LNG雙燃料船GVU房間通風系統(tǒng)設(shè)計

王 磊，竇 旭，井雷雷，范中彪

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

0 引 言

近年來，隨著天然氣燃料在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中的應用越來越廣泛，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運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。船級社等規(guī)范制定部門為保證該類型船的設(shè)計標準化、安全隱患最低化，針對其特殊潛在風險提出了多項設(shè)計要求，其中針對燃氣閥組單元（Gas Valve Unit，GVU）房間提出，由于其潛在的燃氣泄漏風險較高，必須保證其具有良好的通風效果、穩(wěn)定的負壓狀態(tài)和及時的泄漏報警，要求非常嚴格。

對于GVU房間，船級社標準和《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（IGC Code）均要求其必須達到每小時30 次的換氣次數(shù)；同時，要求其在船舶運行期間始終保持負壓狀態(tài)，且負壓值需在40 Pa以上（即絕對壓力需小于-40 Pa）。因此，綜合這2 點要求，GVU的排氣風機性能需達到很高的標準。對于GVU房間內(nèi)的燃氣泄漏報警器安裝位置，需在確定GVU 風機型號和GVU 房間進風口尺寸，并利用流體分析軟件，采用有限體積法得出房間內(nèi)的空氣流場和泄漏燃氣擴散趨勢之后再確定，保證發(fā)生燃氣泄漏事故之后能及時觸發(fā)報警。

GVU房間高效的換氣次數(shù)需要較大的風機排風量予以保證，良好的負壓需要較小的房間進口格柵流通面積予以保證。然而，風機排風量增大會提高風機進出口管路內(nèi)的風速，增大相應的管路壓力損失，房間進口格柵流通面積減小會引起房間內(nèi)的壓力損失發(fā)生變化。因此，在設(shè)計LNG雙燃料船GVU房間時，首要任務是選定滿足規(guī)范要求的GVU風機型號和GVU房間進風口尺寸。

1 研究方法

1.1 GVU房間通風設(shè)計

LNG雙燃料船GVU房間的排風系統(tǒng)原理簡圖見圖1。

結(jié)合圖1 中的信息分析：-為GVU房間進風口與出風口的靜壓差，包含空氣動能增加量和房間內(nèi)的壓力損失；-為風機排風管路的壓力損失。因此，-為風機進口與出口的靜壓差，包含風機用于提升空氣動能和克服整個排風系統(tǒng)阻力損失的總壓頭。此外，空氣動壓的計算公式為

圖1 LNG雙燃料船GVU房間的排風系統(tǒng)原理簡圖

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

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

1.2 換氣次數(shù)要求

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

1.3 風機性能要求

考慮到不同風量下風機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，必須保證風機在一定風量下需要的進出口靜壓差小于風機設(shè)計總壓和風機進出口靜壓差除去空氣動壓之后仍小于風機設(shè)計靜壓，只有如此才能確保風機的排風效果滿足需求。

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

圖2 GVU風機特性曲線

結(jié)合船級社對換氣次數(shù)的要求和風機廠家的推薦，將風機風量初步選定在13 500 ～20 400 m/h 范圍內(nèi)。

1.4 房間負壓要求

基于GVU房間的負壓要求，必須確定合適的進風口流通面積，使GVU 房間內(nèi)部能保持絕對壓力小于-40 Pa?？紤]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)的平均負壓控制在-48 Pa以下。然而，不同的進風口流通面積必然會對房間內(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)計風量，根據(jù)廠家提供的特性曲線確定這3種風量下風機的設(shè)計總壓和靜壓；

2）建立GVU房間三維模型，計算各設(shè)計風量下的室內(nèi)空氣流場，得到不同進風口流通面積下的GVU房間負壓和風機進口靜壓，計算出GVU房間負壓值與進風口流通面積的函數(shù)關(guān)系，進而得到各設(shè)計風量下滿足負壓要求的房間進風口流通面積，以及房間進風口最大允許流通面積與設(shè)計風量之間的函數(shù)關(guān)系；

