LPG雙壁管防爆負(fù)壓通風(fēng)特性分析和CFD仿真

孫瑞,朱林海,劉建成,趙立玉,張家茂,杜恒,李占鵬

(1.招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054；2.必維船級(jí)社(中國)有限公司,廣州 510140)

IMO MARPOL ANNEX VI-《防止船舶污染國際公約》附則VI強(qiáng)制要求，2020年1月1日起，全球船舶硫排放必須低于0.5%的限值，在VLGC船上使用LPG作為主機(jī)燃料成為較好的選擇，LPG燃料進(jìn)入主機(jī)艙的管段需要使用雙壁管設(shè)計(jì)，避免因單管泄漏后直接進(jìn)入機(jī)艙，與空氣形成爆炸混合氣，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)艙成為危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)IMO IGC Pt.5 Ch.7 Se.16規(guī)范制要求，雙壁管須采用正壓惰氣或負(fù)壓通風(fēng)的方式來防爆，即在內(nèi)管發(fā)生泄漏時(shí)，用正壓惰氣壓住內(nèi)管燃料，使其不能溢出進(jìn)入間隙空間，或者采用負(fù)壓通風(fēng)方式抽走泄漏的LPG汽化物。正壓惰氣因壓力高，實(shí)操困難、成本較高而運(yùn)用較少。LPG負(fù)壓通風(fēng)設(shè)計(jì)不多，為此提出一種原理(見圖1)，設(shè)置有氣源和溢流口，風(fēng)機(jī)為抽風(fēng)型式，裝有壓力傳感器檢測(cè)風(fēng)機(jī)靜壓，管路上裝有流量計(jì)、流量開關(guān)和氣體探測(cè)器。雙壁管內(nèi)外間隙為風(fēng)道。

圖1 雙壁管通風(fēng)原理

1 雙壁管防爆通風(fēng)特性分析

如圖1、2所示，雙壁管內(nèi)管用于輸送LPG燃料給主機(jī)，多余LPG回流到燃料罐，如內(nèi)管燃料泄漏，則外管可形成二次防護(hù)。風(fēng)機(jī)在內(nèi)外間隙不間斷抽風(fēng)，形成負(fù)壓，一旦燃料從內(nèi)管開始有微弱泄漏至間隙層，常溫常壓下LPG迅速汽化，并與空氣混合，在風(fēng)機(jī)抽風(fēng)下流向排出口，在風(fēng)機(jī)法蘭進(jìn)口前裝有碳?xì)錃怏w探測(cè)器，在丙烷為主的碳?xì)錃怏w濃度分?jǐn)?shù)達(dá)到25%即報(bào)警給主機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到60%執(zhí)行停止主機(jī)、切斷LPG燃料供給、將管中LPG應(yīng)急泄放等操作。溢流口和排風(fēng)口須定位在主甲板上安全區(qū)域，并裝有防火網(wǎng)，風(fēng)機(jī)須為防爆型，以避免混合氣被引爆。

圖2 典型雙壁管泄漏示意

如雙壁管間隙內(nèi)風(fēng)源為高濕度自然空氣，LPG泄漏后迅速汽化，吸收自然空氣中熱量，導(dǎo)致溫度急劇下降，高濕度空氣中水蒸氣將會(huì)結(jié)冰，將主機(jī)通道和雙壁管堵塞。已有關(guān)于LNG雙壁管通風(fēng)計(jì)算報(bào)道，但關(guān)于有溢流口的研究較少。根據(jù)LPG燃料主機(jī)廠家要求，氣源須是露點(diǎn)≤-8 ℃的干燥空氣，并有溢流出口，通風(fēng)量不低于風(fēng)管間隙容積的30次/h，不高于45次/h，同時(shí)干燥空氣也可減少對(duì)雙壁管內(nèi)部形成腐蝕，延長管路壽命。風(fēng)機(jī)配合流量計(jì)、流量開關(guān)、壓力傳感器和氣體探測(cè)器，聯(lián)合主機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)啟停主機(jī)和切斷燃料供給，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，形成一套完整的防爆通風(fēng)設(shè)施，以符合IGC和主機(jī)要求。在實(shí)際運(yùn)行中，如供氣源流量壓力和溢流管通徑長度等設(shè)計(jì)不佳將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)4種可能運(yùn)行方式，見圖3。

