20萬t級雙燃料散貨船水霧系統設計

莊士超，李欣，王怡，周熲

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

隨著在遠洋船舶中雙燃料動力船的增多，天然氣的泄漏和著火引起的火災事故逐漸引起航運界的重視。LNG作為低溫燃料，一旦泄露會迅速汽化形成白煙并與周圍空氣混合后發生爆炸[1]。在遠洋船舶上的LNG儲存艙體積大，一旦發生著火或者爆炸會對船舶和船上人員造成嚴重的損傷。所以，如何在大型遠洋船舶上針對LNG供氣系統進行有效的消防保護，是關乎船舶與人員安全的重要問題。

按照規范要求，遠洋船舶一般都會配備相應的消防系統作為保證船舶在海上安全航行的關鍵保障之一。LNG相關區域或部位的消防系統有水霧系統、CO2滅火系統和干粉滅火系統。各系統具有各自的特點適用于不同的火情，設計時應根據船舶的具體情況采用有效的滅火形式[2]。雙燃料LNG相關區域固定滅火系統應按《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》(以下簡稱《IGF CODE》)的要求配備，具體要求見表1。

在LNG相關區域和部位中，水霧系統的應用范圍遠大于干粉滅火系統和CO2滅火系統[3]。水霧系統由消防泵或水霧泵將海水由消防總管輸送至各支管段，再由布置在支管段上的噴嘴將海水以小顆粒的水霧狀噴射至限界面，在起到消防滅火的作用的同時，還能夠冷卻燃料艙，便于LNG的低溫保存，降低燃爆幾率。沿燃料艙下流的消防水還能夠降低燃料艙及鞍座的溫度傳導梯度，對船體等有一定的保護作用[4]。相對于干粉滅火系統和CO2滅火系統的單一結構、功能和應用場景，水霧系統的設計需要考慮與常規水滅火系統的匹配，消防和冷卻兩類功能的實現，以及大范圍、多場景的應用等。

表1 LNG相關區域固定滅火系統的配置

以20萬t雙燃料散貨船為對象，進行IMO Type-C LNG燃料艙的水霧系統的設計。

1 水霧系統的覆蓋區域

20萬t級雙燃料散貨船LNG燃料艙采用IMO Type-C 燃料艙，全長約30 m，直徑約12 m，沿船艏方向，布置于主甲板左右兩舷側上，LNG燃料艙及周圍的布置見圖1。

圖1 LNG燃料艙及周圍的布置圖

根據《IGFCODE》規定，燃料艙位于開敞甲板上時，水霧系統還應覆蓋面向燃料艙的上層建筑、壓縮機室、泵室、貨物控制室、加注控制室、加注站，以及其他甲板室的限界面，限界面距離與罐子在10 m范圍以內[5]。如圖1所示，針對20萬t雙燃料散貨船，除2個IMO Type-C 燃料艙艙頂之外，還包括面向LNG燃料艙的從E甲板到主甲板的中心公共區域和居住區域的側壁，主甲板上的救生艇區域和人行走道的側壁。根據本船的實際布置，中心公共區域內需要布置水霧系統的區域有：燃氣處理間及機艙棚側壁，CO2間及房間側壁，以及發電機室頂棚。為了使水霧對限界面的防護達到良好的效果，要求噴淋出的水霧要能夠完全覆蓋限界面。而這一點與所采用噴嘴的噴淋面積和布置方式有關。在20萬t級雙燃料散貨船中，對于艙頂噴嘴采用向上垂直噴射后形成水霧保護艙頂的形式，而對于艙室側壁則采用水平噴射形成水簾的形式保護艙室側壁。

噴嘴垂直向上噴射時，水霧在下方水平限界面上可以形成的最大噴淋直徑。其中，左圖表示當噴嘴距離限界面安裝高度不低于0.9 m時，水霧的噴淋直徑可達4.4 m，右圖表示當噴嘴距離限界面高度不低于1.2 m時，噴淋直徑可達6 m。圖3表示噴嘴水平噴射垂直的限界面時，在限界面上所能形成的最大噴淋直徑為3 m。

圖2 噴嘴垂直噴射時水平限界面上的水霧直徑

圖3 噴嘴水平噴射時限界面上的水霧直徑

噴嘴型號及相應參數見表2。單個噴嘴流量按照下式進行估算[6]。

(1)

