2 000 t级化学品运输船液货装卸速率计算分析

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(武汉金鼎船舶工程设计有限公司，武汉 430062)

散装危险化学品运输船的特种系统——液货舱透气系统的设计合理性直接影响船舶的安全性、防污染效果及装卸效率。以排出液货蒸汽与空气/惰气的混合气体和吸入空气为条件，进行最大装卸货速率、蒸发气生成率、透气管路压力降的计算，以此为据考虑散装危险化学品运输船的液货泵的选取是否与液货舱透气能力相匹配，液货泵的装卸效率是否合理。本文对武汉金鼎船舶工程设计有限公司新设计的2 000 t级化学品运输船的透气系统及液货装卸速率计算方法进行探讨。

1 液货舱设计压力和高速透气阀整定压力的确定

新设计的2 000 t级化学品运输船的液货舱设计压力取的是30 kPa，初选CF80 型高速透气阀，通径DN80，压力释放阀整定压力定为20 kPa，对应压力下的空气流量为740 m3/h，真空阀整定压力定为-3.5 kPa，对应压力下的空气流量为440 m3/h。

2 高速透气阀透气能力允许的最大装卸速率

在设定温度为46 ℃和设定压力为货舱透气阀释放压力(p=20 kPa,空气流量为740 m3/h)的工况下，进行货舱透气能力计算来决定液货装卸速率。

2.1 蒸发气生成率

每货种准确的蒸发气生成率(VVGR)可由式(1)求得

VVGR=1+0.25×pv,46/86.18

(1)

式中：pv,46——液货在46 ℃下的绝对饱和蒸气压力，kPa。

该船各货种蒸发气生成率计算结果见表1。

表1 各货种蒸发气生成率

2.2 液货蒸发气和空气混合物的容积流量

液货蒸发气和空气混合物的容积流量为Qv-a,是计算液货允许装卸速率及透气管路压力降的基本参数,按式(2)计算

Qv-a=Q1×VVGR

(2)

式中：Q1——液舱的液货装卸速率。

由于液货舱透气系统压力释放阀的透气能力是在压力阀释放压力(20 kPa)下的最大空气流量(即Qa，Qa= 740 m3/h)，而并非液货蒸发气和空气混合物的流量，在计算装卸速率的过程中，需将液货蒸发气和空气混合物的流量进行密度修正，按式(3)修正。

(3)

式中:ρv-a,46——在46 ℃和货舱压力释放阀设定压力下的蒸发气浓度，(kg/m3);

ρa,46——在46 ℃和货舱压力释放阀设定压力下的空气密度，ρa,46=1.336 kg/m3;

ρa,0——在 0 ℃和1 013 kPa时的空气密度，ρa,0=1.292 kg/m3。

2.3 蒸发气浓度的计算

在46 ℃和货舱压力释放阀设定压力下的蒸发气浓度ρv-a,46按式(4)计算。

ρv-a,46=[(ρS.G.V-1)×Pv,46/Pt,46+1]×

0.011×Pt,46

(4)

式中：ρS.G.v—— 液货蒸发气相对密度；

Pv,46——46 ℃时的饱和蒸发气压力,kPa。

Pt,46——在46 ℃时的总的蒸发气-空气混合物压力为Pp/v(货舱压力释放阀设定压力),Pt,46=Pp/v=20 kPa。

各货种蒸发气浓度见表2。

表2 各货种蒸发气浓度

由货舱透气系统压力释放阀能力全开时的单舱最大允许液货装卸速率Q1按式(5)计算。

Q1=Qv-a/VVGR=

(5)

各种单舱最大允许液货装卸速率见表3。

表3 各货种单舱最大允许液货装卸速率

3 按规范要求计算的最大装卸速率

该船液货舱设置了下列报警：

舱高位报警,95%舱容的液位；超高位报警,98%舱容的液位。

当液货舱充装到95%舱容的液位高位报警时，操作人员按预先计划准备应急处置程序。

当液舱超高位报警时，操作人员在实际充装速率下，在1 min内可立即关闭有问题的液舱充装阀门，同时打开其他液舱的充装阀或者停止整个充装作业。

按《内河散装运输危险化学品船舶构造与设备规范》第15章15．19．8公式，允许充装速率为

VLR=U/t

(6)

式中：U——2%的液舱舱容；

t——从发出信号到货物安全被停止注入货舱所需的时间。

液货舱允许充装速率见表4。

表4 液货舱允许充装速率

4 液货装卸系统流量的选定

表3表明最小允许装卸速率Q1为845.7 m3/h，而按规范要求的允许充装速率VLR为408 m3/h，所以本船的最大液货装卸速率需小于408 m3/h即可，但从液货泵舱的空间大小、液货泵的经济投入成本及装卸报警时间的充裕性等方面的考虑，该船的液货泵实际流量选为300 m3/h。

该船有4对液货舱，装卸管系采用双总管式，既NO.1和NO.3液货舱联通用一根总管，NO.2和NO.4液货舱联通用一根总管，每对液货舱又分左右液货舱，按单舱300 m3/h的装卸速率，液货装卸管的最小通径按式(7)反算出来。

Q=v×(π×d2/4)×3 600

(7)

式中：Q——液货的输送速率，取300 m3/h；

v——最大允许速度,3 m/s；

d——液货装卸管内径， m。

由此计算出液货装卸管的内径d=0.188 m，该船液货装卸管实际取通径DN=200的不锈钢管，内径为200 mm，大于计算内径d=0.188 m。

综上所述，该船的液货泵流量选定为300 m3/h，液货装卸管径为DN200。

5 结论

经上述的最大允许液货装卸速率计算，该船在300 m3/h的流量速率下充装，不会造成液货舱的结构损坏。由计算分析可以看出，散装危险化学品运输船的装卸速率受到液货舱透气系统的透气能力制约较大，且本文计算出来的最大装卸速率只是针对单液货泵对单舱的装卸速率计算，对于单液货泵对多舱装卸的情况并不很适用，因为实际作业中单个舱装载支管的分流不可能保证装卸速率的均衡性，今后还应开展单液货泵对多舱装载速率的计算方法的研究。

[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社，2000.

[2] 《轮机工程手册》编委会.轮机工程手册[M].北京：人民交通出版社,1993.

[3] 中国船级社.内河散装运输危险化学品船舶构造与设备规范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4] 冯永芳.实用通风空调风道计算法[M].北京：中国建筑工业出版社,1995.