13 000 DWT敞口多用途重吊船轮机设计要点

杨 玮 高 晶 马幽雅

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

13 000 DWT多用途重吊船入级DNV GL船级社，满足无限航区要求，E3等级冰区加强，轮机入级有AUT和EP-D附加标志。上层建筑布置在首部，全船设有两个货舱，甲板上可载运包装形式的所有危险品，货舱内以包装形式载运1.1-1.6，1.4S，2.1，2.2，3，4（4.3 液体 FP＜23oC 除外），5.1，6.1，8 和 9 类危险品 （需要连续机械通风的危险品除外）。其中No.2货舱长度为105 m，即可带盖又可敞口载运货物。机舱位于No.2货舱后部下方。在详细设计过程中，机舱布置、机舱通风系统、舱底压载系统、冷却水系统、消防系统和应急发电机室布置等的设计和布置遇到了不少难点。

该船目前已顺利交付营运，各项指标均满足要求。本文重点对轮机上述几个系统的设计进行介绍。

1 机舱布置

1.1 锅炉布置

该船机舱位于尾部，如图1所示。为了保证货舱舱壁的连续性和完整性，满足No.2货舱装运大件要求，机舱上部完全被货舱覆盖，属于货舱二甲板的延伸部分。烟囱位于左舷舷侧通道，如图2所示。为使锅炉废气侧蒸发量满足ISO工况、主机CSR点运行时全船蒸汽耗量需要，规格书要求设置1台立式燃油废气组合锅炉，主机和2台发电柴油机的排气管接入此锅炉，燃油侧和废气侧的蒸发量分别为2 000 kg/h 和 700 kg/h＋2×200 kg/h。 立式组合锅炉高约5 900 mm，筒体直径约2 300 mm，由于机舱平台至上甲板的高度只有4.3 m，机舱棚的宽度只有3 m，无法布置立式组合锅炉，因此将锅炉拆分成2个——卧式燃油废气组合锅炉和辅机废气锅炉，分别布置于机舱平台左侧和机舱棚。为此，主机涡轮增压器排气口向后旋转90°，如图2所示，主机排气管以近乎水平布置的方式接入卧式燃油废气组合锅炉的废气侧。

图1 机舱纵剖面（右）

图2 机舱横剖面

1.2 通道布置

因机舱棚横向净宽度只有2.1 m，筒体直径为1 500 mm的辅机废气锅炉布置于此，几乎把机舱棚前后通道截断。由于机舱棚内部的通道被隔断，为了满足海上人命安全公约（SOLAS）有关机舱有1个通向开敞甲板且要能到达安全区域的通道要求，机舱棚前后壁设置通向开敞区域的门，机舱左舷侧布置了2个通道，即1部斜梯、1部直梯，通道最小宽度为600 mm，分别通向上甲板机舱棚前后区域，如图3所示。SOLAS除了要求有1部通向开敞处所的梯子，还要求设置1个脱险通道，鉴于该船集控室、机修间等布置在机舱右舷，其脱险通道没有按常规设置直梯，而是布置了斜梯，如图4所示。这样既满足SOLAS要求，也能方便船员从上甲板右舷出入机舱。

1.3 油雾箱布置

根据国际载重线公约第20条要求的解释，如船舶在夏季载重线吃水横倾小于40°时，空气管开口会被淹没，则装于该开口的关闭装置应为自动式。通常尾机型干货船的烟囱位于上建中部区域，位置较高，机舱油雾箱位于烟囱中上部，通过不带关闭装置的固定式百叶窗与大气相通。但该船上建布置在首部，而烟囱位于尾部舷侧上甲板上，在设计吃水且横倾40°情况下，油雾箱的百叶窗开口会被淹没，所以需设置关闭装置。因油雾箱容积有限，其内部燃油、滑油舱等空气管无法安装带自动关闭装置的空气管头，一旦关闭油雾箱百叶窗，机舱油舱将无法透气，存在安全隐患，因此取消油雾箱百叶窗的设置。经计算，改在油雾箱顶部设置1根管径为DN300的透气管延伸至烟囱顶板。

