船舶LNG燃氣供應系統(tǒng)通風設(shè)計

石蘊玉，張金玉，徐 新

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

近年來，隨著全球溫室效應的日益加劇，航運業(yè)帶來的環(huán)境污染問題日漸突出。為了抑制溫室效應，降低環(huán)境污染，新的國際規(guī)范和公約不斷生效，全球航運業(yè)面臨的防污染和排放限制政策愈加嚴厲。LNG作為新型清潔船用燃料，幾乎可以減少100%的硫氧化物、85%～90%的氮氧化物和15%～20%的CO2排放。同時，LNG儲量豐富，價格也比柴油更便宜，因此 LNG作為船用燃料是未來船舶動力的發(fā)展方向。

以 LNG為動力燃料的船舶，其燃氣供應系統(tǒng)是最關(guān)鍵的技術(shù)。因為LNG是易燃易爆的氣體燃料，而對燃氣供應系統(tǒng)進行有效通風是燃料供應安

圖1 L NG與柴油的污染物與CO2排放對比表

全及船舶正常運行的重要保證。本文將以大連中遠海運重工有限公司（以下簡稱：“公司”）建造的28 000 m3LNG運輸船為實例對主機氣體燃料供應系統(tǒng)的通風進行系統(tǒng)性的設(shè)計分析。

1 燃氣供應系統(tǒng)通風設(shè)計目標

對燃氣供應系統(tǒng)進行通風設(shè)計的主要目標是保證LNG燃氣供應雙壁管路內(nèi)管與外管的間隙層形成有效通風防護層。通過持續(xù)不斷的通風以及LNG氣體探頭，使燃氣雙壁管的外層保護管內(nèi)保持相對負壓，并時刻處于監(jiān)控范圍內(nèi)。因此當輸送燃氣的內(nèi)管破裂時，LNG氣體探頭可及時反饋關(guān)斷信號，以切斷 LNG燃氣的供應；同時，雙壁管內(nèi)的負壓可有效防止燃氣泄漏至其所經(jīng)的安全之處，避免造成嚴重事故。

2 燃氣供應系統(tǒng)通風設(shè)計流程

現(xiàn)階段主流燃氣型動力船舶的主機均采用以天然氣和燃油為燃料的雙燃料動力系統(tǒng)，因此燃氣系統(tǒng)的布置大致可分為如下2種情況[1]。

1）本質(zhì)安全機器處所：機器處所的布置應使得機器處所在任何情況下（正常和不正常情況）均處于氣體安全狀態(tài)。

2）ESD防護式機器處所：機器處所的布置使其在正常情況下被認為處于氣體安全狀態(tài)，但在某種異常情況下，可能變?yōu)闅怏w危險區(qū)域。當出現(xiàn)燃料氣體泄漏等異常情況時，非安全設(shè)備（點燃源）/機械應自動關(guān)閉，只允許防爆型設(shè)備/機械運行。

基于上述2種布置情況，對船舶燃氣供應系統(tǒng)的通風設(shè)計（即對所有供氣管路）進行氣密環(huán)圍，例如采用雙壁管路或管道。雙燃料主機 LNG供氣管路應選擇為雙壁管，同時燃料供氣管路經(jīng)過的燃氣閥組系統(tǒng)（Gas Valve Unit，GVU）應為全封閉型，以防 LNG供氣管內(nèi)的氣體泄露進入安全區(qū)域內(nèi)。氣體燃料管應被安裝在通風管或管道內(nèi)，在氣體燃料管和通風管或管道內(nèi)壁之間的空間應用以設(shè)置機械抽風設(shè)備，其排量至少為30次/h[2]；應將通風系統(tǒng)布置成能夠維持其壓力低于大氣壓力的系統(tǒng)，且該雙壁管內(nèi)負壓值應根據(jù)主機及GVU的要求確定。

由于燃氣雙壁管的敷設(shè)路徑長，且雙壁管間的空氣流通截面積遠小于常規(guī)的通風管道，因此燃氣雙壁管通風風機應選擇高靜壓、適當風量的防爆風機。風機電機應置于通風管或管道之外，同時電機應符合安裝區(qū)域的防爆保護要求。通風口應設(shè)置保護屏，而保護屏應布置在無可燃燃氣—空氣混合氣（可能被點燃）的位置。為保證風量平衡，燃氣雙壁管還需設(shè)置透氣管，透氣管頭需位于安全區(qū)域；燃氣雙壁管排風需設(shè)置排氣桅，排氣桅需位于危險區(qū)域且距生活樓至少15 m，如圖2所示。排氣桅處還需設(shè)置防火網(wǎng)。同時，燃氣雙壁管的排氣管道還需設(shè)置止回閥與截止閥。

圖2 燃氣雙壁管排氣桅

對于采用機械抽風的系統(tǒng)而言，抽風機每根進風管的風口均應根據(jù)氣體燃料可能聚集的區(qū)域進行布置。如若以天然氣為燃料，其進風口一般應布置在艙室上部；如若以液化石油氣為燃料，則其進風口一般應布置在艙室下部。

