LNG燃气双壁管抽风机选型及计算验证

秦 俊 孟 宁 杨 帆

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2. 92569部队 三亚572000）

引 言

近年来，为了减少对海洋排放的污染，国际海事组织（IMO）已经规定在2020年全球海域将燃油的含硫量上限设为0.5%；而一些特定的排放控制区，含硫量的标准则定位0.1%之内。因此，面对这些日益严苛的排放规定，LNG燃料作为可代替燃油的绿色清洁能源，在船舶领域中异军突起，迅速成为船东们的首选项。然而LNG带来的不只是清洁能源这个优势，同时也对动力系统安全性带来了严峻的考验。LNG船舶的高安全性要求对LNG燃气系统的通风系统设计也提出了更高要求。

本文将着重对双壁管抽风机如何适当选型进行说明，为以后可能遇到的设计预先准备。

1 LNG燃料的特点

LNG是一种可代替清洁能源，相较于传统的燃油有着天然的优势，与其他气体燃料相比，也有无法比拟的优势。

（1）环保性

LNG是一种绿色环保洁净能源，几乎不含硫、粉尘等其他有害物质。燃烧时产生的CO少于其他化石燃料，对GHG（温室气体）效应的危害小，可以从源头帮助解决环境污染问题。

（2）经济性

由于目前原油价格的不稳定性，柴油目前的价格在4 000元/t左右上下浮动。而LNG则是2 700元/t 左右。虽然LNG的燃烧效率不如船用燃油那么高，但是从目前市场来看，LNG的价格还是有不少优势。

（3）安全性

相较于其他气体燃料来说，LNG易散发、比重轻于空气，不容易积聚成爆炸集体，也不会污染水体。LNG燃点在650℃以上，较柴油燃点更高；同时，LNG的爆炸浓度低于LPG的1.5%～9.5%（LNG为5%～15%），不易瞬间爆炸，故更为安全。

2 LNG系统通风的必要性

一般情况下，LNG燃气系统可以由燃气加注站、燃气储存罐、燃气气化单元、燃气输送管道、燃气阀组、燃气用户、惰气单元、通风系统和燃气探测等组成。各功能单元相互组合后形成一个复杂的燃气供给系统。图1为一个简化版的LNG燃气供给系统图。可以看出，整个燃气系统自储存罐开始至燃气用户需要经过数个不同的区域。

图1 典型双燃料LNG船燃气系统示意图

其中，机舱内是一个相对密闭的处所，若发生燃气泄漏，则会导致燃气大量聚集有爆炸隐患。

因此，燃气泄漏的检测以及燃气泄漏后的迅速排除对于整船安全是一个至关重要的步骤。一般情况下，船上的燃气管道会采用双壁管的形式，将意外泄露的燃气包裹在内管与外管之间，减少其对管外区域安全的影响。而双壁管夹层中的燃气需要使用风机将其抽离至船上事先划分的安全区域进行应急排放，使双壁管内部处于负压状态，对于该抽风机的选型具有一定要求。

此外，根据IGC CODE 的第16.3 章规定：气体燃料管应被安装在通风管或管道内，在气体燃料管和通风管或管道内壁之间的空间，应设置机械抽风设备，其排量至少为每小时30次；与此同时，通风系统最好需要将双臂管内压力维持在低于大气压力的状态下。本文所述通风系统为燃气管的双壁管设置了抽气风机，并推荐了计算方法，以满足每小时30 次的通风要求。

图2 双壁管管示例

3 双壁管通风系统风机选型的计算方法

正确选择风机是保证整个通风系统良好工作的一个重要步骤，而正确地选择风机则需要对整个通风系统所需风量以及静压进行估算。每台风机都有着不同的风量及静压，因此预估一个通风系统的沿程阻力以及所需风量至关重要。而在先期设计中，因为无法预估船厂放样后的具体燃气管数据，往往只能估算风机所需风量以及静压，以便船厂订货。因此，当放样结束之后，需要对整个系统进行再次核算，来确定风机的选型是否符合整个系统所需的要求。

在验证风机选型正确与否的过程中，需要对整个双壁管管路所需的每小时30次换气量、沿程阻力、局部损失等数据进行逐个计算并叠加来确保风机的风量及静压足够支撑整个系统的运行。

3.1 双壁管沿程阻力损失

沿程阻力是由空气本身的粘滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失，因此其与管路长度成正比关系。其公式可以表示为：

式中：

λ

为管内摩擦阻力系数；

d

为当量直径，m；

ρ

为流体密度，kg/m；

V

为流体流速，m/s。

式（1）中的摩擦阻力系数计算公式：

式中：

λ

为管内摩擦阻力系数；

d

为当量直径，m；

Re

为雷诺数。

雷诺数公式表达：

式中：

Re

为雷诺数；

v

为平均流速，m/s；

d

为管子的内径，m；

γ

为运动粘性系数15.06×10。

3.2 计算结果及选型

以机舱内阀间到主机段双壁管为例，整段管路的原理图见下页图3。

图3 机舱管内燃气供给管示例

机舱内阀间至吸风口风阻计算以及机舱内主机至吸风口风阻计算可能见下页表1和表2。

可以从上述计算表格中看出，两个管段的计算阻力结果。阀间至抽风口双壁管段的风量需求大约为30 m/h，阻力损失大约为0.465 Pa。主机至抽风口管段的风量需求大约为20 m/h，阻力损失161 Pa。因此，在选择此管段抽风机时，风机风量控制在50～55 m/h为宜。而风机的静压选择除了要考虑到管路的阻力外，还需要满足系统负压要求，以X92DF机器为例，其要求负压保持在2 000 Pa左右，因此可以选择静压为3 000 Pa左右的风机。

表1 机舱内阀间至吸风口风阻计算

表2 机舱内主机至吸风口风阻计算

4 结 语

在设计整个船舶LNG系统时，系统通风的重要性必须在前期考虑进去。同时，对于燃气管来说，双壁管的内部通风至关重要，需要在选好风机时需要对整个系统进行验算，检查是否符合系统整体所需风量以及阻力的需求，并根据阻力计算的结果来进行最后的风机选型。