化學品船貨艙冷卻系統研究

劉海天，李佳娜，葉 兵

（中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧 大連 116001）

化學品船貨艙冷卻系統研究

劉海天，李佳娜，葉 兵

（中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧 大連 116001）

運輸一些低沸點和半氣態的貨品會對化學品船的設計建造產生重大影響，冷卻貨艙是一種有效的手段。本文從公約規范角度入手，對貨品物理性質及設備現狀進行了分析，闡述了貨艙冷卻系統設計的特殊要求及解決方法。

化學品船；低沸點貨物；貨艙冷卻；制冷機組

0 引言

化學品船作為高技術船舶，在其設計初期就需要對擬裝運貨物的性質進行全面研究，如易燃性、毒性、腐蝕性及對環境的污染等。貨品的物理性質同樣需要重點考慮，常規化學品船裝載的貨品在大氣環境狀態下為液態，故多數化學品船貨艙的設計壓力為0.025 MPa。對于低沸點或半氣態的貨品，規范定義為在環境溫度下絕對蒸氣壓力超過大氣壓的貨品，則要求相應貨艙有更高的設計壓力。根據IBC CODE，貨艙高壓力的替代方案為在船舶運輸過程中對貨品進行冷卻[1]。

目前國內尚未建造過貨艙具備冷卻功能的化學品船，本文將根據規范公約、貨品性質對化學品船的冷卻系統進行研究，以解決貨艙冷卻系統對船舶設計所帶來的問題，從而提出一套解決方案，為未來相應船舶的建造做好技術準備。

1 化學品船規范規則及需考慮的主要貨品種類

1.1 規范規則

1）《國際散裝運輸危險化學品船舶結構和設備規范》(IBC CODE)[1]。

根據IBC CODE第1章1.1.2：“本規則所包括的液體是指那些在溫度為37.8℃時，其蒸氣壓力不超過0.28MPa絕對壓力的液體?！惫时疚乃接懙呢浧贩秶鸀樵?7.8℃時其絕對蒸氣壓力超過0.1013MPa低于0.28MPa的貨物。

該規則第7章貨物溫度控制相關要求對貨物加熱及冷卻提出了總則性的要求。第17章最低要求一覽表列出了裝載每種貨物對化學品船配備的最低要求，相應低沸點貨品需滿足對應具體章節所描述的特殊要求。

2）船級社規范

每個船級社都有各自的化學品船規范，其主要內容與IBC CODE一致，同時提出了許多其他細節要求，如環境條件及設備數量的限定等。故在進行系統設計時需要針對船舶所對應的船級社規范進行研究，以滿足相應要求。

1.2 需考慮的主要貨品種類

IBC CODE 15.14明確了在37.8℃時其絕對蒸氣壓力超過0.1013MPa的貨物冷卻要求，故IBC CODE第17章最低要求一覽表第o欄中若存在15.14相關描述，則需要確認此貨品是否存在冷卻要求，共計15種貨品[1]。表1中所列的幾種化學品為產量及運輸規模較大的貨品。

表1 常見低沸點化學品

IBC CODE第17章中個別貨品名稱為某類化學品的總稱，如表1中提到的戊烷(所有異構體)就包含了多種化學品。每種化學品具有各自的物化性能，所以需要設計方與船東及時明確擬裝載的化學品，以便做出相應的方案。

對于某些在 37.8℃時其絕對蒸氣壓力未超過0.1013MPa 的貨物，船東可能會出于安全考慮對一些低閃點或低沸點的貨品提出冷卻要求。例如正丙烯酸丁酯Butyl acrylates，雖然并未達到規范所要求的蒸汽壓力，但由于其較低的閃點，也可能存在冷卻的需求。

除了IBC CODE中的貨品，某些易揮發的油類也需要進行冷卻，這類主要是部分低沸點的石腦油。

2 液貨冷卻系統

2.1 液貨冷卻系統類型

化學品船的液貨艙冷卻形式主要分為艙外冷卻(圖1)及艙內冷卻(圖2)。艙外冷卻即通過貨油泵將貨品從貨艙內排出至甲板上的換熱器，經該換熱器冷卻后注入艙內。艙內冷卻即通過循環泵將制冷介質駁運至艙內的換熱器使貨艙保持低溫。

