風(fēng)管。

LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)機(jī)組的控制與普通空調(diào)系統(tǒng)的控制有很大區(qū)別。普通空調(diào)系統(tǒng)的控制參數(shù)是溫度，以溫度優(yōu)先作為控制原則。而LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)機(jī)組的控制原則是濕度優(yōu)先原則，在滿足濕度參數(shù)控制要求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)機(jī)組控制系統(tǒng)。另外，按照建造過程中的施工時(shí)間，夜晚艙室內(nèi)沒有工人施工時(shí)，應(yīng)關(guān)閉新風(fēng)風(fēng)門，降低機(jī)組負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)空調(diào)機(jī)組節(jié)能運(yùn)行。

2.2 夏季空氣處理過程

夏季空氣處理過程如圖1所示。艙內(nèi)環(huán)境空氣(狀態(tài)點(diǎn)N)與艙外環(huán)境空氣(狀態(tài)點(diǎn)W)在空氣處理機(jī)組的混合箱中相混合至混合狀態(tài)點(diǎn)C，然后經(jīng)過表冷器冷卻除濕后至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最后送入艙內(nèi)。經(jīng)冷卻除濕后的空氣沿著熱濕比線ε使艙內(nèi)環(huán)境達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與夏季空氣處理過程所對(duì)應(yīng)的焓濕圖如圖2所示。

2.3 冬季空氣處理過程

冬季空調(diào)艙內(nèi)空氣處理過程如圖3所示。艙內(nèi)環(huán)境空氣(狀態(tài)點(diǎn)N)與艙外環(huán)境空氣(狀態(tài)點(diǎn)W)在空氣處理機(jī)組的混合箱中相混合至混合狀態(tài)點(diǎn)C，然后經(jīng)蒸汽盤管加熱后至送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，最后送入艙內(nèi)。經(jīng)過加熱后的空氣沿著熱濕比線ε使艙內(nèi)環(huán)境達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與冬季空氣處理過程所對(duì)應(yīng)的焓濕圖如圖4所示。

2.4 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

夏季空調(diào)負(fù)荷主要包括：艙內(nèi)得熱量(包括傳入熱、人體熱、照明熱、設(shè)備熱)、風(fēng)機(jī)熱量、送風(fēng)管內(nèi)空氣溫升熱量、回風(fēng)溫升熱量、新鮮空氣熱量。因此空調(diào)總負(fù)荷計(jì)算公式見式(1)。

W：艙外環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)；N：艙內(nèi)環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)；C：混合點(diǎn)；O：送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)；ε：熱濕比

圖2 夏季空氣處理過程焓濕圖

P：加熱狀態(tài)點(diǎn)

圖4 冬季空氣處理過程焓濕圖

Φ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4+Φ5

(1)

式中：Φ為總熱負(fù)荷，W；Φ1為艙內(nèi)得熱量，W，按照式(2)計(jì)算；Φ2為風(fēng)機(jī)熱量，W，按照式(3)計(jì)算；Φ3為送風(fēng)管內(nèi)空氣溫升熱量，W，溫升控制在2 ℃以內(nèi)，按照式(4)計(jì)算；Φ4為回風(fēng)溫升熱量，W，溫升控制在2 ℃以內(nèi)，按照式(5)計(jì)算；Φ5為新鮮空氣熱量，W，按照式(6)計(jì)算。

Φ1=q+qp+ql+qε

(2)

式中：q為艙內(nèi)傳入熱量，W，與艙室的結(jié)構(gòu)、材料、朝向、吃水、隔壁艙室的結(jié)構(gòu)等相關(guān)；qp為人體發(fā)熱量，W；ql為照明熱量，W；qε為艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量，W，根據(jù)LNG船建造經(jīng)驗(yàn)，主要考慮焊接設(shè)備和樹脂設(shè)備的發(fā)熱量。

(3)

式中：H為風(fēng)機(jī)全壓頭，Pa；V為風(fēng)機(jī)風(fēng)量，m3/h；η為風(fēng)機(jī)全壓效率；ηm為傳動(dòng)效率。

Φ3=0.288×1.163×2VS

(4)

式中：VS為送風(fēng)量，m3/h。

Φ4=0.288×1.163×2VR

(5)

式中：VR為回風(fēng)量，m3/h。

(6)

