某大型LNG船机舱通风系统设计和建模

周荣辉， 顾 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

某大型LNG船机舱通风系统设计和建模

周荣辉， 顾 瑾， 裴奕奕

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

研究某型LNG船机舱通风系统原理，根据详细设计提供的功率参数，运用极限升温法，算出整个机舱维持满负荷工作所需的总通风量，确定适合的机舱通风以及分配方式；根据机舱通风管路原理图，运用三维干涉检查法，设计机舱通风系统管路三维物理模型，验证风管的布局合理性，为风管生产设计提供模型依据。

LNG船；机舱；设计和建模；通风系统

0 引 言

目前，机舱通风系统的设计主要采用机械通风和自然排风扇组合的方式,用风机将两舷外侧的新鲜空气通过风管送入机舱各处，在机舱内吸热后从天窗、烟囱或排风格栅排出。

船舶机舱是船舶的心脏，其间交叉密布了各种机械及电力设备。设置船舶机舱通风管路系统的目的是提供主、副机或锅炉及其他设备燃烧和散热时所需的空气量，以及满足机舱散热和排废气的需求。为保证机舱内良好的通风工作环境，必须对机舱通风管路系统进行统筹优化设计。

船舶机舱通风要求在机舱内建立并保持适宜的通风环境条件,良好的通风可以为员工提供舒适的工作环境，保障机械设备正常负荷运转,有效排除废气，减少安全隐患及事故的发生。

1 通风系统原理

1.1 通风系统

本文的研究对象为沪东中华造船(集团)有限公司承建的大型LNG船机舱通风管路系统，采用1台主机、3台发电机(船舶全速航行时开启2台，1台备用)，锅炉、副机以及其他机械设备等无间隔地布置在整个高大机舱内。

该型LNG船机舱通风的原理是通过机械抽风机将外界新风经由通风管路送入机舱大环境内供机械动力设备工作使用，同时吸收机舱内机械动力设备的负荷工作散热，通过回风系统排出[1]。利用机械送风机经由若干通风格栅，将新鲜空气均匀送进机舱大环境，再充分采用自然出风口将已经污染的有害气体排至船外，从而达到LNG船机舱内通风换气及散热的目的[2]。

1.2 通风系统设计

机舱通风管路系统一般由进风口、出风口、通风机、通风管道及其附件等组成。

(1) 设计LNG船机舱通风管路时,须维持通风管路内的微正压环境,正常设计时不超过50 Pa。

(2) LNG船机舱通风管路的原材料和连接附件等须经防腐处理，并且能够防止海水侵蚀。

(3) LNG船机舱通风管路在满足正常通风量使用的条件下，应尽可能地优化尺寸，简化结构，这样可有效地减少摩擦力和阻力。在管径产生变化的连接部位应尽量采用渐扩或渐缩管。由于LNG船机舱布局紧凑,在有弯头的地方,风管的弯头可根据需要选用适当的形状。在三通管路的连接处，气流尚未稳定,不要接交换器和通风格栅。

(4) LNG船机舱通风管路设计须统筹考虑防火防爆的综合要求。

LNG船舶机舱通风系统的送风量很大，机舱内设备的散热量也很大，可搭配与降温型空调器一起使用来降低舱内温度，可以有效排出机舱内余热。

2 通风量计算

极限温升法参照初始设定的船舶机舱温度，根据详细规格策划书中各相关机械设备的功率进行计算，得到各大型负荷运转的机械设备的通风量和散热量，接着计算得出总体负荷运转的总送风量。极限温升法认为空气燃烧量及各种设备散发出来的热量是随着功率的增加而增加的，适用于总通风量相对比较大的舱室。

该LNG船机舱属于高大空间，布局紧凑，多种机械设备交叉布置，属于总通风量比较大的舱室，因此决定采取极限温升法来计算LNG船机舱维持总体负荷运转所需的总通风量。

通风计算具体参照“ISO 8861—1998[3]造船——柴油机船舶机舱通风——设计要求和计算基础”来进行。计算得出的总通风量应满足LNG船机舱全部机电设备满负荷工作时最大通风量的需求,并且满足排除LNG船机舱内所有机械设备散热所需的总通风量。

2.1 燃烧所需通风量

根据极限温升法，参照各相关机械设备的功率开展计算。该LNG船机舱主要设备技术参数如下：主机1台，功率4 010 kW，4 冲程；发电机3台，发电柴油机功率410 kW，4 冲程，航行状态时同时开启2台运行，1台备用；组合型燃油锅炉1 台，功率约500 kW；废气锅炉 1 台，功率约500 kW。