3）建立風機排風管路模型，計算各設(shè)計風量下的排風管路壓力損失-（為0），根據(jù)-和--分別得到風機需求總壓和需求靜壓，進而計算出風機需求總壓和需求靜壓與風機設(shè)計總壓和靜壓的差值，擬合出該差值與設(shè)計風量之間的函數(shù)關(guān)系；

4）綜合上述2 種函數(shù)關(guān)系確定最合理的GVU風機風量和GVU房間進風口流通面積。

2 研究過程

2.1 GVU房間內(nèi)部流場分析

2.1.1 流場模型

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

在流體分析軟件中進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。將完成網(wǎng)格劃分的流場模型（將最初建立的實體模型抑制掉，僅保留流場模型）導入流體計算軟件中，準備進行流場分析。

2.1.2 分析前處理

在分析計算之前，需進行以下設(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)計試驗法確定需分析的案例，在分析每個案例之前按對應的設(shè)計風量和房間進風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)測面；

7）采用二階迎風格式對動量、湍流動能和湍流耗散率等參數(shù)進行數(shù)值離散，為保證求解精度，關(guān)閉能量方程，將連續(xù)方程的殘差收斂標準設(shè)為1 ×10。

2.1.3 數(shù)據(jù)后處理

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

以上述案例中的1 組案例為例，計算結(jié)果達到收斂標準之后，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速度較快，左半部分空間的空氣流動速度較慢，整體房間內(nèi)絕大部分空間的空氣流動速度在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)計風量下房間負壓與房間進風口凈流通面積之間的回歸曲線，見圖4。

圖4 不同設(shè)計風量下房間負壓與進風口凈流通面積的關(guān)系

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

表1 設(shè)計風量和進風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)計風量的增加，-48 Pa房間負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)計風量之間的擬合回歸曲線和函數(shù)關(guān)系式，將其作為選取風機性能和房間進風口流通面積的參考依據(jù)之一。

2.2 風機排風管路分析

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

對不同設(shè)計風量下的風機排風管路內(nèi)部流場進行模擬分析，得到排風管路內(nèi)部流場分布。根據(jù)計算結(jié)果統(tǒng)計不同設(shè)計風量下的排風管路壓力損失，結(jié)果見表2。

表2 不同設(shè)計風量下的排氣管路壓力損失和空氣動壓

2.3 風機需求總壓和靜壓分析

由于在最大設(shè)計風量20 400 m/h下，滿足規(guī)范要求的房間負壓的允許最大進風口流通面積為0.64 m，故僅考慮進風口流通面積小于0.64 m的數(shù)據(jù)。另外，觀察GVU房間內(nèi)部流場已分析數(shù)據(jù)，進風口流通面積小于0.04 m的風機進口靜壓2 過低，導致需求總壓過高，風機性能無法滿足要求，故不予考慮。因此，取中間的0.25 m、0.36 m和0.64 m2 等3 組進風口流通面積對應的數(shù)據(jù)進行總壓和靜壓分析。

2.3.1 流體動壓分析

各設(shè)計風量下的空氣動壓如表2 所示，其中：ρ=1.169 1 kg/m；=/（3 600·），其中，為風機設(shè)計風量，為風機進風口截面積，若風機進風口直徑為520 mm，則≈0.212 m。

2.3.2 風機總壓余量和靜壓余量分析

結(jié)合前文的排風管路壓力損失和空氣動壓分析：風機總壓余量（即設(shè)計總壓高出需求總壓的值）可由-（-）計算得到；風機靜壓余量（即設(shè)計靜壓高出需求靜壓的值）可由-（--）計算得到。

2.3.2 .1 總壓余量分析

根據(jù)2.3.2 節(jié)中的計算方法，計算并擬合得到不同進風口流通面積下風機總壓余量與設(shè)計風量之間的關(guān)系曲線和函數(shù)關(guān)系式，其中關(guān)系曲線見圖5。