圖1 艙外冷卻系統原理

圖2 艙內冷卻系統原理

艙外冷卻的優點是安裝方便、設備相對便宜、初期成本較低，但在艙外冷卻過程中，貨油泵需參與運行，操作相對復雜。同時出于安全考慮，船東不希望某些貨品如環氧丙烷和異戊二烯在液貨艙以外進行循環。故目前多數具有冷卻系統的化學品船都采用艙內冷卻。本文也主要對艙內冷卻系統進行研究。

冷卻系統甲板上管路應當包絕緣，設置相關閥門，以便隔斷每個液貨艙的冷卻系統并可以用人工調節流量。冷卻系統應配備設施，確保在任何情況下(系統排空者除外)均能使系統的壓力高于液貨艙內貨物作用于該系統的最大壓力[1]。

2.2 液貨冷卻系統配置

進行液貨冷卻系統的換熱量計算，首先應當確定該貨艙需要保持的溫度，該溫度應當低于基準溫度?；鶞蕼囟认抵肛浳镎魵鈮毫εc壓力釋放閥的設定壓力相當時的溫度[1]。本文研究的貨艙是未進行結構強度特殊考慮的化學品船，貨艙的設計壓力為0.025MPa，壓力釋放閥的設定值為0.02MPa。對于不同的貨品，應查找其在絕對飽和蒸汽壓力為0.121MPa(即0.02MPa+0.101MPa)時的溫度，貨艙的設計溫度應當低于該溫度。然后根據環境條件、貨艙容量等計算熱量傳遞得出換熱器的容量，最后進行相應制冷機組的選型設計。

由于冷卻系統應能在任何情況下保持艙內的液體溫度低于基準溫度，故至少應配備能根據液貨艙內的溫度變化進行自動調節的2整套制冷裝置。每套裝置應配有完整的正常作業所必需的輔助設備，其控制系統應能進行人工操作，應設有報警器，用于指出溫度控制的故障。故制冷機組及冷卻器均應設置獨立的兩套，每套具有100%的容量。作為替代布置是設3套冷卻裝置，它們中任何2套應能足以保持液體溫度低于基準溫度。如果冷卻介質只有一種，根據規范，甲板上的冷卻介質管路不需要兩套[1]。

同時需要注意，如本文1.2描述，如果該冷卻系統不是規范強制要求，而是船東自愿安裝，則不需要滿足備用要求。

2.3 制冷機組及冷卻介質選擇

1）制冷機組

根據IBC CODE 7.1.6分析，貨艙冷卻系統應獨立于船上其他用途系統，而且不進入機器處所[1]。故需要為貨艙冷卻系統設置單獨的制冷機組?？紤]到系統的穩定性及較大的制冷量，采用冷水機組方式進行冷卻。冷水機組的主要組成部分有蒸發器，壓縮機，冷凝器、制冷介質循環泵、儲存柜及膨脹柜等[2](參見圖1、2)。

制冷機組應當安裝在安全區域，故可在上層建筑區域設置單獨的房間作為貨艙冷卻機組室。

2）冷卻介質的選擇

關于制冷介質的選擇，需要注意以下幾點：a）不能與貨物發生反應；b）凍結溫度低于工作溫度；c）比熱容應足夠大；d）不易對管路產生腐蝕[3]。

故冷卻介質的選擇應當考慮所冷卻的貨物種類，較多采用的冷卻介質為水與乙二醇的混合液。

2.4 冷卻器的構造、布置及存放

1）冷卻器的構造

由于冷卻器安裝在艙內，考慮到化學品的高腐蝕性[4]，多采用AISI 316L材質。圖3為廠家FRAMO的浸沒式冷卻器，主要組成部分為頂板、管集及底部循環單元。冷卻介質通過位于頂板的接管進入冷卻管集，管集為熱量交換的主要部件，經換熱后從頂板排出循環至制冷機組。底部循環單元包含一個較小的透平裝置，冷卻介質除了冷卻功能，同時推動透平運轉以帶動貨品艙內循環，保證冷量的均勻傳遞。

圖3 艙內冷卻器

2）冷卻器的布置

由于冷卻器中部及底部需要設置支撐與貨艙側壁固定，故冷卻器均應靠艙壁安裝。冷卻器在艙內的布置應使冷卻器相互之間的距離盡可能遠，最大可能保證貨艙內溫度均勻。

3）冷卻器的存放

冷卻器可以永久安裝在貨艙內，但考慮到冷卻器構造較為復雜不利于洗艙，在不用此冷卻器時可考慮將其移出貨艙存放。故作如下設計：a）冷卻器與甲板上的冷卻介質管路之間采用軟管連接，方便冷卻器拆除；b）貨艙主甲板上設置單獨的房間用于冷卻器的存放；c）貨油軟管吊盡量覆蓋冷卻器布置區域及存放房間，以便于冷卻器的吊裝。由此可將需要冷卻的貨艙及冷卻器存放空間設置在軟管吊附近。

