110 m CNG运输船货舱通风系统设计分析

李岳洋，何建军，石真肖，王 飞

(1．江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003；2.江苏韩通船舶重工有限公司，江苏 南通226302；3.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

0 引言

CNG运输船是指将天然气压缩到1/200，使其容积大幅度缩减，常温环境下存储在船上耐压的气瓶中以气态形式进行运输的船舶。目前，国内外海上船用运输天然气大都采用液化天然气(LNG)的方式。LNG运送特点是运送量大，压缩比高，但所需成本很大，所以首选长线运输。而CNG运输船在近岸短距离运输上有明显优势，不需要液化及汽化设施，即可实现最大经济效益。经过实验发现，在输送的距离(925 n mile)和天然气的输送容量都一样的情况下，CNG 船在整个运输过程中花费的运输费用仅为LNG 船的40%至50%，因此CNG运输船成为近岸天然气运输方式的首选[1-2]。

本文结合CNG运输船货舱储存压缩天然气的特点，分析货舱温度及热源条件，计算得到货舱通风量，合理布置风机、管路及阀件附件等设备，实现CNG运输船货舱通风系统设计。

1 船舶概述

110 m CNG运输船为世界首艘CNG运输船，主机采用1台瓦锡兰双燃料主机，挂旗国为印度尼西亚。全船总长110.92 m，型宽17.60 m，型深9.00 m，设计吃水5.20 m。本船为双底双壳单甲板结构；货舱为双舷侧双底、纵骨架结构，由四道平面舱壁分为五个货舱。货舱容积约736 000 m3，可容纳832只气瓶，其中44只气瓶可作为主机燃料。气瓶的工作压力为25 MPa。货舱无惰性气体保护。

2 通风要求

本船满足美国船级社(ABS)和印尼船级社(BKI)双船级社相关规范要求，同时需满足国际散装运输液化气体船舶构造与设备规则(IGC code)。本船航行区域常年平均温度保持在23～33 ℃，整个货舱温度不得高于38 ℃[3-4]。

3 通风系统分析及计算

目前，在国外设计的CNG运输船采用紧凑盘管式Coselle技术的存储方式。这种存储方式是把天然气压缩到27.5 MPa压力下再储存在52.4 mm(6 in)长的小口径盘卷管路中，这就是典型的Coselle系统。货舱采用充注惰性气体来控制舱内的天然气浓度，使之低于爆炸极限。另设有机械通风作为辅助措施。在相关人员进入货舱前，开启强制排风，降低货舱内的天然气浓度，直至达到安全值。这种形式的储运方式对管路的要求很高，且需具备专门的货舱加热系统来抵消卸载天然气时吸热对货舱盘圆管路钢材的影响，同时在施工过程中存在较高的技术难点，造价高昂[5-8]。

本船的LNG钢瓶在货舱内垂直放置，每只钢瓶及附属管路均为单一模块，便于安装和固定。货舱内进行不间断地强制排风，使其天然气浓度低于爆炸点[9-11]。机械通风作为货舱保护的主要形式，大大减少了船舶设备的配置，降低了船舶的建造成本。

温度对货舱的装载量也有很大的影响，在计算货舱通风量时需考虑到这一点。取外界的环境温度为35 ℃，相对湿度为90%的情形来计算船舱的通风量。本船货舱有两个主要的热源：第一是辐射热，主要是在将天然气注入汽缸期间，天然气被连续压缩，汽缸被挤压，导致瓶内温度和瓶子表面温度上升并将热量散发到货舱内部；第二是货舱的甲板余热或舱壁的渗透热。

以1号货舱设计为例，1只钢瓶注满天然气大约会向货舱内部辐射出1.24 kW的热量，每只钢瓶注满天然气需要12 h。1号货舱一共装有92只钢瓶，所有钢瓶同时充注天然气时，货舱产生的热辐射为Q1=114.08 kW。

在货舱的侧壁，主要是顶部和主甲板上方应铺设50 mm岩棉进行隔热，传热功率Q2的计算公式如下：

Q2=SK(T1-T0)

式中：T1为货舱日晒甲板当量温度,T1=68 ℃；K为传热系数，K=0.9 W/(m2·K)；S为甲板面积，S=113 m2；T0为货舱温度，T0=38 ℃。

经计算，Q2=3.05 kW。

ABS对CNG 运输船货舱通风的要求为每小时不得小于8次。1号货舱的容积约1 379 m3，参照ABS规定，1号货舱的通风计算量大于等于11 032 m3/h。在分析货舱通风量、钢瓶的渗透热量和热辐射的基础上，计算得到内部的总热量Q=Q1+Q2=117.13 kW。

为了使供风温度TC控制在28 ℃左右，该设计在供气口加装制冷剂水冷盘管以冷却空气。同时货舱所需通风量qh按下式计算：

qh=Q/[ρc(T0-TC)]

式中：c为空气比热容，c=1.01kJ/(kg·K)；ρ为空气密度，ρ=1.13 kg/m3。

经计算，qh=36 946.29 m3/h。

qh是货舱所需的实际通风量。由于供风时需要进行一定的冷却，货舱通风形式选用2台双速防爆机械抽风机，每台风机通风量为39 000 m3/h，风机的静压约760 Pa。

4 通风布置

根据IGC code 12.1.6的要求，危险区域的通风口应距离以下区域至少10 m以上，这些区域包括生活区以及服务区和紧密相关的安全区域，最主要的是它的开口和通风口的设置。另外在通风口布置的问题上，务必要让空气的排出方向是向上的。根据IGC code 12.1.9的要求，在通风管外，务必要让所选风机的驱动电机必须安装在此位置，风机采用无火花型。众所周知， 空气的密度比天然气的密度大，进气口的设置区域必须在底部，与此同时排气口的位置也应该处于货舱的顶部区域。最应该注意的问题是：通风系统的死角以及通风系统的短路。货舱机械通风布置示意见图1。

排风风筒从图中可以看出临着艏部服务舱室，它的位置处在货舱艏端，进风风筒的位置处在货舱艉端，货舱风机和风筒布置图见图2。

货舱机械通风布置示意见图3。从图3a)中可以看出，新风在进入预冷却排管，经降温处理后，被相应的管道送达货舱的底部区域，同时可以观察到在货舱的一端，有一个供给面形成，这就是空气供给面。在空气被经过间隙输送到另一端，通过排风口，在货舱的顶部被排到空气之中，见图3b)。这种布置有两大优点：一是降低了空气流动的阻力，可以有效避免小循环和货舱死角；二是可以加速实现舱内空气的大循环，并能快速流动从而产生了全面的通风。

图3 货舱机械通风布置示意

5 结语

本船每个货舱均布置2台双速防爆机械抽风机，风机速度要求自动控制，随气货的装卸状态自动调整风机速度。正常情况下，需满足货舱区域8次/h的换气频率；在探测到气体泄漏的紧急情况下，需30次/h进行换气，即货舱区域每2 min换气一次。全船5个货舱内共布置69台冷风机，使货舱内温度在装卸气体工况下维持在35 ℃左右。通过货舱通风计算，合理布局优化设置风机、监控和温度自动控制设备等，确保货舱区域的安全性及易控性，从而使设计的货舱通风系统具有安全性高、易控制、低成本等优点。