LNG燃氣雙壁管抽風機選型及計算驗證

秦 俊 孟 寧 楊 帆

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2. 92569部隊 三亞572000）

引 言

近年來，為了減少對海洋排放的污染，國際海事組織（IMO）已經規定在2020年全球海域將燃油的含硫量上限設為0.5%；而一些特定的排放控制區，含硫量的標準則定位0.1%之內。因此，面對這些日益嚴苛的排放規定，LNG燃料作為可代替燃油的綠色清潔能源，在船舶領域中異軍突起，迅速成為船東們的首選項。然而LNG帶來的不只是清潔能源這個優勢，同時也對動力系統安全性帶來了嚴峻的考驗。LNG船舶的高安全性要求對LNG燃氣系統的通風系統設計也提出了更高要求。

本文將著重對雙壁管抽風機如何適當選型進行說明，為以后可能遇到的設計預先準備。

1 LNG燃料的特點

LNG是一種可代替清潔能源，相較于傳統的燃油有著天然的優勢，與其他氣體燃料相比，也有無法比擬的優勢。

（1）環保性

LNG是一種綠色環保潔凈能源，幾乎不含硫、粉塵等其他有害物質。燃燒時產生的CO少于其他化石燃料，對GHG（溫室氣體）效應的危害小，可以從源頭幫助解決環境污染問題。

（2）經濟性

由于目前原油價格的不穩定性，柴油目前的價格在4 000元/t左右上下浮動。而LNG則是2 700元/t 左右。雖然LNG的燃燒效率不如船用燃油那么高，但是從目前市場來看，LNG的價格還是有不少優勢。

（3）安全性

相較于其他氣體燃料來說，LNG易散發、比重輕于空氣，不容易積聚成爆炸集體，也不會污染水體。LNG燃點在650℃以上，較柴油燃點更高；同時，LNG的爆炸濃度低于LPG的1.5%～9.5%（LNG為5%～15%），不易瞬間爆炸，故更為安全。

2 LNG系統通風的必要性

一般情況下，LNG燃氣系統可以由燃氣加注站、燃氣儲存罐、燃氣氣化單元、燃氣輸送管道、燃氣閥組、燃氣用戶、惰氣單元、通風系統和燃氣探測等組成。各功能單元相互組合后形成一個復雜的燃氣供給系統。圖1為一個簡化版的LNG燃氣供給系統圖?？梢钥闯?，整個燃氣系統自儲存罐開始至燃氣用戶需要經過數個不同的區域。

圖1 典型雙燃料LNG船燃氣系統示意圖

其中，機艙內是一個相對密閉的處所，若發生燃氣泄漏，則會導致燃氣大量聚集有爆炸隱患。

因此，燃氣泄漏的檢測以及燃氣泄漏后的迅速排除對于整船安全是一個至關重要的步驟。一般情況下，船上的燃氣管道會采用雙壁管的形式，將意外泄露的燃氣包裹在內管與外管之間，減少其對管外區域安全的影響。而雙壁管夾層中的燃氣需要使用風機將其抽離至船上事先劃分的安全區域進行應急排放，使雙壁管內部處于負壓狀態，對于該抽風機的選型具有一定要求。

此外，根據IGC CODE 的第16.3 章規定：氣體燃料管應被安裝在通風管或管道內，在氣體燃料管和通風管或管道內壁之間的空間，應設置機械抽風設備，其排量至少為每小時30次；與此同時，通風系統最好需要將雙臂管內壓力維持在低于大氣壓力的狀態下。本文所述通風系統為燃氣管的雙壁管設置了抽氣風機，并推薦了計算方法，以滿足每小時30 次的通風要求。

圖2 雙壁管管示例

3 雙壁管通風系統風機選型的計算方法

正確選擇風機是保證整個通風系統良好工作的一個重要步驟，而正確地選擇風機則需要對整個通風系統所需風量以及靜壓進行估算。每臺風機都有著不同的風量及靜壓，因此預估一個通風系統的沿程阻力以及所需風量至關重要。而在先期設計中，因為無法預估船廠放樣后的具體燃氣管數據，往往只能估算風機所需風量以及靜壓，以便船廠訂貨。因此，當放樣結束之后，需要對整個系統進行再次核算，來確定風機的選型是否符合整個系統所需的要求。

在驗證風機選型正確與否的過程中，需要對整個雙壁管管路所需的每小時30次換氣量、沿程阻力、局部損失等數據進行逐個計算并疊加來確保風機的風量及靜壓足夠支撐整個系統的運行。

3.1 雙壁管沿程阻力損失

沿程阻力是由空氣本身的粘滯性及其與管壁間的摩擦而產生的沿程能量損失，因此其與管路長度成正比關系。其公式可以表示為：

式中：

λ

為管內摩擦阻力系數；

d

為當量直徑，m；

ρ

為流體密度，kg/m；

V

為流體流速，m/s。

式（1）中的摩擦阻力系數計算公式：

式中：

λ

為管內摩擦阻力系數；

d

為當量直徑，m；

Re

為雷諾數。

雷諾數公式表達：

式中：

Re

為雷諾數；

v

為平均流速，m/s；

d

為管子的內徑，m；

γ

為運動粘性系數15.06×10。

3.2 計算結果及選型

以機艙內閥間到主機段雙壁管為例，整段管路的原理圖見下頁圖3。

圖3 機艙管內燃氣供給管示例

機艙內閥間至吸風口風阻計算以及機艙內主機至吸風口風阻計算可能見下頁表1和表2。

可以從上述計算表格中看出，兩個管段的計算阻力結果。閥間至抽風口雙壁管段的風量需求大約為30 m/h，阻力損失大約為0.465 Pa。主機至抽風口管段的風量需求大約為20 m/h，阻力損失161 Pa。因此，在選擇此管段抽風機時，風機風量控制在50～55 m/h為宜。而風機的靜壓選擇除了要考慮到管路的阻力外，還需要滿足系統負壓要求，以X92DF機器為例，其要求負壓保持在2 000 Pa左右，因此可以選擇靜壓為3 000 Pa左右的風機。

表1 機艙內閥間至吸風口風阻計算

表2 機艙內主機至吸風口風阻計算

4 結 語

在設計整個船舶LNG系統時，系統通風的重要性必須在前期考慮進去。同時，對于燃氣管來說，雙壁管的內部通風至關重要，需要在選好風機時需要對整個系統進行驗算，檢查是否符合系統整體所需風量以及阻力的需求，并根據阻力計算的結果來進行最后的風機選型。