LNG船液货舱安装平台空调系统设计研究

孙少哲，冯国增，王庆丰，马哲树

(江苏科技大学，江苏 镇江 212003)



LNG船液货舱安装平台空调系统设计研究

孙少哲，冯国增，王庆丰，马哲树

(江苏科技大学，江苏 镇江 212003)

LNG船是海上运输液态天然气的专用船舶，其液货围护系统在安装过程中必须控制舱室内的空气温度、湿度以及二氧化硫、氯气等有害气体含量，因此有必要开展LNG船液货围护系统施工过程中环境控制方面的研究。提出了单舱舱容为5万m3的LNG船液货围护系统安装平台空调系统的设计方案，包括设计参数和冷热源方案确定，空调负荷计算，送回风系统设计等。该船液货舱安装平台空调系统设计对类似LNG船液货围护系统安装平台的环境控制问题研究有借鉴意义。

LNG船；液货舱；围护系统；空调系统；风管布置；室内环境控制

0 引言

薄膜型液化天然气船(LNG)的液货围护系统通常由双层船壳、内薄膜、外薄膜和低温隔热材料所组成。内、外薄膜由具有较低热膨胀率的殷瓦钢制作，构成装载低温液货的完整限界面，并与绝热层(内外薄膜之间的部分)共同保证船体结构不受由超低温造成的脆性破坏，因此在LNG船液货围护系统的建造中，殷瓦薄膜及绝热层的安装成为主要的技术难点[1]。然而殷瓦钢对环境的温湿度要求很高，常温下8 h以内接触到水或油就会生锈。根据法国GTT公司的建议，在LNG船液货围护系统的安装过程中必须配备具有除湿功能的空调，维持舱内环境的相对湿度在60%以下。

建造中的LNG船液货舱属于高大空间结构，高大空间气流组织的均匀性通常是空调系统设计的难题之一。根据国内现有LNG船舱室内部的空调系统测试，气流组织分布严重不均，顶层空间和底层空间温差可达5～7 ℃，同一水平空间温差也可达3～4 ℃[2]。另外，舱室内温湿度的控制对殷瓦薄膜的顺利安装极其重要。如何实现围护系统安装平台温湿度的精确控制和可靠运行，也是该空调系统面临的技术难题。

本文以在北方某沿海城市造船厂建造的LNG船为设计对象，其单舱舱容为5万m3。该液货舱长50 m，高28 m，宽40 m，液货舱中每隔2.6 m架设一层环形的脚手架，一共十层，用于液货围护系统的安装。本文提出了较完整的大型LNG船液货围护系统安装平台空调系统设计方案。

1 设计计算参数确定

北方某沿海城市的气象参数见表1。考虑到《暖通空调系统设计手册》中该地区的气象参数是多年气象参数的平均值，不包括天气特别恶劣的情况，而且船舶制造地靠近海边，气象参数与手册的参数也有差异，因此，为了保证LNG船舱室建造环境，对舱外设计参数作了调整。舱室外的设计计算参数取该地区夏季最热月14时的平均温度，见表2。

表1 某沿海城市的室外气象参数表

表2 舱外设计计算参数表

依据《船舶设计手册(轮机分册)》选取相关参数，夏、冬季工况下，舱内设计温度和相对湿度参数见表3。

表3 舱内设计参数表

2 空调系统方案设计

2.1 总体方案

经论证，确定LNG船液货围护系统安装平台空调系统采用一次回风系统，除湿方式选择冷冻除湿，冬季加热采用蒸汽加热，加湿方式采用蒸汽加湿，空调过滤器除了考虑除尘外，还应考虑去除二氧化硫、氯气、海水盐分等有害气体。

空调的风管系统主风管采用硬质风管，支风管采用软风管。软风管具有防凝露、易清洁维护、重量轻、可重复使用等优点，而且安装简单，能够缩短工程周期。因此，考虑到使用和维护方便，主风管使用矩形风管，其他使用软风管。

LNG船液货围护系统安装平台空调机组的控制与普通空调系统的控制有很大区别。普通空调系统的控制参数是温度，以温度优先作为控制原则。而LNG船液货围护系统安装平台空调机组的控制原则是湿度优先原则，在满足湿度参数控制要求的基础上设计机组控制系统。另外，按照建造过程中的施工时间，夜晚舱室内没有工人施工时，应关闭新风风门，降低机组负荷，实现空调机组节能运行。

2.2 夏季空气处理过程

夏季空气处理过程如图1所示。舱内环境空气(状态点N)与舱外环境空气(状态点W)在空气处理机组的混合箱中相混合至混合状态点C，然后经过表冷器冷却除湿后至送风状态点O，最后送入舱内。经冷却除湿后的空气沿着热湿比线ε使舱内环境达到设计要求。与夏季空气处理过程所对应的焓湿图如图2所示。

2.3 冬季空气处理过程

冬季空调舱内空气处理过程如图3所示。舱内环境空气(状态点N)与舱外环境空气(状态点W)在空气处理机组的混合箱中相混合至混合状态点C，然后经蒸汽盘管加热后至送风状态点O，最后送入舱内。经过加热后的空气沿着热湿比线ε使舱内环境达到设计要求。与冬季空气处理过程所对应的焓湿图如图4所示。

