20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yuǎn)洋船舶中雙燃料動(dòng)力船的增多，天然氣的泄漏和著火引起的火災(zāi)事故逐漸引起航運(yùn)界的重視。LNG作為低溫燃料，一旦泄露會(huì)迅速汽化形成白煙并與周圍空氣混合后發(fā)生爆炸[1]。在遠(yuǎn)洋船舶上的LNG儲(chǔ)存艙體積大，一旦發(fā)生著火或者爆炸會(huì)對(duì)船舶和船上人員造成嚴(yán)重的損傷。所以，如何在大型遠(yuǎn)洋船舶上針對(duì)LNG供氣系統(tǒng)進(jìn)行有效的消防保護(hù)，是關(guān)乎船舶與人員安全的重要問題。

按照規(guī)范要求，遠(yuǎn)洋船舶一般都會(huì)配備相應(yīng)的消防系統(tǒng)作為保證船舶在海上安全航行的關(guān)鍵保障之一。LNG相關(guān)區(qū)域或部位的消防系統(tǒng)有水霧系統(tǒng)、CO2滅火系統(tǒng)和干粉滅火系統(tǒng)。各系統(tǒng)具有各自的特點(diǎn)適用于不同的火情，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)船舶的具體情況采用有效的滅火形式[2]。雙燃料LNG相關(guān)區(qū)域固定滅火系統(tǒng)應(yīng)按《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱《IGF CODE》)的要求配備，具體要求見表1。

在LNG相關(guān)區(qū)域和部位中，水霧系統(tǒng)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)大于干粉滅火系統(tǒng)和CO2滅火系統(tǒng)[3]。水霧系統(tǒng)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(shí)，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(dǎo)梯度，對(duì)船體等有一定的保護(hù)作用[4]。相對(duì)于干粉滅火系統(tǒng)和CO2滅火系統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)、功能和應(yīng)用場(chǎng)景，水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮與常規(guī)水滅火系統(tǒng)的匹配，消防和冷卻兩類功能的實(shí)現(xiàn)，以及大范圍、多場(chǎng)景的應(yīng)用等。

表1 LNG相關(guān)區(qū)域固定滅火系統(tǒng)的配置

以20萬(wàn)t雙燃料散貨船為對(duì)象，進(jìn)行IMO Type-C LNG燃料艙的水霧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 水霧系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域

20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船LNG燃料艙采用IMO Type-C 燃料艙，全長(zhǎng)約30 m，直徑約12 m，沿船艏方向，布置于主甲板左右兩舷側(cè)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(jù)《IGFCODE》規(guī)定，燃料艙位于開敞甲板上時(shí)，水霧系統(tǒng)還應(yīng)覆蓋面向燃料艙的上層建筑、壓縮機(jī)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(nèi)[5]。如圖1所示，針對(duì)20萬(wàn)t雙燃料散貨船，除2個(gè)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(qū)域和居住區(qū)域的側(cè)壁，主甲板上的救生艇區(qū)域和人行走道的側(cè)壁。根據(jù)本船的實(shí)際布置，中心公共區(qū)域內(nèi)需要布置水霧系統(tǒng)的區(qū)域有：燃?xì)馓幚黹g及機(jī)艙棚側(cè)壁，CO2間及房間側(cè)壁，以及發(fā)電機(jī)室頂棚。為了使水霧對(duì)限界面的防護(hù)達(dá)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(diǎn)與所采用噴嘴的噴淋面積和布置方式有關(guān)。在20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船中，對(duì)于艙頂噴嘴采用向上垂直噴射后形成水霧保護(hù)艙頂?shù)男问剑鴮?duì)于艙室側(cè)壁則采用水平噴射形成水簾的形式保護(hù)艙室側(cè)壁。

噴嘴垂直向上噴射時(shí)，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(dāng)噴嘴距離限界面安裝高度不低于0.9 m時(shí)，水霧的噴淋直徑可達(dá)4.4 m，右圖表示當(dāng)噴嘴距離限界面高度不低于1.2 m時(shí)，噴淋直徑可達(dá)6 m。圖3表示噴嘴水平噴射垂直的限界面時(shí)，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(shí)水平限界面上的水霧直徑

圖3 噴嘴水平噴射時(shí)限界面上的水霧直徑

噴嘴型號(hào)及相應(yīng)參數(shù)見表2。單個(gè)噴嘴流量按照下式進(jìn)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(shù)，為噴嘴的固有因子；p為噴嘴工作壓力，MPa。

表2 20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)所用噴嘴的參數(shù)