圖3 4種運(yùn)行方式

只有圖a)方式符合實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)需要，并且系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)須按照?qǐng)D1通風(fēng)原理滿足3個(gè)條件：①流量開關(guān)檢測(cè)到通風(fēng)量在合理區(qū)間；②壓力傳感器檢測(cè)到壓力為負(fù)壓；③氣體探測(cè)器無報(bào)警，主機(jī)控制系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)主機(jī)。應(yīng)保證以圖a)方式運(yùn)行，避免圖b)、c)、d)情況出現(xiàn)。為此，通過計(jì)算管路壓降和建立Flowmaster仿真模型，分析氣源的壓力、流量、溢流管長度和尺寸對(duì)通風(fēng)特性的影響。

2 壓降分析、仿真模擬和計(jì)算

2.1 系統(tǒng)壓降

(1)

式中：Δ為管路沿程壓力損失；Δ為雙壁管內(nèi)管夾壓力損失；Δ為主機(jī)局部壓力損失。

管路沿程壓力損失在低流量、層流狀態(tài)、雷諾數(shù)<2 000時(shí)，按以下公式計(jì)算。

(2)

式中：為壓力損失；為摩擦系數(shù)；為雙壁管長；為管徑；為空氣密度；為風(fēng)速。

壓降公式和計(jì)算過程參考文獻(xiàn)[2]，實(shí)算按照雙壁管總長度=68 m，加上主機(jī)內(nèi)部通風(fēng)管總?cè)莘e1.1 m，得出每小時(shí)30次和45次流量分別為33(0.009 17),49.5 m/h(0.013 8 m/s)，代入式(2)，可得壓降分別為

Δ=19 Pa,Δ=30 Pa。

查主機(jī)實(shí)測(cè)通風(fēng)量與壓降對(duì)照數(shù)據(jù)，在2個(gè)流量下，Δ分別為1 100 Pa和2 900 Pa。

因采用低風(fēng)阻管夾型式，所以Δ≈0。

根據(jù)主機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合管路沿程壓降計(jì)算結(jié)果，按式(1)計(jì)算，得到雙壁管通風(fēng)量與壓降擬合結(jié)果見圖4。

圖4 通風(fēng)量與壓降擬合

2.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)初選

風(fēng)機(jī)額定工況點(diǎn)靜壓必須大于管路總壓降，按以上每小時(shí)30次和45次通風(fēng)2次總壓降計(jì)算結(jié)果初選風(fēng)機(jī)，得到具有高靜壓低流量特性，最大靜壓4 500 Pa，最大流量60 m/h ，見圖5。

圖5 風(fēng)量與靜壓特性

2.3 管網(wǎng)分析和建立仿真模型

圖4、5疊加，見圖6，兩條擬合曲線交匯點(diǎn)，為干燥氣源在圖1中3岔口以100 kPa供應(yīng)時(shí)，風(fēng)機(jī)的額定工況點(diǎn)0.013 3 m/s、2 720 Pa，通風(fēng)量為43次/h。仿真分析在氣源壓力大于100 kPa時(shí)發(fā)生的變化。

圖6 風(fēng)機(jī)與總壓降擬合曲線

按照風(fēng)機(jī)與總壓降曲線，建立仿真模型，通過計(jì)算反推氣源壓力參數(shù)，找到合適的溢流管尺寸、長度和風(fēng)量。在Flowmaster軟件里定義如圖7所示的仿真模型。按零件號(hào)定義:1.氣源F；2.溢流口P；3.F、P流量壓力曲線，仿真作為一個(gè)簡化的風(fēng)機(jī)；4.阻力模塊，仿真作為一個(gè)簡化的主機(jī)壓降；5為雙壁管；6、7、8、9為節(jié)點(diǎn)，用來顯示仿真后的壓力結(jié)果，用絕對(duì)壓力表示；6為氣源壓力；7為風(fēng)管分叉點(diǎn)的壓力；8為溢流口的壓力，考慮開口為常壓，設(shè)定為100 kPa；10.節(jié)點(diǎn)；11.供氣管，設(shè)定為0.05 m通徑，長度15 m；12.溢流管，初始設(shè)定為0.065 m通徑、長度3 m；13.雙壁管長度為68 m，按截面積算，簡化為0.1 m的單管。

