某大型LNG船機艙通風系統設計和建模

周榮輝， 顧 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

某大型LNG船機艙通風系統設計和建模

周榮輝， 顧 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

研究某型LNG船機艙通風系統原理，根據詳細設計提供的功率參數，運用極限升溫法，算出整個機艙維持滿負荷工作所需的總通風量，確定適合的機艙通風以及分配方式；根據機艙通風管路原理圖，運用三維干涉檢查法，設計機艙通風系統管路三維物理模型，驗證風管的布局合理性，為風管生產設計提供模型依據。

LNG船；機艙；設計和建模；通風系統

0 引 言

目前，機艙通風系統的設計主要采用機械通風和自然排風扇組合的方式,用風機將兩舷外側的新鮮空氣通過風管送入機艙各處，在機艙內吸熱后從天窗、煙囪或排風格柵排出。

船舶機艙是船舶的心臟，其間交叉密布了各種機械及電力設備。設置船舶機艙通風管路系統的目的是提供主、副機或鍋爐及其他設備燃燒和散熱時所需的空氣量，以及滿足機艙散熱和排廢氣的需求。為保證機艙內良好的通風工作環(huán)境，必須對機艙通風管路系統進行統籌優(yōu)化設計。

船舶機艙通風要求在機艙內建立并保持適宜的通風環(huán)境條件,良好的通風可以為員工提供舒適的工作環(huán)境，保障機械設備正常負荷運轉,有效排除廢氣，減少安全隱患及事故的發(fā)生。

1 通風系統原理

1.1 通風系統

本文的研究對象為滬東中華造船(集團)有限公司承建的大型LNG船機艙通風管路系統，采用1臺主機、3臺發(fā)電機(船舶全速航行時開啟2臺，1臺備用)，鍋爐、副機以及其他機械設備等無間隔地布置在整個高大機艙內。

該型LNG船機艙通風的原理是通過機械抽風機將外界新風經由通風管路送入機艙大環(huán)境內供機械動力設備工作使用，同時吸收機艙內機械動力設備的負荷工作散熱，通過回風系統排出[1]。利用機械送風機經由若干通風格柵，將新鮮空氣均勻送進機艙大環(huán)境，再充分采用自然出風口將已經污染的有害氣體排至船外，從而達到LNG船機艙內通風換氣及散熱的目的[2]。

1.2 通風系統設計

機艙通風管路系統一般由進風口、出風口、通風機、通風管道及其附件等組成。

(1) 設計LNG船機艙通風管路時,須維持通風管路內的微正壓環(huán)境,正常設計時不超過50 Pa。

(2) LNG船機艙通風管路的原材料和連接附件等須經防腐處理，并且能夠防止海水侵蝕。

(3) LNG船機艙通風管路在滿足正常通風量使用的條件下，應盡可能地優(yōu)化尺寸，簡化結構，這樣可有效地減少摩擦力和阻力。在管徑產生變化的連接部位應盡量采用漸擴或漸縮管。由于LNG船機艙布局緊湊,在有彎頭的地方,風管的彎頭可根據需要選用適當的形狀。在三通管路的連接處，氣流尚未穩(wěn)定,不要接交換器和通風格柵。

(4) LNG船機艙通風管路設計須統籌考慮防火防爆的綜合要求。

LNG船舶機艙通風系統的送風量很大，機艙內設備的散熱量也很大，可搭配與降溫型空調器一起使用來降低艙內溫度，可以有效排出機艙內余熱。

2 通風量計算

極限溫升法參照初始設定的船舶機艙溫度，根據詳細規(guī)格策劃書中各相關機械設備的功率進行計算，得到各大型負荷運轉的機械設備的通風量和散熱量，接著計算得出總體負荷運轉的總送風量。極限溫升法認為空氣燃燒量及各種設備散發(fā)出來的熱量是隨著功率的增加而增加的，適用于總通風量相對比較大的艙室。

該LNG船機艙屬于高大空間，布局緊湊，多種機械設備交叉布置，屬于總通風量比較大的艙室，因此決定采取極限溫升法來計算LNG船機艙維持總體負荷運轉所需的總通風量。

通風計算具體參照“ISO 8861—1998[3]造船——柴油機船舶機艙通風——設計要求和計算基礎”來進行。計算得出的總通風量應滿足LNG船機艙全部機電設備滿負荷工作時最大通風量的需求,并且滿足排除LNG船機艙內所有機械設備散熱所需的總通風量。

2.1 燃燒所需通風量

根據極限溫升法，參照各相關機械設備的功率開展計算。該LNG船機艙主要設備技術參數如下：主機1臺，功率4 010 kW，4 沖程；發(fā)電機3臺，發(fā)電柴油機功率410 kW，4 沖程，航行狀態(tài)時同時開啟2臺運行，1臺備用；組合型燃油鍋爐1 臺，功率約500 kW；廢氣鍋爐 1 臺，功率約500 kW。

