38 000 DWT化学品船液货辅助冷却系统设计

朱永龙陈俊

（1.江苏韩通赢吉重工有限公司，南通226010；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

船舶机电

38 000 DWT化学品船液货辅助冷却系统设计

朱永龙1陈俊2

（1.江苏韩通赢吉重工有限公司，南通226010；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

全球化学品运输市场中存在低沸点化学品的运载需求。该类化学品在37.8℃时其饱和蒸气压力不超过0.28 MPa，需要充分考虑装载此类高挥发性化学品的货损和安全问题。一种做法是配备成套的液货冷却装置系统，但是其价格昂贵，船东难以接受。为此介绍了一种新型的液货辅助冷却系统，配备冷水机组，利用液货舱加热盘管将冷媒水与低沸点液货进行热交换，从而实现液货冷却的目的。该系统能将液货维持在安全温度，降低液货温升带来的液货舱蒸气压力增大的风险。

化学品船；低沸点液货；液货冷却；环氧丙烷；乙二醇冷媒

0 前言

38 000 DWT化学品船是上海船舶研究设计院2014年为香港金威船务有限公司和海南中化船务有限公司设计的不锈钢化学品船，入LR和CCS双船级，挂香港旗。该船为双壳、双底、单上甲板，横舱壁采用水平槽形舱壁，液货区域设置一道中纵干隔舱，液货区域前后端设干隔舱的一型化学品船。液货舱边界采用双相不锈钢，构件均位于液货舱外侧，适用于IMOⅠ、Ⅱ、Ⅲ型船装载的液态化学品和成品油。全船共分隔成30个整体液货舱，包括4个Ⅰ类舱，用于装载Ⅰ类化学品。

为满足低沸点化学品的运载要求，该船的第4（左/右/中左/中右）液货舱、第5（左/右）液货舱和第6（左/右/中左/中右）液货舱，共10个液货舱，按满舱装载密度1 000 kg/m3，高速压力真空阀设定值0.06 MPa的液货设计。除了可装载普通化学品外，也适用于装载在37.8℃时其饱和蒸气压力超过0.101 3 MPa的部分液货，包括：二氯甲烷、戊烷、戊烯、环氧丙烷和异戊二烯等货物。

1 载运环氧丙烷的特殊要求

该船货品清单中包含低沸点的液货环氧丙烷，将由上述10个液货舱载运。环氧丙烷性质特殊，一个大气压下沸点34℃，密度859 kg/m3（20℃）。属于易燃和易爆化学品，吸入、吞食或皮肤接触均有害，并可能致癌，所以需要充分考虑其运输时的安全性。另外，环氧丙烷的化学性质活泼，应防止与电火花、静电、热源、酸、碱等接近。这些在IBC规则中均有相关的要求，此处不再赘述。

环氧丙烷在45°时的饱和蒸气压力可以达到0.15168MPa，为此专门配置了设定压力为0.06 MPa的高速压力真空阀，同时相应液货舱的结构设计压力提高到0.065 MPa，已满足IBC规则对整体重力液货舱的结构安全要求，该船不需要配置液货冷却系统。但船东为了降低运输时的液货舱蒸气压力，尽量减少货损，保证运输过程中的安全性，要求该船增配了一种液货辅助冷却系统。

2 FRAMO液货冷却装置系统

迄今为止，全球较为可靠成熟的液货冷却系统仅挪威FRAMO公司能成套提供。其原理是为每个需要冷却的液货舱配备1台或多台浸没式的液货冷却器，全船配置冷水机组和冷媒水循环泵等，见图1。

图1 FRAMO液货冷却系统原理图

FRAMO液货冷却系统的设计，需要根据液货舱围蔽的热负荷配置浸没式液货冷却器，冷却器端部设置水力透平，冷媒水同时驱动水力透平实现液货在舱内的循环冷却，避免液货舱内温度不均匀的问题。由于该浸没式冷却器仅FRAMO一家公司能够供货，价格非常昂贵。而液货冷却器仅在载运少数货品前才需要安装，平时并不安装在舱内。假如其布置位置不在油管吊的覆盖范围内，将需要由岸吊来帮助完成冷却器的安装。由于化学品船靠泊码头的管理要求，船东往往需要租借浮吊在锚地才能完成冷却器的安装，费用较高。

3 液货辅助冷却系统介绍

38 000 DWT化学品船液货辅助冷却系统的设计思路是如何充分利用船舶现有的设备配置，以最小的资金投入，使得部分液货舱具备一定的冷却能力。

3.1 液货辅助冷却系统的设计条件

液货辅助冷却系统的设计基于以下极端工况，在舱外大气温度45℃、海水温度32℃、相邻空舱温度35℃，考虑太阳的辐射热，将No.4～No.6舱段中最大的两个液货舱的温度维持在20℃以下。

同时考虑在舱外大气温度35℃、海水温度32℃、相邻空舱温度28℃，考虑太阳的辐射热，将10个液货舱的温度维持在25℃以下。

热负荷计算按每一液货舱最大允许装舱极限装载环氧丙烷，不考虑货物的温降。

3.2 液货辅助冷却系统热负荷计算与设备布置

液货辅助冷却系统的热负荷按上述的两个设计条件平行计算，其计算结果两者之中取大值。计算的总热负荷约200 kW，考虑了20%的余量，选择冷水机组总制冷量240 kW。冷水机组间布置在安全区域，冷水机组间内放置冷水机组、控制箱、冷媒水给水泵等。冷媒水循环泵间位于危险区域，循环泵采用隔舱传动的方式，电机位于安全区域的循环泵马达间。