噴嘴的安裝高度要根據(jù)實(shí)際的安裝空間確定，同時(shí)噴嘴數(shù)量和規(guī)格的選用也要考慮到船用疏水泵組的功率。針對(duì)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(shí)現(xiàn)噴嘴數(shù)量和水噴淋排量最小化，結(jié)合廠家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于水平限界面上的噴嘴采用6 m的安裝高度，而對(duì)于垂直的限界面，噴嘴距離限界面3 m左右。各個(gè)區(qū)域的面積及噴嘴數(shù)量見表3。

燃料艙艙頂、救生艇區(qū)域和走道的水噴淋管路及噴嘴布置見圖3。

根據(jù)中心上建區(qū)域剖面所展開的中心公共區(qū)域側(cè)壁的噴淋管路及噴嘴布置見圖4。

如圖4所示，水霧系統(tǒng)的噴嘴所噴淋出的水霧覆蓋了所有的限界面，達(dá)到了對(duì)限界面消防保護(hù)的效果。

表3 各區(qū)域噴嘴距離、型式與方向設(shè)計(jì)

圖4 水噴淋消防布置

圖5 各個(gè)側(cè)壁噴淋管路及噴嘴布置

2 水霧系統(tǒng)排量計(jì)算

根據(jù)《IGF CODE》規(guī)定，水霧不僅要覆蓋表3中的4個(gè)區(qū)域，且對(duì)于水平噴射表面，其噴射率為10 L/(min·m3)，對(duì)于垂直噴射表面，其噴射率為4 L/(min·m3)。根據(jù)規(guī)范要求，4個(gè)區(qū)域所需要的水霧噴淋量可按下式計(jì)算。

(2)

水噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guī)范對(duì)于不同區(qū)域的水量要求。因此，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的水霧系統(tǒng)的不同區(qū)域內(nèi)水霧噴淋量進(jìn)行計(jì)算。

(3)

由以上兩式計(jì)算出按規(guī)范要求的各個(gè)區(qū)域的水量以及設(shè)計(jì)的水霧系統(tǒng)在各個(gè)區(qū)域的噴淋水量，結(jié)果見表4。

表4 區(qū)域的規(guī)范要求與設(shè)計(jì)的水霧排量對(duì)比 L/min

由表4可知，針對(duì)20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船設(shè)計(jì)的水霧系統(tǒng)滿足規(guī)范對(duì)限界面噴淋水量的要求，由各個(gè)區(qū)域的噴淋水量可計(jì)算限界面水霧系統(tǒng)的總排量為929.76。

3 水霧泵規(guī)格確定

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

圖6 消防控制站內(nèi)水霧總管原理圖

2根水霧總管分別由2個(gè)獨(dú)立的遙控蝶閥控制。一般情況下，2個(gè)遙控蝶閥都處在關(guān)閉狀態(tài)，但當(dāng)在船舷一側(cè)發(fā)生火情時(shí)，負(fù)責(zé)該舷側(cè)的遙控蝶閥開啟，將來自消防總管的給水輸送至發(fā)送火情的區(qū)域。

所以，LNG相關(guān)區(qū)域水霧系統(tǒng)的水量只需要計(jì)算單側(cè)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(qū)域需要加裝水霧噴嘴，其總用水量為15 L/min。所以，實(shí)際水霧系統(tǒng)的用水量為488.46 m3/h。

根據(jù)《IGF CODE》要求，消防泵的總排量需要同時(shí)滿足操作所需數(shù)目的消火栓、消防軟管及水霧系統(tǒng)。SOLAS要求，消火栓的數(shù)量和位置應(yīng)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(shí)乘客或船員通常可以到達(dá)的任何部分。對(duì)于20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船而言，當(dāng)消火栓的水量達(dá)到50 m3/h時(shí)可滿足規(guī)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(shí)際所選用的水霧泵的規(guī)格為250 m3/h，壓力為1.2 MPa，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)規(guī)范要求劃分需要水霧系統(tǒng)保護(hù)的處所。

2)判斷水霧系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域的范圍，確保其應(yīng)能覆蓋規(guī)范要求的限界面，然后確定噴嘴的型號(hào)、數(shù)量和布置位置。

3)根據(jù)1)和2)計(jì)算水霧系統(tǒng)所需要的總流量。

4)結(jié)合船舶原有的消防泵以及船舶燃料艙布置的實(shí)際情況(對(duì)稱布置下僅考慮單艙失火)計(jì)算水霧系統(tǒng)的水量，并選取負(fù)荷噴嘴工作壓力的水霧消防泵型號(hào)。

20萬(wàn)t級(jí)雙燃料散貨船水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yuǎn)洋雙燃料動(dòng)力船舶的水霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。