機艙通風計算依據“ISO 8861-1998”國際標準環(huán)境狀況，大氣壓力100 kPa,外界氣溫取+35℃，相對濕度為70%，空氣密度為1.2 kg/m3，比熱為1.01 kJ/(kg·K)。

設計工況系數：外界環(huán)境溫度為+35℃，氣壓為101 kPa，溫升ΔT：最大12.5 K，ΔT= 艙內設計溫度51.5℃ - 送風溫度39℃，空氣密度ρ取1.2 kg/ m3，空氣質量熱容C取1.01 kJ/(kg·K)。

燃燒所需空氣量：

主機燃燒所需空氣量qdp=pdp×mad/ρ= 6.68 m3/s；

發(fā)電柴油機燃燒所需空氣量qdg= 2×pdg×mad/ρ= 1.367 m3/s；

鍋爐燃燒所需空氣量qb=pdb×mfs×maf/ρ=0.20 m3/s；

燃燒所需空氣總量qc=qdp+qdg+qb=8.247 m3/s。

式中：pdp為主機最大連續(xù)輸出功率，kW；mad為柴油機耗氧系數，0.002 kg/(kW·s)(4 缸)；pdg為發(fā)電柴油機最大連續(xù)輸出功率，kW；pdb為燃油鍋爐功率；mfs為燃油消耗量，0.11 kg/(kW·h)；maf為每消耗1 kg 燃油所需的空氣量，15.7 kg。

2.2 散熱所需通風量

設備散熱所需空氣量：

鍋爐散熱量φb=pdb×B1×Δhb/100 =45.52 kW ；

式中：B1為鍋爐位置系數，B1= 0.1 ；Δhb為鍋爐最大連續(xù)輸出時熱損失百分比，取91.04%。

蒸汽管及凝水管散熱量φp= 5 kW；

排氣管散熱量φep= 5.225 kW。

電氣設備總散熱量：LNG船機艙電氣設備包括照明燈具、電纜管路通道和各種電氣設備等，按電氣所有設備全部負荷使用，估算結果φe1= 13.38 kW。

其他小型箱柜及設備散熱量估算為φ0= 9 kW。

全部設備散熱所需空氣量為

2.3 總通風量

機艙所需總風量：

A 方式：QA=qc+qh= 22.21 m3/s= 79 956 m3/h≈80 000 m3/h。

B 方式：QB=1.5×qc= 1.5×9.327 m3/s= 13.990 5 m3/s < A 方式。

取大者，所以該LNG船機艙所需的總風量約為80 000 m3/h。

結合該LNG船實際布置情況，決定采用兩個機械電動送風機對LNG船機艙進行送風(均分總的通風量80 000 m3/h，即平均每臺機械電動風機的風量選擇為40 000 m3/h)，左右舷對稱布置；考慮到不同航行載荷的條件，采用雙速風機，根據船舶風機布置規(guī)范，綜合考慮釋放廢氣后的排風，將其中1臺設計為可逆式風機。

3 通風系統設計

船舶機艙通風管路系統一般由進氣與排氣組織兩部分構成。主管為主的管路布局模式,優(yōu)點是空間布局緊湊,占用空間地方較小,節(jié)約空間還能滿足通風需求； LNG船機艙通風系統采用主管為主的管路布局模式，系統包含進氣和排氣兩部分，其進氣裝備包含風管、送風口、進氣柵、軸流風機和防火擋板等，其排風裝置包含風管、排氣格柵、排風口及防火擋板等。

某大型LNG船機艙通風管路系統,其主機、發(fā)電機及相關機械設備等無間隔地被布置在整個機艙內。按照“ISO 8861-1998”要求，船舶機艙通風管路系統必須滿足微正壓前提，通常不超過50 Pa，綜合考慮布局及通排風各方式的優(yōu)缺點，該LNG船機艙通風管路系統設計為機械強制送風自然回風方式。

LNG船機艙通風的主風機設計為2臺機械電動風機：1臺必須設計為可逆轉,可滿足在主進風口安裝風雨密水密門或者小型艙口蓋的需求；同時滿足在低負荷的航行過程條件下,可利用那臺可逆轉的機械電動風機,連接成送風和排風的通風順暢回路,從而改善換氣效果。

設計LNG船機艙通風系統進風口布置時，不能太接近機艙的排風口,防止廢氣再次被吸入后進行內循環(huán)。統籌機艙行車、排氣管、菌形通風筒的整體布局安排,通過及貫穿船體結構會損傷結構強度，且不美觀和整齊，所以LNG船機械風機設計為左右舷完全對稱布置。