机舱通风计算依据“ISO 8861-1998”国际标准环境状况，大气压力100 kPa,外界气温取+35℃，相对湿度为70%，空气密度为1.2 kg/m3，比热为1.01 kJ/(kg·K)。

设计工况系数：外界环境温度为+35℃，气压为101 kPa，温升ΔT：最大12.5 K，ΔT= 舱内设计温度51.5℃ - 送风温度39℃，空气密度ρ取1.2 kg/ m3，空气质量热容C取1.01 kJ/(kg·K)。

燃烧所需空气量：

主机燃烧所需空气量qdp=pdp×mad/ρ= 6.68 m3/s；

发电柴油机燃烧所需空气量qdg= 2×pdg×mad/ρ= 1.367 m3/s；

锅炉燃烧所需空气量qb=pdb×mfs×maf/ρ=0.20 m3/s；

燃烧所需空气总量qc=qdp+qdg+qb=8.247 m3/s。

式中：pdp为主机最大连续输出功率，kW；mad为柴油机耗氧系数，0.002 kg/(kW·s)(4 缸)；pdg为发电柴油机最大连续输出功率，kW；pdb为燃油锅炉功率；mfs为燃油消耗量，0.11 kg/(kW·h)；maf为每消耗1 kg 燃油所需的空气量，15.7 kg。

2.2 散热所需通风量

设备散热所需空气量：

锅炉散热量φb=pdb×B1×Δhb/100 =45.52 kW ；

式中：B1为锅炉位置系数，B1= 0.1 ；Δhb为锅炉最大连续输出时热损失百分比，取91.04%。

蒸汽管及凝水管散热量φp= 5 kW；

排气管散热量φep= 5.225 kW。

电气设备总散热量：LNG船机舱电气设备包括照明灯具、电缆管路通道和各种电气设备等，按电气所有设备全部负荷使用，估算结果φe1= 13.38 kW。

其他小型箱柜及设备散热量估算为φ0= 9 kW。

全部设备散热所需空气量为

2.3 总通风量

机舱所需总风量：

A 方式：QA=qc+qh= 22.21 m3/s= 79 956 m3/h≈80 000 m3/h。

B 方式：QB=1.5×qc= 1.5×9.327 m3/s= 13.990 5 m3/s < A 方式。

取大者，所以该LNG船机舱所需的总风量约为80 000 m3/h。

结合该LNG船实际布置情况，决定采用两个机械电动送风机对LNG船机舱进行送风(均分总的通风量80 000 m3/h，即平均每台机械电动风机的风量选择为40 000 m3/h)，左右舷对称布置；考虑到不同航行载荷的条件，采用双速风机，根据船舶风机布置规范，综合考虑释放废气后的排风，将其中1台设计为可逆式风机。

3 通风系统设计

船舶机舱通风管路系统一般由进气与排气组织两部分构成。主管为主的管路布局模式,优点是空间布局紧凑,占用空间地方较小,节约空间还能满足通风需求； LNG船机舱通风系统采用主管为主的管路布局模式，系统包含进气和排气两部分，其进气装备包含风管、送风口、进气栅、轴流风机和防火挡板等，其排风装置包含风管、排气格栅、排风口及防火挡板等。

某大型LNG船机舱通风管路系统,其主机、发电机及相关机械设备等无间隔地被布置在整个机舱内。按照“ISO 8861-1998”要求，船舶机舱通风管路系统必须满足微正压前提，通常不超过50 Pa，综合考虑布局及通排风各方式的优缺点，该LNG船机舱通风管路系统设计为机械强制送风自然回风方式。

LNG船机舱通风的主风机设计为2台机械电动风机：1台必须设计为可逆转,可满足在主进风口安装风雨密水密门或者小型舱口盖的需求；同时满足在低负荷的航行过程条件下,可利用那台可逆转的机械电动风机,连接成送风和排风的通风顺畅回路,从而改善换气效果。

设计LNG船机舱通风系统进风口布置时，不能太接近机舱的排风口,防止废气再次被吸入后进行内循环。统筹机舱行车、排气管、菌形通风筒的整体布局安排,通过及贯穿船体结构会损伤结构强度，且不美观和整齐，所以LNG船机械风机设计为左右舷完全对称布置。