式中：Q為在p值的水壓下噴嘴的水流量，L/min；K為噴嘴系數，為噴嘴的固有因子；p為噴嘴工作壓力，MPa。

表2 20萬t級雙燃料散貨船水霧系統所用噴嘴的參數

噴嘴的安裝高度要根據實際的安裝空間確定，同時噴嘴數量和規格的選用也要考慮到船用疏水泵組的功率。針對該散貨船，在滿足水噴淋范圍全面覆蓋到所有限界面的情況下，為實現噴嘴數量和水噴淋排量最小化，結合廠家經驗，對于水平限界面上的噴嘴采用6 m的安裝高度，而對于垂直的限界面，噴嘴距離限界面3 m左右。各個區域的面積及噴嘴數量見表3。

燃料艙艙頂、救生艇區域和走道的水噴淋管路及噴嘴布置見圖3。

根據中心上建區域剖面所展開的中心公共區域側壁的噴淋管路及噴嘴布置見圖4。

如圖4所示，水霧系統的噴嘴所噴淋出的水霧覆蓋了所有的限界面，達到了對限界面消防保護的效果。

表3 各區域噴嘴距離、型式與方向設計

圖4 水噴淋消防布置

圖5 各個側壁噴淋管路及噴嘴布置

2 水霧系統排量計算

根據《IGF CODE》規定，水霧不僅要覆蓋表3中的4個區域，且對于水平噴射表面，其噴射率為10 L/(min·m3)，對于垂直噴射表面，其噴射率為4 L/(min·m3)。根據規范要求，4個區域所需要的水霧噴淋量可按下式計算。

(2)

水噴淋系統的設計除了滿足噴淋的水霧能夠覆蓋所有限界面之外，還需滿足規范對于不同區域的水量要求。因此，需要對所設計的水霧系統的不同區域內水霧噴淋量進行計算。

(3)

由以上兩式計算出按規范要求的各個區域的水量以及設計的水霧系統在各個區域的噴淋水量，結果見表4。

表4 區域的規范要求與設計的水霧排量對比 L/min

由表4可知，針對20萬t級雙燃料散貨船設計的水霧系統滿足規范對限界面噴淋水量的要求，由各個區域的噴淋水量可計算限界面水霧系統的總排量為929.76。

3 水霧泵規格確定

對于水霧泵的選擇不僅需要考慮水霧系統的實際布置特征和水量，還需要結合船舶已有的消防泵[7]。20萬t級雙燃料散貨船的整個消防用水由1臺水霧泵和2臺消防總用泵供給，以滿足水霧系統和常規的滅火系統所需要的水量。其中，2臺消防總用泵的排量為150 m3/h。由于該船2個IMO Type-C LNG燃料艙分別布置于主甲板左右舷側，在同一時間內，兩側同時失火的概率極低。在消防控制站內水霧總管的布局見圖6。

圖6 消防控制站內水霧總管原理圖

2根水霧總管分別由2個獨立的遙控蝶閥控制。一般情況下，2個遙控蝶閥都處在關閉狀態，但當在船舷一側發生火情時，負責該舷側的遙控蝶閥開啟，將來自消防總管的給水輸送至發送火情的區域。

所以，LNG相關區域水霧系統的水量只需要計算單側燃料艙及其周圍限界面所需要的最大水量。此外，在油漆間、垃圾房等依然區域需要加裝水霧噴嘴，其總用水量為15 L/min。所以，實際水霧系統的用水量為488.46 m3/h。

根據《IGF CODE》要求，消防泵的總排量需要同時滿足操作所需數目的消火栓、消防軟管及水霧系統。SOLAS要求，消火栓的數量和位置應至少使兩股不是有同一消火栓噴出的水柱可射至船舶航行時乘客或船員通?？梢缘竭_的任何部分。對于20萬t級雙燃料散貨船而言，當消火栓的水量達到50 m3/h時可滿足規范要求。則水霧泵的水量為238.46 m3/h。

考慮到噴嘴的工作壓力，本船實際所選用的水霧泵的規格為250 m3/h，壓力為1.2 MPa，滿足規范和設計要求。

4 結論

1)根據規范要求劃分需要水霧系統保護的處所。

2)判斷水霧系統保護區域的范圍，確保其應能覆蓋規范要求的限界面，然后確定噴嘴的型號、數量和布置位置。

3)根據1)和2)計算水霧系統所需要的總流量。

4)結合船舶原有的消防泵以及船舶燃料艙布置的實際情況(對稱布置下僅考慮單艙失火)計算水霧系統的水量，并選取負荷噴嘴工作壓力的水霧消防泵型號。

20萬t級雙燃料散貨船水霧系統設計的一般方法和步驟不僅適用于該類船型，也可為其他的大型遠洋雙燃料動力船舶的水霧系統設計提供參考。