2.4 空调负荷计算

夏季空调负荷主要包括：舱内得热量(包括传入热、人体热、照明热、设备热)、风机热量、送风管内空气温升热量、回风温升热量、新鲜空气热量。因此空调总负荷计算公式见式(1)。

W：舱外环境状态点；N：舱内环境状态点；C：混合点；O：送风状态点；ε：热湿比

图2 夏季空气处理过程焓湿图

P：加热状态点

图4 冬季空气处理过程焓湿图

Φ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4+Φ5

(1)

式中：Φ为总热负荷，W；Φ1为舱内得热量，W，按照式(2)计算；Φ2为风机热量，W，按照式(3)计算；Φ3为送风管内空气温升热量，W，温升控制在2 ℃以内，按照式(4)计算；Φ4为回风温升热量，W，温升控制在2 ℃以内，按照式(5)计算；Φ5为新鲜空气热量，W，按照式(6)计算。

Φ1=q+qp+ql+qε

(2)

式中：q为舱内传入热量，W，与舱室的结构、材料、朝向、吃水、隔壁舱室的结构等相关；qp为人体发热量，W；ql为照明热量，W；qε为舱内设备发热量，W，根据LNG船建造经验，主要考虑焊接设备和树脂设备的发热量。

(3)

式中：H为风机全压头，Pa；V为风机风量，m3/h；η为风机全压效率；ηm为传动效率。

Φ3=0.288×1.163×2VS

(4)

式中：VS为送风量，m3/h。

Φ4=0.288×1.163×2VR

(5)

式中：VR为回风量，m3/h。

(6)

式中：a为新风比；V为总风量，m3/h；ρ为空气密度，ρ=1.2 kg/m3；iW为舱外空气焓值，kJ/kg；iN为舱内空气焓值，kJ/kg。

冬季空调负荷包括舱内热损失和加热新鲜空气所需热量，按照式(7)计算。

(7)

(8)

详细空调负荷计算结果见表4。该LNG船液货围护系统安装平台空调系统夏季空调负荷485 kW，冬季空调负荷300 kW。考虑余量，确定空调制冷装置制冷量为550 kW，制热量为330 kW。空调系统的计算风量为62 483 m3/h，考虑余量理论风量确定为65 000 m3/h，其中包含新风量10 000 m3/h，满足新风比大于10%的要求。

2.5 空调系统冷热源方案

冬季采暖的热源选择船厂提供的0.3 MPa的蒸汽，蒸汽加热器设计参数见表5。从可靠性和经济性出发，空调系统的冷源选用螺杆压缩机组，冷凝器为风冷冷凝方式，蒸发器作为空气处理机组的表冷器。冷凝器和蒸发器选用铜管铝翅绕片热交换器，制冷剂选用R22。表6为冷凝器设计参数，表7为蒸发器设计参数，制冷装置的性能参数见表8。

2.6 风管系统布置

空调机组放置在液货舱顶部甲板上方，风管从液穹开口接进舱内。考虑安装使用和回收方便，送风管采用矩形保温管，末端使用可调风量的球形风口。1～10层每层设置8个送风口，风量可调，如图5所示。图6为安装平台第5层的送风管布置图。图中，送风管左右两舷对称布置，向舱壁送风，以维持人员工作区域以及舱壁附近的温湿度达到设计要求，其余各层的送风管布置方式类似。回风管采用矩形保温管，第2、第5、第9层各设置4个回风口，如图7所示。图8为回风管布置的纵剖图。这样的送回风口布置方式将整个安装平台分为3个环境控制区域，即1～2层空间、3～8层空间以及9层以上空间，从而保证温湿度场的均匀性。

表4 空调负荷汇总表

表5 蒸汽加热器设计参数

表6 冷凝器设计参数

表7 蒸发器设计参数

表8 空调制冷装置参数性能表

图5 进风管布置图

图6 第5层进风管布置图

3 结语

随着我国船舶行业的发展，大型LNG船的建造需求越来越多，在其建造过程中，控制舱内环境的温湿度对殷瓦薄膜的顺利安装极其重要。本文提出较完整的单舱舱容为5万m3的LNG船液货围护系统安装平台空调系统的设计方案，并详细介绍了冬夏季空气处理过程、空调负荷的计算、空调制冷装置的设计以及送回风管的布置方式。

图7 回风管布置图

图8 回风管纵剖图

本文的研究对于我国船舶企业自主开发大型LNG船液货围护系统安装平台有借鉴意义，同时对于大型船舶建造及船用空调系统设计中减少系统运行消耗、节约成本、提高效率和质量有参考价值。

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低能耗船舶空调系统关键技术集成研究与开发(BY2013066-09)；江苏省高校优势学科建设船舶与海洋工程轮机方向。

2015-05-28

孙少哲(1990—)，男，硕士研究生，研究方向为舰船舱室环境控制；冯国增(1971—)，男，硕士，副教授，研究方向为两相流理论与技术、船舶制冷与空调等；王庆丰(1976—)，男，副教授，硕士生导师，研究方向为船舶结构设计及强度研究、船舶制造工艺力学；马哲树(1973—)，男，博士，教授，硕士生导师，研究方向为船舶柴油机动力装置性能优化与节能减排技术研究。

U674.13+3

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