在保證有效使用截面積的前提下，矩形風管相對于圓形風管形式靈活,方便做方向或者拐彎等調整,尤其是在空間布局很緊張的機艙大環(huán)境下，風管需穿越結構且經常拐彎。同時，矩形風管可充分滿足《SOLAS公約》[4]的相關要求，滿足防火隔離等級的要求，公約中強制要求壁厚大于(或等于)3 mm的鋼質矩形風管必須包扎復合巖棉材料來保護。

機艙屬于機械工作場所，其通風管路布局設計時必須考慮絕緣防火保護，尤其是在經過有嚴格要求的防火等級的艙壁情形下。為滿足防火等級及布局需求，該LNG船機艙內管路、電纜及相關機械設備布局多且緊湊，因此該LNG船的機艙通風管道形式決定使用矩形結構風管。

線網式格柵形式有效通風面積大，同樣數量的風柵后者出風口風速較大且均勻，綜合考慮機艙空間布局情況，該LNG船共布置18個線網式通風格柵來滿足機艙通風需求。

結構風管尺寸設計參照《船舶設計手冊——輪機分冊》[5]，按風管內風速不超過12 m/s 開展設計，且要做到18個通風格柵通風速度均勻，不形成局部死角。由于該LNG船屬于大型船舶，其通風量較大，相應的風管尺寸也設計得比較大；參照船舶設計規(guī)范，滿足詳細設計強度要求，將矩形風管設計為3 mm 壁厚的白鐵皮制作，外部包設75 mm厚的復合巖棉，滿足防火隔離等級要求。

4 機艙通風系統三維物理建模

該LNG船機艙通風系統原理詳細設計布置如圖1所示，在SB3DS-PEPE模塊中，開展三維放樣工作，建立矩形風管的原始模型，盡量注意優(yōu)化異徑及三通接頭的連接布置，彎頭盡可能少采用；綜合考慮結構、電氣、舾裝、輪機等其他專業(yè)的平衡布置，經過多次協調，確認各自的布局，反復開展三維干涉檢查工作，確認風管管路的最佳布局，將18個通風格柵做到盡可能地均勻布置在整個管路系統中。最終，該船機艙三維通風布置消隱形式如圖2所示。

圖1 機艙通風系統原理圖

圖2 全機艙通風系統三維模型

為了更清楚地表達出LNG船矩形風管結構走向，對船體結構及其他機械設備做刪減處理，提煉后的機艙風管三維模型圖如圖3所示，圖4給出了三維俯視圖。

圖3 風管系統三維模型

該LNG船機艙通風方式為強制機械送風和自然排風相組合的方式，風機設計風量為80 000 m3/h，共均勻布置18個相同規(guī)格的格柵口，滿足均勻通風需求，保障機艙負荷運轉條件。

圖4 風管系統三維俯視圖

5 結 論

通風系統不僅要維護機艙內基本的工作環(huán)境，提供主、副機和鍋爐等動力機械設備在運行時的燃燒用空氣，滿足冷卻主、副機等機械設備的散熱需求，還需維持環(huán)境溫度，為設備和工作人員提供換氣呼吸必要的新鮮空氣，提供優(yōu)良的工作環(huán)境，保持空氣清潔并排出廢氣。 船舶艙通風管路是整條船的呼吸系統，四通八達，布置于每個艙室之中，通風從格柵出來流向整船艙室，如何建立整船的通風模型，統籌考慮大型設備(如主機、發(fā)電機等)布局，綜合考慮人體舒適度，改善格柵口或布風器的整體布局是未來的發(fā)展方向。

[1] 何治斌.船舶空調系統的建模與仿真[D].大連：大連海事大學，2011.

[2] 周俊男.艦船艙室氣流組織的數值與實驗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[3] 中國船舶工業(yè)總公司.柴油機船舶機艙通風設計條件和計算基準：CB/T 3772-1996[S]. 北京：中國標準出版社，1997.

[4] 國際海事組織.國際海上人命安全公約[EB/OL].[2013-01-19].http://wenku.baidu.com/view/8901fodc28ea81 c758f5788b.html.

[5] 中國船舶工業(yè)集團公司，中國船舶重工集團公司，中國造船工程學會.船舶設計實用手冊——輪機分冊[M].3版.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

DesignandModelingofEngineRoomVentilationSystemonaLNGShip

ZHOU Ronghui， GU Jin， PEI Yiyi

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032, China)

The principle of ventilation system in the engine room on a LNG ship is researched. According to the power parameters provided by the detailed design, the total ventilation rate of the whole engine room which can maintain the demand for full load work by the limit speed temperature control, the suitable ventilation and distribution mode of engine room are determined. According to the schematic diagram of vent line, the 3D physical model of vent line of the engine room is designed by 3D interference inspection, which verifies the rationalization of the layout of the vent line and provides the basis of production design for vent pipes.

LNG ship; engine room； design and modeling; ventilation system

周榮輝(1984-)，女 ，工程師，研究方向為船舶舾裝設計

1000-3878(2017)06-0052-05

U664

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