LNG动力船双壁管通风设计及风机选型

赵桐鸣,郭双淇

(青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司 气体开发部,山东 青岛 266101)

相比较传统能源石油,液化天然气(LNG,Liqufied Natural Gas)是一种更安全可靠、清洁环保、经济高效的能源,近年来受到了制造业的广泛关注。随着船舶排放标准要求的提高,LNG逐渐在汽车运输船、集装箱船、散货船等多种船型上得到了一定应用。但由于液化天然气会对船体结构造成低温损伤,一旦泄露将会迅速爆炸,对于LNG船舶的设计要求更为严格。

1 LNG双壁管通风系统

由于主机、发电机、锅炉等设备布置在机舱,为确保机舱的安全性,在进行LNG供气系统设计时,需对封闭处所内的相关燃气处理设备以及燃气管路采取适当的安全保护措施。如使用双壁通风系统:内管通天然气,外管通过风机对其抽风产生负压,一旦发现供气管路泄露,会将危险气体抽到安全区域以避免燃气供给管路的燃气泄漏到机舱等安全区域。

对于中小型船舶来说,使用风机对于双壁燃气管道的内外环形空间及燃气阀组单元(Gas Valve Unit,GVU)进行通风[1];但是对于大型船舶,供气管路的主阀至主辅机管路过长,仅通过主阀控制燃气管路仍存在泄露的风险,需要在主阀及主辅机GVU管路之间增加燃气应急切断阀组单元(Gas Emergency Cut-off Valve Unit,GECU)进行进一步控制,GECU在设备维修时将燃气设备与供气系统隔离,并用氮气对上下游管路进行吹扫。由于每个用气设备燃气供应的双壁管区域都需采用独立的机械负压通风系统,因此对于此种发电机的供气管路需要三个进风口才能满足要求,见图1。

图1 发电机的双壁管通风单元示意图

图1为发电机的双壁管通风单元示意图,主要包括发电机及其GVU、GECU、双壁管内管、外管及风机、风量开关气体探测等。风量开关用于监测双壁管通风系统的风量,气体探测用于监测是否有燃气泄漏。

2 通风量计算

根据IGF规范要求,双壁管和气体安全机器处所内气体阀件单元处所的通风系统应独立于所有其他通风系统;双壁燃气管道系统的内外管环形空间以及GVU阀组应通过机械风机保证持续通风,每小时至少换气30次并且通过气体探测器实时检测燃气管的气体泄漏[3]。GECU同GVU结构大致相同,同样需要满足规范通风要求。

假设通风次数为每小时30次,则图1中风机A双壁管通风量计算公式为:

QA=30×(Q1+Q2+Q3+Q4)

(1)

(2)

(3)

式中,Q1为GECU至GVU双壁管单次通风量,L1为其对应长度;Q2为GVU至发电机双壁管单次通风量,L1为其对应长度;Q3为GVU阀箱容积;Q4为发电机内部双壁管环形空间容积;D1为双壁管外管内径,D0为双壁管内管外径。

风机B双壁管通风量计算公式为:

QB=30×(Q5+Q6)

(4)

式中,Q5为GECU到机舱的双壁管单次通风量,L5为其对应长度,其计算公式与Q1相同;Q6为GECU阀箱容积。

以瓦锡兰发电机W9L34DF为例,该GVU体积为1.2 m3,发电机内部环形空间体积为0.053 m3。根据式(1)式(4)可以计算出风机A和风机B需要的风量,考虑一定余量后可以得到风机选定的风量,计算结果见表1和表2。

表1 风机A风量计算结果

表2 风机B风量计算结果

可以得知,发电机GVU,GECU的风机所需的通风量均为60 m3/h,所选的风机必须要满足此通风量的需求。

3 管路压力损失计算

3.1 计算原理

风机选型不仅需要考虑通风量,还要考虑静压值。风机的静压值为负压值与管路压力损失的总和,一般来说,双壁管的环形空间需要机械抽风维持在2 000 Pa的负压状态,为得到风机选型所需的静压值,需要对通风管路的压力损失进行计算。在风机初步选型时,需预留余量,在船厂放样后,再根据详细管路布置计算压力损失来核对选型是否正确。管路压力损失包括沿程压力损失、局部压力损失两个部分。

3.1.1 沿程压力损失

沿程压力损失是由空气本身的黏滞性及其与管壁间的摩擦而产生的沿程能量损失[3],可由公式(5)算出。

(5)

式中,λ为摩擦因数,L为管道长度,m;D为当量直径,m;ρ为风量密度,kg/m3;v为流速,m/s。对于摩擦因数的计算。

如果雷诺数Re<2 000(层流):

