化学品船货舱冷却系统研究

刘海天，李佳娜，叶 兵

（中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁 大连 116001）

化学品船货舱冷却系统研究

刘海天，李佳娜，叶 兵

（中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁 大连 116001）

运输一些低沸点和半气态的货品会对化学品船的设计建造产生重大影响，冷却货舱是一种有效的手段。本文从公约规范角度入手，对货品物理性质及设备现状进行了分析，阐述了货舱冷却系统设计的特殊要求及解决方法。

化学品船；低沸点货物；货舱冷却；制冷机组

0 引言

化学品船作为高技术船舶，在其设计初期就需要对拟装运货物的性质进行全面研究，如易燃性、毒性、腐蚀性及对环境的污染等。货品的物理性质同样需要重点考虑，常规化学品船装载的货品在大气环境状态下为液态，故多数化学品船货舱的设计压力为0.025 MPa。对于低沸点或半气态的货品，规范定义为在环境温度下绝对蒸气压力超过大气压的货品，则要求相应货舱有更高的设计压力。根据IBC CODE，货舱高压力的替代方案为在船舶运输过程中对货品进行冷却[1]。

目前国内尚未建造过货舱具备冷却功能的化学品船，本文将根据规范公约、货品性质对化学品船的冷却系统进行研究，以解决货舱冷却系统对船舶设计所带来的问题，从而提出一套解决方案，为未来相应船舶的建造做好技术准备。

1 化学品船规范规则及需考虑的主要货品种类

1.1 规范规则

1）《国际散装运输危险化学品船舶结构和设备规范》(IBC CODE)[1]。

根据IBC CODE第1章1.1.2：“本规则所包括的液体是指那些在温度为37.8℃时，其蒸气压力不超过0.28MPa绝对压力的液体。”故本文所探讨的货品范围为在37.8℃时其绝对蒸气压力超过0.1013MPa低于0.28MPa的货物。

该规则第7章货物温度控制相关要求对货物加热及冷却提出了总则性的要求。第17章最低要求一览表列出了装载每种货物对化学品船配备的最低要求，相应低沸点货品需满足对应具体章节所描述的特殊要求。

2）船级社规范

每个船级社都有各自的化学品船规范，其主要内容与IBC CODE一致，同时提出了许多其他细节要求，如环境条件及设备数量的限定等。故在进行系统设计时需要针对船舶所对应的船级社规范进行研究，以满足相应要求。

1.2 需考虑的主要货品种类

IBC CODE 15.14明确了在37.8℃时其绝对蒸气压力超过0.1013MPa的货物冷却要求，故IBC CODE第17章最低要求一览表第o栏中若存在15.14相关描述，则需要确认此货品是否存在冷却要求，共计15种货品[1]。表1中所列的几种化学品为产量及运输规模较大的货品。

表1 常见低沸点化学品

IBC CODE第17章中个别货品名称为某类化学品的总称，如表1中提到的戊烷(所有异构体)就包含了多种化学品。每种化学品具有各自的物化性能，所以需要设计方与船东及时明确拟装载的化学品，以便做出相应的方案。

对于某些在 37.8℃时其绝对蒸气压力未超过0.1013MPa 的货物，船东可能会出于安全考虑对一些低闪点或低沸点的货品提出冷却要求。例如正丙烯酸丁酯Butyl acrylates，虽然并未达到规范所要求的蒸汽压力，但由于其较低的闪点，也可能存在冷却的需求。

除了IBC CODE中的货品，某些易挥发的油类也需要进行冷却，这类主要是部分低沸点的石脑油。

2 液货冷却系统

2.1 液货冷却系统类型

化学品船的液货舱冷却形式主要分为舱外冷却(图1)及舱内冷却(图2)。舱外冷却即通过货油泵将货品从货舱内排出至甲板上的换热器，经该换热器冷却后注入舱内。舱内冷却即通过循环泵将制冷介质驳运至舱内的换热器使货舱保持低温。

