LNG動力船雙壁管通風設計及風機選型

趙桐鳴,郭雙淇

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司 氣體開發部,山東 青島 266101)

相比較傳統能源石油,液化天然氣(LNG,Liqufied Natural Gas)是一種更安全可靠、清潔環保、經濟高效的能源,近年來受到了制造業的廣泛關注。隨著船舶排放標準要求的提高,LNG逐漸在汽車運輸船、集裝箱船、散貨船等多種船型上得到了一定應用。但由于液化天然氣會對船體結構造成低溫損傷,一旦泄露將會迅速爆炸,對于LNG船舶的設計要求更為嚴格。

1 LNG雙壁管通風系統

由于主機、發電機、鍋爐等設備布置在機艙,為確保機艙的安全性,在進行LNG供氣系統設計時,需對封閉處所內的相關燃氣處理設備以及燃氣管路采取適當的安全保護措施。如使用雙壁通風系統:內管通天然氣,外管通過風機對其抽風產生負壓,一旦發現供氣管路泄露,會將危險氣體抽到安全區域以避免燃氣供給管路的燃氣泄漏到機艙等安全區域。

對于中小型船舶來說,使用風機對于雙壁燃氣管道的內外環形空間及燃氣閥組單元(Gas Valve Unit,GVU)進行通風[1];但是對于大型船舶,供氣管路的主閥至主輔機管路過長,僅通過主閥控制燃氣管路仍存在泄露的風險,需要在主閥及主輔機GVU管路之間增加燃氣應急切斷閥組單元(Gas Emergency Cut-off Valve Unit,GECU)進行進一步控制,GECU在設備維修時將燃氣設備與供氣系統隔離,并用氮氣對上下游管路進行吹掃。由于每個用氣設備燃氣供應的雙壁管區域都需采用獨立的機械負壓通風系統,因此對于此種發電機的供氣管路需要三個進風口才能滿足要求,見圖1。

圖1 發電機的雙壁管通風單元示意圖

圖1為發電機的雙壁管通風單元示意圖,主要包括發電機及其GVU、GECU、雙壁管內管、外管及風機、風量開關氣體探測等。風量開關用于監測雙壁管通風系統的風量,氣體探測用于監測是否有燃氣泄漏。

2 通風量計算

根據IGF規范要求,雙壁管和氣體安全機器處所內氣體閥件單元處所的通風系統應獨立于所有其他通風系統;雙壁燃氣管道系統的內外管環形空間以及GVU閥組應通過機械風機保證持續通風,每小時至少換氣30次并且通過氣體探測器實時檢測燃氣管的氣體泄漏[3]。GECU同GVU結構大致相同,同樣需要滿足規范通風要求。

假設通風次數為每小時30次,則圖1中風機A雙壁管通風量計算公式為:

QA=30×(Q1+Q2+Q3+Q4)

(1)

(2)

(3)

式中,Q1為GECU至GVU雙壁管單次通風量,L1為其對應長度;Q2為GVU至發電機雙壁管單次通風量,L1為其對應長度;Q3為GVU閥箱容積;Q4為發電機內部雙壁管環形空間容積;D1為雙壁管外管內徑,D0為雙壁管內管外徑。

風機B雙壁管通風量計算公式為:

QB=30×(Q5+Q6)

(4)

式中,Q5為GECU到機艙的雙壁管單次通風量,L5為其對應長度,其計算公式與Q1相同;Q6為GECU閥箱容積。

以瓦錫蘭發電機W9L34DF為例,該GVU體積為1.2 m3,發電機內部環形空間體積為0.053 m3。根據式(1)式(4)可以計算出風機A和風機B需要的風量,考慮一定余量后可以得到風機選定的風量,計算結果見表1和表2。

表1 風機A風量計算結果

表2 風機B風量計算結果

可以得知,發電機GVU,GECU的風機所需的通風量均為60 m3/h,所選的風機必須要滿足此通風量的需求。

3 管路壓力損失計算

3.1 計算原理

風機選型不僅需要考慮通風量,還要考慮靜壓值。風機的靜壓值為負壓值與管路壓力損失的總和,一般來說,雙壁管的環形空間需要機械抽風維持在2 000 Pa的負壓狀態,為得到風機選型所需的靜壓值,需要對通風管路的壓力損失進行計算。在風機初步選型時,需預留余量,在船廠放樣后,再根據詳細管路布置計算壓力損失來核對選型是否正確。管路壓力損失包括沿程壓力損失、局部壓力損失兩個部分。

3.1.1 沿程壓力損失

沿程壓力損失是由空氣本身的黏滯性及其與管壁間的摩擦而產生的沿程能量損失[3],可由公式(5)算出。

(5)

式中,λ為摩擦因數,L為管道長度,m;D為當量直徑,m;ρ為風量密度,kg/m3;v為流速,m/s。對于摩擦因數的計算。

如果雷諾數Re<2 000(層流):

