LNG船液貨艙安裝平臺空調系統設計研究

孫少哲，馮國增，王慶豐，馬哲樹

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

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LNG船液貨艙安裝平臺空調系統設計研究

孫少哲，馮國增，王慶豐，馬哲樹

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212003)

LNG船是海上運輸液態天然氣的專用船舶，其液貨圍護系統在安裝過程中必須控制艙室內的空氣溫度、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船液貨圍護系統施工過程中環境控制方面的研究。提出了單艙艙容為5萬m3的LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調系統的設計方案，包括設計參數和冷熱源方案確定，空調負荷計算，送回風系統設計等。該船液貨艙安裝平臺空調系統設計對類似LNG船液貨圍護系統安裝平臺的環境控制問題研究有借鑒意義。

LNG船；液貨艙；圍護系統；空調系統；風管布置；室內環境控制

0 引言

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

建造中的LNG船液貨艙屬于高大空間結構，高大空間氣流組織的均勻性通常是空調系統設計的難題之一。根據國內現有LNG船艙室內部的空調系統測試，氣流組織分布嚴重不均，頂層空間和底層空間溫差可達5～7 ℃，同一水平空間溫差也可達3～4 ℃[2]。另外，艙室內溫濕度的控制對殷瓦薄膜的順利安裝極其重要。如何實現圍護系統安裝平臺溫濕度的精確控制和可靠運行，也是該空調系統面臨的技術難題。

本文以在北方某沿海城市造船廠建造的LNG船為設計對象，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架設一層環形的腳手架，一共十層，用于液貨圍護系統的安裝。本文提出了較完整的大型LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調系統設計方案。

1 設計計算參數確定

北方某沿海城市的氣象參數見表1。考慮到《暖通空調系統設計手冊》中該地區的氣象參數是多年氣象參數的平均值，不包括天氣特別惡劣的情況，而且船舶制造地靠近海邊，氣象參數與手冊的參數也有差異，因此，為了保證LNG船艙室建造環境，對艙外設計參數作了調整。艙室外的設計計算參數取該地區夏季最熱月14時的平均溫度，見表2。

表1 某沿海城市的室外氣象參數表

表2 艙外設計計算參數表

依據《船舶設計手冊(輪機分冊)》選取相關參數，夏、冬季工況下，艙內設計溫度和相對濕度參數見表3。

表3 艙內設計參數表

2 空調系統方案設計

2.1 總體方案

經論證，確定LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調系統采用一次回風系統，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，空調過濾器除了考慮除塵外，還應考慮去除二氧化硫、氯氣、海水鹽分等有害氣體。

空調的風管系統主風管采用硬質風管，支風管采用軟風管。軟風管具有防凝露、易清潔維護、重量輕、可重復使用等優點，而且安裝簡單，能夠縮短工程周期。因此，考慮到使用和維護方便，主風管使用矩形風管，其他使用軟風管。

LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調機組的控制與普通空調系統的控制有很大區別。普通空調系統的控制參數是溫度，以溫度優先作為控制原則。而LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調機組的控制原則是濕度優先原則，在滿足濕度參數控制要求的基礎上設計機組控制系統。另外，按照建造過程中的施工時間，夜晚艙室內沒有工人施工時，應關閉新風風門，降低機組負荷，實現空調機組節能運行。

2.2 夏季空氣處理過程

夏季空氣處理過程如圖1所示。艙內環境空氣(狀態點N)與艙外環境空氣(狀態點W)在空氣處理機組的混合箱中相混合至混合狀態點C，然后經過表冷器冷卻除濕后至送風狀態點O，最后送入艙內。經冷卻除濕后的空氣沿著熱濕比線ε使艙內環境達到設計要求。與夏季空氣處理過程所對應的焓濕圖如圖2所示。

2.3 冬季空氣處理過程

冬季空調艙內空氣處理過程如圖3所示。艙內環境空氣(狀態點N)與艙外環境空氣(狀態點W)在空氣處理機組的混合箱中相混合至混合狀態點C，然后經蒸汽盤管加熱后至送風狀態點O，最后送入艙內。經過加熱后的空氣沿著熱濕比線ε使艙內環境達到設計要求。與冬季空氣處理過程所對應的焓濕圖如圖4所示。

2.4 空調負荷計算

夏季空調負荷主要包括：艙內得熱量(包括傳入熱、人體熱、照明熱、設備熱)、風機熱量、送風管內空氣溫升熱量、回風溫升熱量、新鮮空氣熱量。因此空調總負荷計算公式見式(1)。

W：艙外環境狀態點；N：艙內環境狀態點；C：混合點；O：送風狀態點；ε：熱濕比

圖2 夏季空氣處理過程焓濕圖

P：加熱狀態點

圖4 冬季空氣處理過程焓濕圖

Φ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4+Φ5

(1)