图1 舱外冷却系统原理

图2 舱内冷却系统原理

舱外冷却的优点是安装方便、设备相对便宜、初期成本较低，但在舱外冷却过程中，货油泵需参与运行，操作相对复杂。同时出于安全考虑，船东不希望某些货品如环氧丙烷和异戊二烯在液货舱以外进行循环。故目前多数具有冷却系统的化学品船都采用舱内冷却。本文也主要对舱内冷却系统进行研究。

冷却系统甲板上管路应当包绝缘，设置相关阀门，以便隔断每个液货舱的冷却系统并可以用人工调节流量。冷却系统应配备设施，确保在任何情况下(系统排空者除外)均能使系统的压力高于液货舱内货物作用于该系统的最大压力[1]。

2.2 液货冷却系统配置

进行液货冷却系统的换热量计算，首先应当确定该货舱需要保持的温度，该温度应当低于基准温度。基准温度系指货物蒸气压力与压力释放阀的设定压力相当时的温度[1]。本文研究的货舱是未进行结构强度特殊考虑的化学品船，货舱的设计压力为0.025MPa，压力释放阀的设定值为0.02MPa。对于不同的货品，应查找其在绝对饱和蒸汽压力为0.121MPa(即0.02MPa+0.101MPa)时的温度，货舱的设计温度应当低于该温度。然后根据环境条件、货舱容量等计算热量传递得出换热器的容量，最后进行相应制冷机组的选型设计。

由于冷却系统应能在任何情况下保持舱内的液体温度低于基准温度，故至少应配备能根据液货舱内的温度变化进行自动调节的2整套制冷装置。每套装置应配有完整的正常作业所必需的辅助设备，其控制系统应能进行人工操作，应设有报警器，用于指出温度控制的故障。故制冷机组及冷却器均应设置独立的两套，每套具有100%的容量。作为替代布置是设3套冷却装置，它们中任何2套应能足以保持液体温度低于基准温度。如果冷却介质只有一种，根据规范，甲板上的冷却介质管路不需要两套[1]。

同时需要注意，如本文1.2描述，如果该冷却系统不是规范强制要求，而是船东自愿安装，则不需要满足备用要求。

2.3 制冷机组及冷却介质选择

1）制冷机组

根据IBC CODE 7.1.6分析，货舱冷却系统应独立于船上其他用途系统，而且不进入机器处所[1]。故需要为货舱冷却系统设置单独的制冷机组。考虑到系统的稳定性及较大的制冷量，采用冷水机组方式进行冷却。冷水机组的主要组成部分有蒸发器，压缩机，冷凝器、制冷介质循环泵、储存柜及膨胀柜等[2](参见图1、2)。

制冷机组应当安装在安全区域，故可在上层建筑区域设置单独的房间作为货舱冷却机组室。

2）冷却介质的选择

关于制冷介质的选择，需要注意以下几点：a）不能与货物发生反应；b）冻结温度低于工作温度；c）比热容应足够大；d）不易对管路产生腐蚀[3]。

故冷却介质的选择应当考虑所冷却的货物种类，较多采用的冷却介质为水与乙二醇的混合液。

2.4 冷却器的构造、布置及存放

1）冷却器的构造

由于冷却器安装在舱内，考虑到化学品的高腐蚀性[4]，多采用AISI 316L材质。图3为厂家FRAMO的浸没式冷却器，主要组成部分为顶板、管集及底部循环单元。冷却介质通过位于顶板的接管进入冷却管集，管集为热量交换的主要部件，经换热后从顶板排出循环至制冷机组。底部循环单元包含一个较小的透平装置，冷却介质除了冷却功能，同时推动透平运转以带动货品舱内循环，保证冷量的均匀传递。

图3 舱内冷却器

2）冷却器的布置

由于冷却器中部及底部需要设置支撑与货舱侧壁固定，故冷却器均应靠舱壁安装。冷却器在舱内的布置应使冷却器相互之间的距离尽可能远，最大可能保证货舱内温度均匀。

3）冷却器的存放

冷却器可以永久安装在货舱内，但考虑到冷却器构造较为复杂不利于洗舱，在不用此冷却器时可考虑将其移出货舱存放。故作如下设计：a）冷却器与甲板上的冷却介质管路之间采用软管连接，方便冷却器拆除；b）货舱主甲板上设置单独的房间用于冷却器的存放；c）货油软管吊尽量覆盖冷却器布置区域及存放房间，以便于冷却器的吊装。由此可将需要冷却的货舱及冷却器存放空间设置在软管吊附近。