(6)

如果雷諾數2 000

(7)

式中,K為絕對粗糙度;d為圓管內徑,mm;β為過渡區λ的計算系數。

如果雷諾數4 000

(8)

如果雷諾數105

(9)

但在工程應用上摩擦因數值λ變化很小,近似于常數,而管路及流體一定,不考慮密度變化時[5],(5)式可以轉變為:

△Pf=k0ν2

(10)

由于:

(11)

因此,管路的沿程阻力與流量的平方成正比,比例關系為:

(12)

(13)

3.1.2 局部壓力損失

局部壓力損失是流體流經局部障礙時,由于液流的方向和速度的突然變化,導致邊界層分離產生漩渦而造成的能量損失,可由公式(14)算出。

(14)

式中,為局部阻力系數ξ;n為局部障礙數量。管路及流體一定,不考慮密度變化時,管路的局部阻力仍與流量的平方成正比,比例關系為:

(15)

(16)

常見的管路局部阻力系數ξ見表3。

表3 常見的管路局部阻力系數

除了管路自身產生的壓降,空氣經過發電機及GVU會產生壓降,且壓降大小與風量有關,由于本項目的GECU與GVU環形空間容積相同,結構相似,因此在初步選型的時候可以參考廠家提供的GVU壓降曲線,發電機及GVU的壓降曲線見圖2～3。

圖2 發電機W9L34DF風量壓降曲線

3.2 計算過程

對于該系統中,GVU前進風管有兩路,此時需考慮到兩進風管路的風量分配。針對一根管路,沿程阻力損失和局部壓力損失與風量平方成正比,風量越大,壓降越大,但兩根管路均進入到GVU閥箱,視為并聯管路。對于并聯管路,各支路管路阻力應盡量相等[6],不然并聯管路會自動平衡。由于發電機壓降相較于管路的壓降較大,因此發電機所在進風管風量應相對另一管路小很多才能保證GVU閥箱兩進口壓力的穩定。而GECU部分的風機吸入口即為進風口c,無需考慮進風口風量分配的情況。

3.2.1 風機A吸入口前的壓力損失計算

假定溫度20 ℃,空氣密度為1.2 kg/m3,該段通風管路尺寸、長度信息見表4。

表4 風機A吸入口前管路信息

根據表1及表2結果,風機A選定的風量為60 m3/h,為獲得較為準確的流量分配,本文計算了兩路進風口到GVU管路在五組流量分配下的壓力損失,以進風口a至GVU風量為8 m3/h(進風口b至GVU風量為52 m3/h)為例,計算過程見表5。

表5 進風口a風量為8 m3/h下進風管的壓力損失

同樣可以分別計算出進風口a至GVU風量為4,6,8,10,12 m3/h情況下兩路進風口至GVU的壓力損失。將五組計算結果進行匯總,見表6。

表6 不同流量分配下進風口至GVU的壓力損失

可以得到兩路進風管的壓力損失與進風口a的風量關系,見圖3。

圖3 兩路進風管的壓力損失與進風口a的風量關系

圖3 GVU風量壓降曲線

由圖3可以得到兩曲線交點處進風口a風量為6.85 m3/h,進風口b風量為53.15 m3/h 時,兩管路到GVU的壓力損失ΔPtga=ΔPtgb=116.7Pa,流量分配相對合理。為了驗證曲線的正確性,計算此時對應的壓力損失見表7。

表7 進風口a風量為6.85 m3/h下進風管的壓力損失

根據表7,可得到曲線及公式計算的壓力損失的誤差為:

式中,ΔPtc,ΔPtg分別為根據公式計算的總壓降計算結果,根據曲線查出的總壓降計算結果。兩條管路的計算誤差均小于5%,因此,兩路進風管的壓力損失與進風口a的風量關系曲線比較準確,得出的兩進風口的流量分配也比較準確。

3.2.2 風機B吸入口前的壓力損失

假定溫度20 ℃,空氣密度為1.2 kg/m3,該段通風管路尺寸、長度信息見下表8。

表8 風機B吸入口前管路信息

其管路壓降計算結果見表9。

表9 風機B吸入口前壓力損失

風機一般要求負壓為2 000 Pa,在以上計算的基礎上考慮余量,風機A可以選用靜壓為2 500 Pa的風機,風機B可以選用靜壓為2 300 Pa的風機。在調試前,風機進風管的流量分配可以通過節流孔板或者調節閥進行調節。

4 結論

雙壁管通風系統是LNG供氣系統設計中的重要一環,對整個LNG動力船極為重要。不僅需要在風機選型前計算壓降及風量,還要根據最后的船廠布置圖進行仔細核算,如果風機初步選型比實際需求較大時,可以通過節流孔板來調節進風口。