3 燃氣供應系統(tǒng)通風計算及風機設(shè)備選型

在整個燃氣供應系統(tǒng)的設(shè)計過程中，雙壁管內(nèi)部的通風計算尤其是雙壁管路內(nèi)部的通風壓降計算是整個設(shè)計的重要組成部分。由于通風氣流在雙壁管的內(nèi)管與外管間的間隙層中流動，因此壓降損失計算將按照同心圓柱環(huán)形間隙流動這一物理模型進行考量計算，如圖3所示。

圖3 燃氣雙壁管

雙壁管直管段部分壓降計算可采用式(1)。

式中：ΔP為雙壁管直管路壓降，Pa；qv為雙壁管內(nèi)通風流量，此流量值根據(jù)雙壁管內(nèi)部間隙容積按照30/h的最小換氣次數(shù)求得，m3/h；L為雙壁管直管段長度，m；μ為壓強101.325 kPa、溫度為35℃的條件下空氣的動力黏度值≈1.86×10?5mPa·s；d為雙壁管內(nèi)管（即LNG燃氣管）外徑，m；h為雙壁管外觀內(nèi)壁至內(nèi)管外壁的垂向最小距離，m。

燃氣供應管路的彎頭及其他相關(guān)附件的壓降值可參考常量系數(shù)進行預估。整個雙壁管系統(tǒng)的壓降損失為雙壁管/非雙壁管直管段、彎管、附件及GVU負壓值的總和。其中，GVU及直管段這2部分貢獻絕大部分的壓降值。目前，我們已建的 28 000 m3LNG船中對GVU要求負壓2 000 Pa，考慮到管路中的壓力損失，本文選型的風機靜壓為3 000 Pa。

在整個雙壁管燃氣通風的風量和靜壓確認之后，著手對風機進行選型。根據(jù)中國船級社《氣體燃料動力船檢驗指南》中對無火花風機要求危險處所使用的風機風扇和通風導管（僅指風扇處）應為如下規(guī)定的非火花結(jié)構(gòu)：

1）非金屬結(jié)構(gòu)的葉輪或機殼，對消除靜電應予以適當注意；

2）有色金屬材料的葉輪和機殼；

3）奧氏體不銹鋼葉輪和機殼；

4）鐵質(zhì)葉輪和機殼，其設(shè)計的葉梢間隙不小于13 mm。

5）對于鋁合金或鎂合金的固定或旋轉(zhuǎn)部件與鐵質(zhì)的固定或旋轉(zhuǎn)部件的任何組合，不論其葉梢間隙多大，均認為有產(chǎn)生火花的危險，故不能用于氣體危險處所。

考慮規(guī)范中要求的主機在采用燃氣工況時燃氣雙壁管內(nèi)的通風連續(xù)性，對通風系統(tǒng)按照 2×100%設(shè)置風機以保證當1臺風機故障停止運行之后，另1臺風機可以保證系統(tǒng)的連續(xù)工作。

綜上所述，公司已建的28 000 m3LNG運輸船燃氣雙壁管通風系統(tǒng)配備的通風機為：2臺風量200 m3/h、靜壓3 000 Pa的防爆無火花離心風機。

4 燃氣供應通風系統(tǒng)控制與報警

在考慮LNG氣體燃料易燃易爆性的基礎(chǔ)上，為確保動力系統(tǒng)運行的安全，對燃氣供應雙壁管系通風系統(tǒng)的控制設(shè)計和報警點設(shè)置也尤為重要。

鑒于主機使用LNG燃料時，雙壁管的通風不允許停止，進而需要風機電動機的供電系統(tǒng)對主配電板和應急配電板均設(shè)獨立線路進行供電（見圖4）。由主配電板或應急配電板設(shè)公用線路進行供電，其中1組風機失效時，通風能力降低不應超過50%。

圖4 28 000 m3LNG運輸船的燃氣雙壁管通風系統(tǒng)

當管路內(nèi)有氣體燃料（即發(fā)動機處于燃氣模式）時，通風系統(tǒng)應能始終保持運轉(zhuǎn)，所以在燃料供應的通風系統(tǒng)管路上設(shè)置氣體流量計和壓力計。當排風系統(tǒng)不能產(chǎn)生和維持所需的空氣流量時，氣體燃料總閥將自動關(guān)閉；當通風系統(tǒng)失效時，在值班位置必須有相應的報警和顯示。

燃氣供應的通風系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有連續(xù) LNG氣體探測裝置以監(jiān)測氣體燃料的泄漏情況。當出現(xiàn) LNG泄漏情況時，在切斷向機器處供應氣體燃料的同時，向內(nèi)外管之間自動充灌氮氣，則通風能力可減少至每小時換氣10次[3]。

5 結(jié)論

雖然目前船東可以通過燃燒低硫燃油或在船上安裝脫硫裝置這2種方式，達到國際組織的排放要求，但隨著國際組織對海洋船舶有害物質(zhì)排放要求的日益嚴格，環(huán)境監(jiān)管部門對船舶硫化物等的排放監(jiān)管力度勢必加大。可以預見，LNG作為一種綠色環(huán)保的船舶燃料將有很大的應用潛力。

本文以實際建造的28 000 m3LNG運輸船為例，系統(tǒng)地描述了燃氣供應系統(tǒng)的通風設(shè)計，希望為今后類似的LNG動力船舶燃氣系統(tǒng)的通風設(shè)計提供借鑒參考。