在保证有效使用截面积的前提下，矩形风管相对于圆形风管形式灵活,方便做方向或者拐弯等调整,尤其是在空间布局很紧张的机舱大环境下，风管需穿越结构且经常拐弯。同时，矩形风管可充分满足《SOLAS公约》[4]的相关要求，满足防火隔离等级的要求，公约中强制要求壁厚大于(或等于)3 mm的钢质矩形风管必须包扎复合岩棉材料来保护。

机舱属于机械工作场所，其通风管路布局设计时必须考虑绝缘防火保护，尤其是在经过有严格要求的防火等级的舱壁情形下。为满足防火等级及布局需求，该LNG船机舱内管路、电缆及相关机械设备布局多且紧凑，因此该LNG船的机舱通风管道形式决定使用矩形结构风管。

线网式格栅形式有效通风面积大，同样数量的风栅后者出风口风速较大且均匀，综合考虑机舱空间布局情况，该LNG船共布置18个线网式通风格栅来满足机舱通风需求。

结构风管尺寸设计参照《船舶设计手册——轮机分册》[5]，按风管内风速不超过12 m/s 开展设计，且要做到18个通风格栅通风速度均匀，不形成局部死角。由于该LNG船属于大型船舶，其通风量较大，相应的风管尺寸也设计得比较大；参照船舶设计规范，满足详细设计强度要求，将矩形风管设计为3 mm 壁厚的白铁皮制作，外部包设75 mm厚的复合岩棉，满足防火隔离等级要求。

4 机舱通风系统三维物理建模

该LNG船机舱通风系统原理详细设计布置如图1所示，在SB3DS-PEPE模块中，开展三维放样工作，建立矩形风管的原始模型，尽量注意优化异径及三通接头的连接布置，弯头尽可能少采用；综合考虑结构、电气、舾装、轮机等其他专业的平衡布置，经过多次协调，确认各自的布局，反复开展三维干涉检查工作，确认风管管路的最佳布局，将18个通风格栅做到尽可能地均匀布置在整个管路系统中。最终，该船机舱三维通风布置消隐形式如图2所示。

图1 机舱通风系统原理图

图2 全机舱通风系统三维模型

为了更清楚地表达出LNG船矩形风管结构走向，对船体结构及其他机械设备做删减处理，提炼后的机舱风管三维模型图如图3所示，图4给出了三维俯视图。

图3 风管系统三维模型

该LNG船机舱通风方式为强制机械送风和自然排风相组合的方式，风机设计风量为80 000 m3/h，共均匀布置18个相同规格的格栅口，满足均匀通风需求，保障机舱负荷运转条件。

图4 风管系统三维俯视图

5 结 论

通风系统不仅要维护机舱内基本的工作环境，提供主、副机和锅炉等动力机械设备在运行时的燃烧用空气，满足冷却主、副机等机械设备的散热需求，还需维持环境温度，为设备和工作人员提供换气呼吸必要的新鲜空气，提供优良的工作环境，保持空气清洁并排出废气。 船舶舱通风管路是整条船的呼吸系统，四通八达，布置于每个舱室之中，通风从格栅出来流向整船舱室，如何建立整船的通风模型，统筹考虑大型设备(如主机、发电机等)布局，综合考虑人体舒适度，改善格栅口或布风器的整体布局是未来的发展方向。

[1] 何治斌.船舶空调系统的建模与仿真[D].大连：大连海事大学，2011.

[2] 周俊男.舰船舱室气流组织的数值与实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[3] 中国船舶工业总公司.柴油机船舶机舱通风设计条件和计算基准：CB/T 3772-1996[S]. 北京：中国标准出版社，1997.

[4] 国际海事组织.国际海上人命安全公约[EB/OL].[2013-01-19].http://wenku.baidu.com/view/8901fodc28ea81 c758f5788b.html.

[5] 中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册——轮机分册[M].3版.北京：国防工业出版社，2013.

DesignandModelingofEngineRoomVentilationSystemonaLNGShip

ZHOU Ronghui， GU Jin， PEI Yiyi

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute， Shanghai 200032, China)

The principle of ventilation system in the engine room on a LNG ship is researched. According to the power parameters provided by the detailed design, the total ventilation rate of the whole engine room which can maintain the demand for full load work by the limit speed temperature control, the suitable ventilation and distribution mode of engine room are determined. According to the schematic diagram of vent line, the 3D physical model of vent line of the engine room is designed by 3D interference inspection, which verifies the rationalization of the layout of the vent line and provides the basis of production design for vent pipes.

LNG ship; engine room； design and modeling; ventilation system

周荣辉(1984-)，女 ，工程师，研究方向为船舶舾装设计

1000-3878(2017)06-0052-05

U664

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