3 案例分析

化學品船貨艙冷卻系統較為復雜，為便于理解，下面舉一個例子，以某船廠2009年建造的25000dwt II類化學品船作為研究對象，考慮一對貨艙裝載環氧丙烷帶來的影響。

為方便冷卻器的吊裝，將貨油軟管吊覆蓋的 4號貨艙(P&S)作為需冷卻的貨油艙，冷卻器不用時的存放間也布置在貨油軟管吊覆蓋區域，在上建主甲板設置單獨房間布置冷水機組。具體布置參見圖4。

圖4 主要設備布置

關于貨品的基準溫度，即貨物蒸氣壓力與壓力釋放閥的設定壓力值相當時的溫度，可查詢相應的化工手冊。但由于化學品種類較多，飽和蒸汽壓力隨溫度的變化性很大，不便于內插，故多數情況下可采用安托尼(Antoine)方程進行計算[5]：。

式中，P為飽和蒸汽壓力，mmHg，T為溫度，℃。A、B、C為物質的自有關聯系數。環氧丙烷的安托尼常數：A=7.06492、B=1113.6、C=232。

經計算，飽和蒸汽壓力為0.121MPa時的溫度為39.1℃，此溫度即為基準溫度。但此溫度只是一個初步的數據，在此溫度下，該艙的壓力調節閥正處于臨界開啟狀態。由于貨艙設置壓力傳感器及高壓報警，報警值為表壓力0.018MPa，正常狀態下此報警值不應被觸發。同時考慮到熱量傳遞的不均勻，為保證一定的安全性，把貨艙的保持溫度設定為25℃。根據MSDS查詢，此溫度下環氧丙烷的飽和蒸汽壓力為0.07586MPa，遠低于壓力釋放閥的開啟壓力。

對于單個貨艙的熱傳導計算，假設其相鄰艙為空艙，溫度為35℃。CCS規范對環境條件有明確的描述，海水溫度32℃，空氣溫度45℃[1]。根據以上條件及貨艙尺寸即可算出每個貨艙的吸熱量約為252kW。根據換熱量及規范對于冷卻系統備用性的要求，每個貨艙設置4臺冷卻器(其中1臺備用)，每臺冷卻器的容量為90kW。冷卻器在艙中的布置可參見圖5。

制冷機組的選型設計基于兩個貨艙同時冷卻，故設置兩臺并聯的制冷量為560kW的冷水機組，一臺工作，另一臺備用。冷卻介質采用水與乙二醇的混合液，進出冷卻器的溫度為～3℃/5℃。由于冷卻介質同時推進冷卻器底部透平裝置，為減少設備磨損，在管路中設置濾器，濾器及循環泵設置兩套，其中一套備用。

圖5 案例船型貨艙冷卻器布置

4 結語

本文通過對IBC CODE貨品清單中低沸點和半氣態貨品性質及貨艙冷卻相關規范研究，總結了貨艙冷卻系統對化學品船設計的特殊要求，結合設備廠家技術，提出了可行的解決方法，這對于未來具有貨艙冷卻功能化學品船的建造具有指導作用。

[1]中國船級社.國際散裝運輸危險化學品船舶構造和設備規范,2009

[2]沈維道,蔣智敏,童鈞耕.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社,2002

[3]中國船舶工業集團公司,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(第3版)輪機分冊[M].北京:國防工業出版社,2013

[4]Frank Mohn AS.Installation of submerged heat exchanger[M].Framo mounting instruction,2008.

[5]馬沛生.化工熱力學(通用型)[M].北京:化學工業出版社,2005.

Study on Cargo Cooling System of Chemical Tanker

LIU Hai-tian,LI Jia-na,YE Bing
(China Ship Design & Research Center Co.,Ltd.,Dalian 116001,China)

The transportation of low-boiling-point cargoes and semi-gases has a great impact on the chemical tanker design and construction.Cargo cooling system is an effective approach.Based on regulations and rules,the chemical cargo physical property and equipment current situation were analyzed.Finally,an example was provided to illustrate the requirements and solutions for cargo cooling system design.

chemical tanker; low-boiling-point cargo; cargo cooling; refrigerating unit

U674.13+3.2

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.003

劉海天（1983-），男，工程師，從事船舶輪機管系設計及研究工作。