3 案例分析

化学品船货舱冷却系统较为复杂，为便于理解，下面举一个例子，以某船厂2009年建造的25000dwt II类化学品船作为研究对象，考虑一对货舱装载环氧丙烷带来的影响。

为方便冷却器的吊装，将货油软管吊覆盖的 4号货舱(P&S)作为需冷却的货油舱，冷却器不用时的存放间也布置在货油软管吊覆盖区域，在上建主甲板设置单独房间布置冷水机组。具体布置参见图4。

图4 主要设备布置

关于货品的基准温度，即货物蒸气压力与压力释放阀的设定压力值相当时的温度，可查询相应的化工手册。但由于化学品种类较多，饱和蒸汽压力随温度的变化性很大，不便于内插，故多数情况下可采用安托尼(Antoine)方程进行计算[5]：。

式中，P为饱和蒸汽压力，mmHg，T为温度，℃。A、B、C为物质的自有关联系数。环氧丙烷的安托尼常数：A=7.06492、B=1113.6、C=232。

经计算，饱和蒸汽压力为0.121MPa时的温度为39.1℃，此温度即为基准温度。但此温度只是一个初步的数据，在此温度下，该舱的压力调节阀正处于临界开启状态。由于货舱设置压力传感器及高压报警，报警值为表压力0.018MPa，正常状态下此报警值不应被触发。同时考虑到热量传递的不均匀，为保证一定的安全性，把货舱的保持温度设定为25℃。根据MSDS查询，此温度下环氧丙烷的饱和蒸汽压力为0.07586MPa，远低于压力释放阀的开启压力。

对于单个货舱的热传导计算，假设其相邻舱为空舱，温度为35℃。CCS规范对环境条件有明确的描述，海水温度32℃，空气温度45℃[1]。根据以上条件及货舱尺寸即可算出每个货舱的吸热量约为252kW。根据换热量及规范对于冷却系统备用性的要求，每个货舱设置4台冷却器(其中1台备用)，每台冷却器的容量为90kW。冷却器在舱中的布置可参见图5。

制冷机组的选型设计基于两个货舱同时冷却，故设置两台并联的制冷量为560kW的冷水机组，一台工作，另一台备用。冷却介质采用水与乙二醇的混合液，进出冷却器的温度为～3℃/5℃。由于冷却介质同时推进冷却器底部透平装置，为减少设备磨损，在管路中设置滤器，滤器及循环泵设置两套，其中一套备用。

图5 案例船型货舱冷却器布置

4 结语

本文通过对IBC CODE货品清单中低沸点和半气态货品性质及货舱冷却相关规范研究，总结了货舱冷却系统对化学品船设计的特殊要求，结合设备厂家技术，提出了可行的解决方法，这对于未来具有货舱冷却功能化学品船的建造具有指导作用。

[1]中国船级社.国际散装运输危险化学品船舶构造和设备规范,2009

[2]沈维道,蒋智敏,童钧耕.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2002

[3]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(第3版)轮机分册[M].北京:国防工业出版社,2013

[4]Frank Mohn AS.Installation of submerged heat exchanger[M].Framo mounting instruction,2008.

[5]马沛生.化工热力学(通用型)[M].北京:化学工业出版社,2005.

Study on Cargo Cooling System of Chemical Tanker

LIU Hai-tian,LI Jia-na,YE Bing
(China Ship Design & Research Center Co.,Ltd.,Dalian 116001,China)

The transportation of low-boiling-point cargoes and semi-gases has a great impact on the chemical tanker design and construction.Cargo cooling system is an effective approach.Based on regulations and rules,the chemical cargo physical property and equipment current situation were analyzed.Finally,an example was provided to illustrate the requirements and solutions for cargo cooling system design.

chemical tanker; low-boiling-point cargo; cargo cooling; refrigerating unit

U674.13+3.2

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.003

刘海天（1983-），男，工程师，从事船舶轮机管系设计及研究工作。