式中：a為新風(fēng)比；V為總風(fēng)量，m3/h；ρ為空氣密度，ρ=1.2 kg/m3；iW為艙外空氣焓值，kJ/kg；iN為艙內(nèi)空氣焓值，kJ/kg。

冬季空調(diào)負(fù)荷包括艙內(nèi)熱損失和加熱新鮮空氣所需熱量，按照式(7)計(jì)算。

(7)

(8)

詳細(xì)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見表4。該LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)夏季空調(diào)負(fù)荷485 kW，冬季空調(diào)負(fù)荷300 kW?？紤]余量，確定空調(diào)制冷裝置制冷量為550 kW，制熱量為330 kW。空調(diào)系統(tǒng)的計(jì)算風(fēng)量為62 483 m3/h，考慮余量理論風(fēng)量確定為65 000 m3/h，其中包含新風(fēng)量10 000 m3/h，滿足新風(fēng)比大于10%的要求。

2.5 空調(diào)系統(tǒng)冷熱源方案

冬季采暖的熱源選擇船廠提供的0.3 MPa的蒸汽，蒸汽加熱器設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。從可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，空調(diào)系統(tǒng)的冷源選用螺桿壓縮機(jī)組，冷凝器為風(fēng)冷冷凝方式，蒸發(fā)器作為空氣處理機(jī)組的表冷器。冷凝器和蒸發(fā)器選用銅管鋁翅繞片熱交換器，制冷劑選用R22。表6為冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)，表7為蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)，制冷裝置的性能參數(shù)見表8。

2.6 風(fēng)管系統(tǒng)布置

空調(diào)機(jī)組放置在液貨艙頂部甲板上方，風(fēng)管從液穹開口接進(jìn)艙內(nèi)?？紤]安裝使用和回收方便，送風(fēng)管采用矩形保溫管，末端使用可調(diào)風(fēng)量的球形風(fēng)口。1～10層每層設(shè)置8個(gè)送風(fēng)口，風(fēng)量可調(diào)，如圖5所示。圖6為安裝平臺(tái)第5層的送風(fēng)管布置圖。圖中，送風(fēng)管左右兩舷對(duì)稱布置，向艙壁送風(fēng)，以維持人員工作區(qū)域以及艙壁附近的溫濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其余各層的送風(fēng)管布置方式類似?；仫L(fēng)管采用矩形保溫管，第2、第5、第9層各設(shè)置4個(gè)回風(fēng)口，如圖7所示。圖8為回風(fēng)管布置的縱剖圖。這樣的送回風(fēng)口布置方式將整個(gè)安裝平臺(tái)分為3個(gè)環(huán)境控制區(qū)域，即1～2層空間、3～8層空間以及9層以上空間，從而保證溫濕度場(chǎng)的均勻性。

表4 空調(diào)負(fù)荷匯總表

表5 蒸汽加熱器設(shè)計(jì)參數(shù)

表6 冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)參數(shù)

表8 空調(diào)制冷裝置參數(shù)性能表

圖5 進(jìn)風(fēng)管布置圖

圖6 第5層進(jìn)風(fēng)管布置圖

3 結(jié)語

隨著我國船舶行業(yè)的發(fā)展，大型LNG船的建造需求越來越多，在其建造過程中，控制艙內(nèi)環(huán)境的溫濕度對(duì)殷瓦薄膜的順利安裝極其重要。本文提出較完整的單艙艙容為5萬m3的LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹了冬夏季空氣處理過程、空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算、空調(diào)制冷裝置的設(shè)計(jì)以及送回風(fēng)管的布置方式。

圖7 回風(fēng)管布置圖

圖8 回風(fēng)管縱剖圖

本文的研究對(duì)于我國船舶企業(yè)自主開發(fā)大型LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)有借鑒意義，同時(shí)對(duì)于大型船舶建造及船用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中減少系統(tǒng)運(yùn)行消耗、節(jié)約成本、提高效率和質(zhì)量有參考價(jià)值。

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低能耗船舶空調(diào)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)集成研究與開發(fā)(BY2013066-09)；江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)船舶與海洋工程輪機(jī)方向。

2015-05-28

孫少哲(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榕灤撌噎h(huán)境控制；馮國增(1971—)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)閮上嗔骼碚撆c技術(shù)、船舶制冷與空調(diào)等；王慶豐(1976—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度研究、船舶制造工藝力學(xué)；馬哲樹(1973—)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇安裼蜋C(jī)動(dòng)力裝置性能優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)研究。

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