LNG雙燃料船GVU房間通風系統設計

王 磊，竇 旭，井雷雷，范中彪

（滬東中華造船（集團）有限公司LNG技術研究所，上海 200129）

0 引 言

近年來，隨著天然氣燃料在工業領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雙燃料船逐漸發展成了熱門船型。船級社等規范制定部門為保證該類型船的設計標準化、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、穩定的負壓狀態和及時的泄漏報警，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造和設備規則》（IGC Code）均要求其必須達到每小時30 次的換氣次數；同時，要求其在船舶運行期間始終保持負壓狀態，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的空氣流場和泄漏燃氣擴散趨勢之后再確定，保證發生燃氣泄漏事故之后能及時觸發報警。

GVU房間高效的換氣次數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的壓力損失發生變化。因此，在設計LNG雙燃料船GVU房間時，首要任務是選定滿足規范要求的GVU風機型號和GVU房間進風口尺寸。

1 研究方法

1.1 GVU房間通風設計

LNG雙燃料船GVU房間的排風系統原理簡圖見圖1。

結合圖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 換氣次數要求

該船GVU房間的容積約為450 m，根據每小時至少30 次的換氣要求確定GVU 風機的最小風量為13 500 m/h。考慮測量誤差和其他不可控因素的影響，為確保換氣次數充足，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。結合前文對每小時30 次換氣次數要求的分析，GVU 風機風量最低需要13 500 m/h。此外，根據廠家的推薦，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。

圖2 GVU風機特性曲線

結合船級社對換氣次數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。

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 房間內部能保持絕對壓力小于-40 Pa。考慮到房間內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的壓力損失產生不同的影響。

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 種設計風量，根據廠家提供的特性曲線確定這3種風量下風機的設計總壓和靜壓；

2）建立GVU房間三維模型，計算各設計風量下的室內空氣流場，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關系，進而得到各設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計風量之間的函數關系；

3）建立風機排風管路模型，計算各設計風量下的排風管路壓力損失-（為0），根據-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計總壓和靜壓的差值，擬合出該差值與設計風量之間的函數關系；

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

2 研究過程

2.1 GVU房間內部流場分析

2.1.1 流場模型

結合實船三維模型資料建立與實際GVU房間（包含內部設備和管路）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房間內部流場模型。

在流體分析軟件中進行高質量的網格劃分。將完成網格劃分的流場模型（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）為得到穩定的室內流場情況，采用穩態求解分析法；

3）設置重力加速度為9.81 kg/s；

4）選取SSTω湍流模型；

5）根據均勻設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計風量和房間進風口流通面積輸入邊界參數；

6）設置房間內部不同高度（1 m、2 m、3 m、4 m和5 m）的平均壓力監測面；

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進行數值離散，為保證求解精度，關閉能量方程，將連續方程的殘差收斂標準設為1 ×10。

2.1.3 數據后處理

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

以上述案例中的1 組案例為例，計算結果達到收斂標準之后，得到GVU房間內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房間內部空氣流速分布云圖

根據輸出的數據，GVU房間內部靜壓在-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果整合到一起。根據整合的數據擬合出不同設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 不同設計風量下房間負壓與進風口凈流通面積的關系

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

表1 設計風量和進風口流通面積選取的參考數據整合結果

由表1 可知，隨著設計風量的增加，-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計風量之間的擬合回歸曲線和函數關系式，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之一。

2.2 風機排風管路分析

與GVU房間內部流場分析相似，建立實船風機排風管路內部三維流場模型并完成網格劃分。相關分析前處理與GVU房間內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 種設計風量下的風機排風管路實際參數即可。另外，設置管路進口和出口為靜壓監測面，便于計算結束之后得到排風管路壓力損失情況。

對不同設計風量下的風機排風管路內部流場進行模擬分析，得到排風管路內部流場分布。根據計算結果統計不同設計風量下的排風管路壓力損失，結果見表2。

表2 不同設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

由于在最大設計風量20 400 m/h下，滿足規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的數據。另外，觀察GVU房間內部流場已分析數據，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據進行總壓和靜壓分析。

2.3.1 流體動壓分析

各設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2.3.2 節中的計算方法，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計風量之間的關系曲線和函數關系式，其中關系曲線見圖5。

圖5 風機總壓余量與設計風量之間的關系曲線

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

由表1 可知，隨著房間進風口流通面積的增大，風機總壓臨界設計風量也逐漸增大。同時，可得到風機總壓臨界設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關系式，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。

2.3.2 .2 靜壓余量分析

根據2.3.2 節中的計算方法，計算擬合得到不同進風口流通面積下風機靜壓余量與設計風量之間的關系曲線和函數關系式，其中關系曲線見圖6。

圖6 風機靜壓余量與設計風量之間的關系曲線

由于風機靜壓余量同樣必須大于零，根據函數關系式可計算出風機靜壓余量剛好等于零時的臨界設計風量，如表1 所示。

由表1 可知，隨著房間進風口流通面積的增大，風機靜壓臨界設計風量逐漸增大。同時，可得到風機靜壓臨界設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關系式，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。

3 研究數據分析

整合整個研究過程中作為參考依據的3 組數據，結果如表1 所示。

以風機設計風量為因變量，以GVU房間進風口流通面積為自變量，根據以上數據擬合出的3 條曲線和函數關系式見圖7。

結合這3 條曲線綜合分析：

1）在一定設計風量下，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計風量需在臨界設計風量以下，故可選區域在臨界設計風量曲線以下。同時，考慮每小時至少30 次換氣次數和增加10%余量，設計風量需控制在14 850 m/h以上。

綜上所述，GVU風機設計風量和房間進風口流通面積的選取點需在圖7 中的陰影區域內。參照該圖，可在一定設計風量下選擇適當的房間進風口流通面積，也可根據實船GVU 房間進風口已確定的流通面積選擇合理的風機設計風量。

圖7 設計風量與GVU房間進風口流通面積的關系曲線

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

例如，當GVU風機設計風量選定為18 000 m/h時，按圖7 中的陰影區域確定進風口流通面積需控制在0.2 ～0.56 m范圍內。同時，根據擬合出的函數關系式，得到總壓余量、靜壓余量等于零的設計風量最大值為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域內，且臨界設計風量高出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，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，按陰影區域確定風機的設計風量需控制在14 850 ～18 854 m/h范圍內。同時，由擬合曲線可知，風機總壓和靜壓余量隨著風機設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，風機設計風量需控制在14 850 ～18 854 m3/h范圍內，并盡量靠近14 850 m/h。

4 結 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范的要求等后果，有效提高船舶設計的效率，保證設計參數的可靠性。

此外，在該研究的基礎上，可進一步分析不同雙燃料船、不同GVU房間布置對計算結果的影響，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系，以便提高其他雙燃料船型GVU房間設計的效率，避免多次重復分析。