圖7 仿真模型

為干燥氣源，指定為質(zhì)量流量，但壓力待計(jì)算。溢流口為100 kPa，流量待計(jì)算，、為一個(gè)曲線可變量，按圖5風(fēng)機(jī)曲線在軟件里輸入風(fēng)量和靜壓對(duì)應(yīng)可變特性，待計(jì)算得出適配工作點(diǎn)。整個(gè)仿真模型因通風(fēng)壓力變化不大，且干燥氣源選擇初始溫度和內(nèi)管燃料溫度皆為25 ℃，考慮為恒溫模式。從圖7模型里看到，氣源流量應(yīng)至少大于45次每小時(shí)換氣量，其壓力應(yīng)大于100 kPa，下面進(jìn)行管網(wǎng)分析和仿真計(jì)算。

管網(wǎng)分析參考文獻(xiàn)[9]，帶分支管路網(wǎng)絡(luò)中存在物質(zhì)平衡和能量守恒兩種定理。

1)物質(zhì)平衡。每個(gè)截面節(jié)點(diǎn)的各支管物質(zhì)流量相加總和為零。

7中3路支管交匯節(jié)點(diǎn)7，3個(gè)節(jié)點(diǎn)6、8、9的質(zhì)量流量、、相加應(yīng)為零。

2)能量守恒。管路中任意兩個(gè)截面節(jié)點(diǎn)能量關(guān)系應(yīng)符合

(3)

在多路支管交匯的理想流體中，也符合以上關(guān)系，即任意兩節(jié)點(diǎn)的總能頭皆為恒定常數(shù)，轉(zhuǎn)換為伯努利方程表達(dá)為

(4)

式中：為節(jié)點(diǎn)壓力；為流速；為空氣密度；為重力加速度；為兩點(diǎn)間能量損失。已知方程中部分參數(shù)即可求解出其他未知參數(shù)。

2.4 仿真計(jì)算

通過Flowmaster軟件定義不同參數(shù)的氣源流量、溫度以及溢流管尺寸、長度，計(jì)算出風(fēng)機(jī)的對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)和氣源的壓力需求。軟件里設(shè)置氣源0.02 kg/s，溫度25 ℃，溢流管通徑0.065 m，長度3 m，運(yùn)行仿真計(jì)算，結(jié)果見圖8。節(jié)點(diǎn)7壓力為100 kPa，主機(jī)4壓降為2 698 Pa，管路13壓降22 Pa，風(fēng)機(jī)絕對(duì)壓力98 605 Pa，靜壓為-2 720 Pa，風(fēng)量為0.013 3 m/s，系統(tǒng)運(yùn)行在合理工況，符合雙壁管通風(fēng)要求。此時(shí)只控制氣源絕對(duì)壓力101 589 Pa，流量0.016 9 m/s。可通過減壓閥和節(jié)流孔板調(diào)節(jié)氣源，并在管路11上安裝的流量計(jì)和壓力表測(cè)得。

圖8 在參數(shù)1條件下的仿真結(jié)果

3 結(jié)果分析和實(shí)船驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)參數(shù)1和更多參數(shù)條件下的仿真計(jì)算結(jié)果，提取通風(fēng)量、溢流管徑和管長數(shù)據(jù)，其關(guān)系變化見圖9。

圖9 通風(fēng)量與溢流管長度以及管徑變化的關(guān)系

從圖9可以看出，在氣源流量恒定為0.02 kg/s時(shí)，風(fēng)機(jī)流量隨著溢流長度增大而增大，但在溢流管徑為0.065 m時(shí)流量全部合格；在管徑為0.015 m時(shí)，流量全部超標(biāo)不合格；在管徑為0.025 m時(shí)，溢流管為50 m長時(shí)結(jié)果不合格，在3、10和20 m時(shí)結(jié)果合格。分析得出，在溢流管徑較大，管長較短時(shí)，風(fēng)機(jī)流量結(jié)果趨向容易合格。

再提取通風(fēng)量、溢流管徑和氣源流量數(shù)據(jù)，其關(guān)系變化見圖10。

圖10 通風(fēng)量與溢流管徑以及氣源流量關(guān)系

由圖10可以看出，在溢流管恒長20 m時(shí)，風(fēng)機(jī)流量隨著氣源流量增大而增大，但在溢流管徑為0.065和0.05 m時(shí)流量7個(gè)結(jié)果合格，僅有1個(gè)不合格；在管徑為0.025 m時(shí)，在兩組較大氣源流量0.3和0.4 kg/s時(shí)不合格，兩組小流量氣源時(shí)結(jié)果合格。分析得出，在溢流管徑較大，氣源流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)流量結(jié)果趨向容易合格。