(6)

如果雷诺数2 000

(7)

式中,K为绝对粗糙度;d为圆管内径,mm;β为过渡区λ的计算系数。

如果雷诺数4 000

(8)

如果雷诺数105

(9)

但在工程应用上摩擦因数值λ变化很小,近似于常数,而管路及流体一定,不考虑密度变化时[5],(5)式可以转变为:

△Pf=k0ν2

(10)

由于:

(11)

因此,管路的沿程阻力与流量的平方成正比,比例关系为:

(12)

(13)

3.1.2 局部压力损失

局部压力损失是流体流经局部障碍时,由于液流的方向和速度的突然变化,导致边界层分离产生漩涡而造成的能量损失,可由公式(14)算出。

(14)

式中,为局部阻力系数ξ;n为局部障碍数量。管路及流体一定,不考虑密度变化时,管路的局部阻力仍与流量的平方成正比,比例关系为:

(15)

(16)

常见的管路局部阻力系数ξ见表3。

表3 常见的管路局部阻力系数

除了管路自身产生的压降,空气经过发电机及GVU会产生压降,且压降大小与风量有关,由于本项目的GECU与GVU环形空间容积相同,结构相似,因此在初步选型的时候可以参考厂家提供的GVU压降曲线,发电机及GVU的压降曲线见图2～3。

图2 发电机W9L34DF风量压降曲线

3.2 计算过程

对于该系统中,GVU前进风管有两路,此时需考虑到两进风管路的风量分配。针对一根管路,沿程阻力损失和局部压力损失与风量平方成正比,风量越大,压降越大,但两根管路均进入到GVU阀箱,视为并联管路。对于并联管路,各支路管路阻力应尽量相等[6],不然并联管路会自动平衡。由于发电机压降相较于管路的压降较大,因此发电机所在进风管风量应相对另一管路小很多才能保证GVU阀箱两进口压力的稳定。而GECU部分的风机吸入口即为进风口c,无需考虑进风口风量分配的情况。

3.2.1 风机A吸入口前的压力损失计算

假定温度20 ℃,空气密度为1.2 kg/m3,该段通风管路尺寸、长度信息见表4。

表4 风机A吸入口前管路信息

根据表1及表2结果,风机A选定的风量为60 m3/h,为获得较为准确的流量分配,本文计算了两路进风口到GVU管路在五组流量分配下的压力损失,以进风口a至GVU风量为8 m3/h(进风口b至GVU风量为52 m3/h)为例,计算过程见表5。

表5 进风口a风量为8 m3/h下进风管的压力损失

同样可以分别计算出进风口a至GVU风量为4,6,8,10,12 m3/h情况下两路进风口至GVU的压力损失。将五组计算结果进行汇总,见表6。

表6 不同流量分配下进风口至GVU的压力损失

可以得到两路进风管的压力损失与进风口a的风量关系,见图3。

图3 两路进风管的压力损失与进风口a的风量关系

图3 GVU风量压降曲线

由图3可以得到两曲线交点处进风口a风量为6.85 m3/h,进风口b风量为53.15 m3/h 时,两管路到GVU的压力损失ΔPtga=ΔPtgb=116.7Pa,流量分配相对合理。为了验证曲线的正确性,计算此时对应的压力损失见表7。

表7 进风口a风量为6.85 m3/h下进风管的压力损失

根据表7,可得到曲线及公式计算的压力损失的误差为:

式中,ΔPtc,ΔPtg分别为根据公式计算的总压降计算结果,根据曲线查出的总压降计算结果。两条管路的计算误差均小于5%,因此,两路进风管的压力损失与进风口a的风量关系曲线比较准确,得出的两进风口的流量分配也比较准确。

3.2.2 风机B吸入口前的压力损失

假定温度20 ℃,空气密度为1.2 kg/m3,该段通风管路尺寸、长度信息见下表8。

表8 风机B吸入口前管路信息

其管路压降计算结果见表9。

表9 风机B吸入口前压力损失

风机一般要求负压为2 000 Pa,在以上计算的基础上考虑余量,风机A可以选用静压为2 500 Pa的风机,风机B可以选用静压为2 300 Pa的风机。在调试前,风机进风管的流量分配可以通过节流孔板或者调节阀进行调节。

4 结论

双壁管通风系统是LNG供气系统设计中的重要一环,对整个LNG动力船极为重要。不仅需要在风机选型前计算压降及风量,还要根据最后的船厂布置图进行仔细核算,如果风机初步选型比实际需求较大时,可以通过节流孔板来调节进风口。