式中：Φ為總熱負荷，W；Φ1為艙內得熱量，W，按照式(2)計算；Φ2為風機熱量，W，按照式(3)計算；Φ3為送風管內空氣溫升熱量，W，溫升控制在2 ℃以內，按照式(4)計算；Φ4為回風溫升熱量，W，溫升控制在2 ℃以內，按照式(5)計算；Φ5為新鮮空氣熱量，W，按照式(6)計算。

Φ1=q+qp+ql+qε

(2)

式中：q為艙內傳入熱量，W，與艙室的結構、材料、朝向、吃水、隔壁艙室的結構等相關；qp為人體發熱量，W；ql為照明熱量，W；qε為艙內設備發熱量，W，根據LNG船建造經驗，主要考慮焊接設備和樹脂設備的發熱量。

(3)

式中：H為風機全壓頭，Pa；V為風機風量，m3/h；η為風機全壓效率；ηm為傳動效率。

Φ3=0.288×1.163×2VS

(4)

式中：VS為送風量，m3/h。

Φ4=0.288×1.163×2VR

(5)

式中：VR為回風量，m3/h。

(6)

式中：a為新風比；V為總風量，m3/h；ρ為空氣密度，ρ=1.2 kg/m3；iW為艙外空氣焓值，kJ/kg；iN為艙內空氣焓值，kJ/kg。

冬季空調負荷包括艙內熱損失和加熱新鮮空氣所需熱量，按照式(7)計算。

(7)

(8)

詳細空調負荷計算結果見表4。該LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調系統夏季空調負荷485 kW，冬季空調負荷300 kW。考慮余量，確定空調制冷裝置制冷量為550 kW，制熱量為330 kW。空調系統的計算風量為62 483 m3/h，考慮余量理論風量確定為65 000 m3/h，其中包含新風量10 000 m3/h，滿足新風比大于10%的要求。

2.5 空調系統冷熱源方案

冬季采暖的熱源選擇船廠提供的0.3 MPa的蒸汽，蒸汽加熱器設計參數見表5。從可靠性和經濟性出發，空調系統的冷源選用螺桿壓縮機組，冷凝器為風冷冷凝方式，蒸發器作為空氣處理機組的表冷器。冷凝器和蒸發器選用銅管鋁翅繞片熱交換器，制冷劑選用R22。表6為冷凝器設計參數，表7為蒸發器設計參數，制冷裝置的性能參數見表8。

2.6 風管系統布置

空調機組放置在液貨艙頂部甲板上方，風管從液穹開口接進艙內。考慮安裝使用和回收方便，送風管采用矩形保溫管，末端使用可調風量的球形風口。1～10層每層設置8個送風口，風量可調，如圖5所示。圖6為安裝平臺第5層的送風管布置圖。圖中，送風管左右兩舷對稱布置，向艙壁送風，以維持人員工作區域以及艙壁附近的溫濕度達到設計要求，其余各層的送風管布置方式類似。回風管采用矩形保溫管，第2、第5、第9層各設置4個回風口，如圖7所示。圖8為回風管布置的縱剖圖。這樣的送回風口布置方式將整個安裝平臺分為3個環境控制區域，即1～2層空間、3～8層空間以及9層以上空間，從而保證溫濕度場的均勻性。

表4 空調負荷匯總表

表5 蒸汽加熱器設計參數

表6 冷凝器設計參數

表7 蒸發器設計參數

表8 空調制冷裝置參數性能表

圖5 進風管布置圖

圖6 第5層進風管布置圖

3 結語

隨著我國船舶行業的發展，大型LNG船的建造需求越來越多，在其建造過程中，控制艙內環境的溫濕度對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船液貨圍護系統安裝平臺空調系統的設計方案，并詳細介紹了冬夏季空氣處理過程、空調負荷的計算、空調制冷裝置的設計以及送回風管的布置方式。

圖7 回風管布置圖

圖8 回風管縱剖圖

本文的研究對于我國船舶企業自主開發大型LNG船液貨圍護系統安裝平臺有借鑒意義，同時對于大型船舶建造及船用空調系統設計中減少系統運行消耗、節約成本、提高效率和質量有參考價值。

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低能耗船舶空調系統關鍵技術集成研究與開發(BY2013066-09)；江蘇省高校優勢學科建設船舶與海洋工程輪機方向。

2015-05-28

孫少哲(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為艦船艙室環境控制；馮國增(1971—)，男，碩士，副教授，研究方向為兩相流理論與技術、船舶制冷與空調等；王慶豐(1976—)，男，副教授，碩士生導師，研究方向為船舶結構設計及強度研究、船舶制造工藝力學；馬哲樹(1973—)，男，博士，教授，碩士生導師，研究方向為船舶柴油機動力裝置性能優化與節能減排技術研究。

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