3.3 液货辅助冷却系统的设计

该系统利用原液货舱中的加热盘管，在冷却工况时作为冷却盘管使用，不设置独立的舱内液货冷却器。冷水机组间与加热间位于液货区甲板后部。加热系统与冷却系统的三通切换阀位于露天区域，便于系统之间的切换。加热系统与冷却系统之间设有盲通法兰和可拆短管，满足船级社要求。

对于可装载环氧丙烷的10个液货舱，加热盘管将与蒸汽一次加热系统、热油二次加热系统及液货辅助冷却系统相连。3个系统之间的相互切换通过盲通法兰及截止阀来实现。3个系统相互切换操作前，先行泄放管路中的液体（蒸汽凝水、热油或冷媒水），用压缩空气进行吹扫，清除管路中的残液，再使用蒸汽，对管路进行熏蒸及高温冲洗，最后用压缩空气吹扫干净。避免3种介质之间的相互污染问题。

3.4 液货辅助冷却系统配置设备

1）冷水机组单元。由于该船10个液货舱的结构设计压力为0.065 MPa，冷水机组容量可以不按IBC规则要求来配置。该船冷水机组单元按2×50%来配置，即120 kW×2台。每台冷水机组分别包含压缩冷凝机组、蒸发器、膨胀阀及其他相关附件。制冷剂采用R407C环保型制冷剂，满足环境保护的要求。冷水机组的冷却水来自机舱中央低温淡水冷却系统，采用浓度25%的乙二醇/水溶液作为冷媒水。冷媒水进口设计温度为12℃，经过冷水机组蒸发器后冷媒水出口温度为7℃。冷媒水通过液货舱内的盘管，对需要冷却的液货进行换热。

冷水机组单元分3档加载和卸载，分别为33%、66%和100%，2台冷水机组共分为6挡，通过监测冷媒水出口的温度来控制冷水机组加载挡位。控制系统采用PLC控制器实现自动控制。冷水机组单元的挡位加载，主要取决于环境工况及需要冷却货品的总装货量。

2）膨胀柜及相关附件。膨胀柜用于稳定系统压力，防止系统中压力波动影响设备运行和冷却的效果。同时用于保持系统压力，避免液货污染冷媒水。

3）冷媒水给水泵。初次使用液货辅助冷却系统时，需要通过给水泵从冷媒水舱向系统加注冷媒水，因此设置了1台3m3/h、吸高5 m的冷媒水给水泵。

4）冷媒水循环泵组。用于液货冷却时的冷媒水强制循环，按2×100%来配置，即50 m3/h×0.4 MPa。

3.5 液货辅助冷却系统的改进设想

液货冷却后密度加大，沉积于液货舱的底部，将无法形成类似加热工况的自然对流，必须通过起动液货泵来强制循环。由于液货泵的吸口，以及液货舱的注入口均位于舱的底部，所以采用盘管冷却是否能在液货舱内形成较为均匀的温度场有待实船检验。

环氧丙烷为易燃和易爆化学品，冷却工况的舱外循环将增加营运风险。此时液货管系上方的水雾系统必须处于随时可用状态，将可能出现的泄漏货物冲洗掉。

如何在液货舱内形成有效的冷却循环是液货辅助冷却系统设计的关键，有以下两个改进方案可供选用。

1）为液货辅助冷却系统服务的液货舱增设1个或多个强制循环注入管。该注入管终止于液货舱自由液面下方。冷却工况，关闭液货舱底部的注入口，仅使用位于舱顶部的强制循环注入管，将有利于改善液货冷却循环的效果。

2）为液货辅助冷却系统服务的液货舱上部侧壁增设1组或多组专用的冷却盘管。

4 结语

新型的液货辅助冷却系统，通过较少投资，满足了液货舱装载低沸点化学品时通过冷却液货来减少货损的要求，并利用加热盘管来替代液货冷却器，大幅降低了船舶的建造和维护成本，增强了该类船舶建造和运营的竞争力。

Design of Assistant Cargo Cooling System of a 38 000 DWT Chemical Tanker

ZHU Yong-long1CHEN Jun2
（1.Jiangsu Hantong Wing Heavy Industry Co.，Ltd.，Jiangsu Province 226010，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Due to the loading demand of low boiling point chemicals，whose vapor pressure does not exceed 0.28MPa，in the global chemicals market，the cargo loss and safety operation should be put at the top place.The whole set of cargo cooling equipment is the adopted solution，but cannot be accepted by the buyer because of its expensive cost.A new designed assistant cargo cooling system was introduced，where the chilling unit was equipped and heat change took place between ethylene glycol and cargoby the heating coilsso as to cool the cargo.This system mainly maintained the safe temperature of cargo，preventing the risk of the increase of vapor pressure caused by the temperature rise of cargo.

chemical tanker；low boiling point cargo；cargo cooling；propylene oxide；glycol cooling medium

U674.13+3.2

A

1001－4624（2016）02－0060－03

2016-07-30；

2016-10-15

朱永龙（1986—），男，工程师，从事船舶轮机设计工作。

陈俊（1974—），男，研究员，长期从事船舶轮机设计工作。