繼續(xù)提取通風(fēng)量、溫度和氣源流量數(shù)據(jù)，其關(guān)系變化見圖11。

圖11 通風(fēng)量與溫度以及氣源流量關(guān)系

由圖11可以看出，在溢流管恒長20 m時(shí)，風(fēng)機(jī)流量隨著溫度和氣源流量增大而略微增大，所有結(jié)果合格。

分析認(rèn)為，溫度變化對(duì)風(fēng)機(jī)流量影響不大，非決定性因素。

實(shí)船運(yùn)行，通風(fēng)布置按序號(hào)1仿真條件為參數(shù)1，氣源經(jīng)減壓閥和節(jié)流孔板后，調(diào)節(jié)為絕對(duì)壓力101 589 Pa，流量0.02 kg/s，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)測(cè)試，流量計(jì)測(cè)得氣源出口數(shù)值0.016 9 m/s，風(fēng)機(jī)法蘭入口靜壓-2 722 Pa，流量為0.013 3 m/s，與仿真結(jié)果高度吻合。驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)靜壓曲線與總壓降是匹配的，選型參數(shù)是正確可行的。

但驗(yàn)收時(shí)經(jīng)船檢檢查，溢流管排放口不在安全區(qū)域，需要整改優(yōu)化。修改溢流管為20 m，延伸到安全區(qū)域，實(shí)船布置變成按序號(hào)17仿真條件，氣源調(diào)節(jié)為絕對(duì)壓力102 514 Pa，流量0.04 kg/s，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)測(cè)試，流量計(jì)測(cè)得氣源出口數(shù)值0.033 8 m/s，風(fēng)機(jī)法蘭入口靜壓-2 649 Pa，流量為0.013 5 m/s，與仿真結(jié)果高度吻合，再次驗(yàn)證風(fēng)機(jī)選型正確。

確認(rèn)風(fēng)機(jī)參數(shù)后，設(shè)定通風(fēng)流量開關(guān)報(bào)警數(shù)值為小于30和大于45次/h，查圖5特性曲線對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)靜壓分別為3 800 Pa、0.009 17 m/s,2 490 Pa、0.013 8 m/s，壓力傳感器亦同時(shí)設(shè)定高于3 800 Pa和低于2 490 Pa報(bào)警。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)上流量計(jì)、流量開關(guān)、氣體探測(cè)器和壓力傳感器的信號(hào)接入主機(jī)控制系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示和報(bào)警，為主機(jī)啟停控制邏輯提供依據(jù)，以增強(qiáng)主機(jī)艙安全性。

4 結(jié)論

仿真計(jì)算和實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)負(fù)壓防爆的3個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：①使用干燥氣源，露點(diǎn)≤-8 ℃，溫度對(duì)通風(fēng)影響較小，以25 ℃左右為佳；②選擇低流量高靜壓風(fēng)機(jī)；③選擇微高于100 kPa、略大于風(fēng)機(jī)風(fēng)量的氣源和較大通徑的溢流管。

在實(shí)際中需進(jìn)一步解決的問題，①仿真模型中風(fēng)機(jī)是直接排放的，受制于Flowmaster軟件中F、P的定義局限，出口不能加排風(fēng)管，遇此情況，需另建模型仿真。②船舶在極寒區(qū)域航運(yùn)時(shí)，溢流口和風(fēng)機(jī)出口會(huì)結(jié)冰堵塞，加裝伴熱防凍是保證通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要措施。

增加干燥空氣源和溢流管設(shè)計(jì)，并在雙壁管上配備一系列流量、壓力監(jiān)控儀表和可燃?xì)鈾z測(cè)手段，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，提升主機(jī)艙安全性。

面對(duì)各種復(fù)雜工況，如主機(jī)壓降數(shù)據(jù)不全、管路布置曲折多彎，可以建立更復(fù)雜的仿真模型和使用VFD變頻風(fēng)機(jī)，通過無級(jí)調(diào)速，進(jìn)一步增加應(yīng)變能力，節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)恒流量控制，延長風(fēng)機(jī)壽命，提高雙壁管通風(fēng)防爆安全。