圖5 風機總壓余量與設(shè)計風量之間的關(guān)系曲線

由于風機總壓余量必須大于零，根據(jù)函數(shù)方程可計算出風機總壓余量剛好等于零時的臨界設(shè)計風量，如表1 所示。

由表1 可知，隨著房間進風口流通面積的增大，風機總壓臨界設(shè)計風量也逐漸增大。同時，可得到風機總壓臨界設(shè)計風量與房間進風口流通面積之間的擬合回歸曲線和函數(shù)關(guān)系式，將其作為選取風機性能和房間進風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)中的計算方法，計算擬合得到不同進風口流通面積下風機靜壓余量與設(shè)計風量之間的關(guān)系曲線和函數(shù)關(guān)系式，其中關(guān)系曲線見圖6。

圖6 風機靜壓余量與設(shè)計風量之間的關(guān)系曲線

由于風機靜壓余量同樣必須大于零，根據(jù)函數(shù)關(guān)系式可計算出風機靜壓余量剛好等于零時的臨界設(shè)計風量，如表1 所示。

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

3 研究數(shù)據(jù)分析

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

以風機設(shè)計風量為因變量，以GVU房間進風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)計風量下，滿足-48 Pa房間負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，滿足風機總壓和靜壓需求的設(shè)計風量需在臨界設(shè)計風量以下，故可選區(qū)域在臨界設(shè)計風量曲線以下。同時，考慮每小時至少30 次換氣次數(shù)和增加10%余量，設(shè)計風量需控制在14 850 m/h以上。

綜上所述，GVU風機設(shè)計風量和房間進風口流通面積的選取點需在圖7 中的陰影區(qū)域內(nèi)。參照該圖，可在一定設(shè)計風量下選擇適當?shù)姆块g進風口流通面積，也可根據(jù)實船GVU 房間進風口已確定的流通面積選擇合理的風機設(shè)計風量。

圖7 設(shè)計風量與GVU房間進風口流通面積的關(guān)系曲線

在實際設(shè)計過程中，應在保證設(shè)計風量滿足換氣次數(shù)和負壓要求的同時，考慮分析計算誤差，盡量使風機總壓和靜壓有一定的余量（換氣次數(shù)和房間負壓的余量前文已考慮）。

例如，當GVU風機設(shè)計風量選定為18 000 m/h時，按圖7 中的陰影區(qū)域確定進風口流通面積需控制在0.2 ～0.56 m范圍內(nèi)。同時，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)計風量最大值為19 058 m/h，對應的進風口流通面積均為0.559 m。此時的進風口流通面積在陰影區(qū)域內(nèi)，且臨界設(shè)計風量高出18 000 m/h最多，總壓、靜壓余量最大。因此，當風機設(shè)計風量為18 000 m/h時，首先要控制進風口流通面積在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GVU 房間進風口流通面積選定為0.4 m時，按陰影區(qū)域確定風機的設(shè)計風量需控制在14 850 ～18 854 m/h范圍內(nèi)。同時，由擬合曲線可知，風機總壓和靜壓余量隨著風機設(shè)計風量的減小而增大。因此，當房間進風口流通面積選定為0.4 m時，風機設(shè)計風量需控制在14 850 ～18 854 m3/h范圍內(nèi)，并盡量靠近14 850 m/h。

4 結(jié) 語

本文的研究可為LNG雙燃料船的GVU風機性能選取和GVU房間進風口設(shè)計提供參考，避免在船舶試航期間因GVU風機靜壓不足和GVU房間進風口流通面積過大而引起GVU房間排風效果不佳和達不到規(guī)范的要求等后果，有效提高船舶設(shè)計的效率，保證設(shè)計參數(shù)的可靠性。

此外，在該研究的基礎(chǔ)上，可進一步分析不同雙燃料船、不同GVU房間布置對計算結(jié)果的影響，進而得到GVU房間布置與GVU風機性能和GVU房間進風口尺寸之間的關(guān)系，以便提高其他雙燃料船型GVU房間設(shè)計的效率，避免多次重復分析。