图3 机舱平台

图4 上甲板

2 机舱通风设计

机舱设置2台可逆转变频风机，布置于机舱后部的上甲板中间区域。因该船在上甲板上设有一层与货舱舱口围高度齐平的载货平台，即顶甲板，机舱风机直接安装在顶甲板下方，为了避免雨天风机吸入大量雨水，在风机前部区域设置了低于风机进风口的挡板，如图1所示。机舱2台风机分别为机舱左侧和右侧提供燃烧和散热的新风，机修间和分油机区域的抽风机设置在右舷。因烟囱位于机舱左舷前端，空间狭小，除布置辅机废气锅炉，还设有3根辅机排气管和1根主机排气管、膨胀水箱、高置油柜和消音器等。为评估烟囱的通风效果，对此区域的排风风速进行了估算，见表1。

由表1可知，按ISO 8861——1998计算，烟囱的排风风速较高，考虑到烟囱格栅净流通面积小于所敷设面积，且还需布置机舱油舱的透气管等，实际烟囱有效排风面积还要减小。为了机舱气流的顺畅，不留死角，降低烟囱排风风速，在上甲板左舷烟囱后部、右舷机舱中部，增设20 000 m3/h的抽风机各一台。理论计算表明，增加了抽风机，机舱左舷纵舱壁和烟囱的排风风速分别为4.9m/s和6.9m/s。经实船验证，2台抽风机同时运行，对机舱通风有了很明显的改善。

表1 机舱烟囱排风量估算

3 舱底消防系统

3.1 设计依据

该船No.2货舱分敞口和封闭两种使用工况。敞口多用途船在敞口情况下既可载运集装箱，也能载运大件。目前生效的公约指导文件有《MSC/Circular.608/Rev.1-Interim Guidelines for Open-top Containerships》。根据《敞口集装箱船规则》要求，货舱消防需采用水喷淋灭火，覆盖单个货舱内所有集装箱，其喷淋水量根据舱口围垂直面积，按1.1 L/m2·min计算，单个货舱长度一般不超过50 m；而当在敞口情况下装运大件时，船级社要求消防喷淋水量按货舱水平面积的5 L/m2·min计算；而当货舱封闭载运1.1-1.6类危险品时，SOLAS要求喷淋冷却水量按货物处所水平区域面积和至少5 L/m2·min计算。由于规范和公约没有针对多用途船敞口货舱的消防要求，该船No.2货舱长达105 m，参照上述要求计算的喷淋水量最大为1080 m3/h，按此配置要求太高，管路无法布置。因此，与GL沟通协商解决方案并达成一致，即参照A.123（V）决议（《关于特种处所固定式灭火系统的建议》），喷淋面积按货舱水平面积计，沿货舱长度每20 m一个分区，喷水率按5 L/m2·min，同时覆盖2个分区配置。综合上述3种货舱载运工况，取其最大计算值。

3.2 计算方法

3.2.1 喷淋泵排量计算

货舱在有盖封闭的情况下，装运1.1至1.6的包装危险品，喷淋水量为5L/m2·min，按货舱水平面积计。该船No.2货舱长度为105 m，水平长度20 m一个分区，喷淋水量同时覆盖2个分区，考虑货舱舱盖和二甲板设置喷淋系统，计算公式见式（1）：

式中：Q——喷淋泵排量，m3/h；

q——喷水率，取5 L/m2·min；

l——No.2货舱分区长度20 m；

b——No.2货舱宽度20 m；

c——裕度，取1.15

将q、l、b、c代入式（1），计算可得Q＝552 m3/h

3.2.2 舱底泵排量计算

舱底泵排量按下列两种方式计算，取其大值：

1） 按船级社规范有关货船舱底水总管内径要求，计算公式见式（2）：

式中：Q——舱底泵排量，m3/h；

d——总管计算内径，取150.2 mm

计算结果：Q＝129.7 m3/h。

2）该船是敞口多用途船，其舱底水系统参照敞口集装箱规则设计，舱底泵排量按下列5点要求计算，取其最大值：

（1）由综合模型试验确定的海上航行状态下最大的每小时货舱上浪量。前期方案设计时，根据敞口集装箱规则，在没有模型试验实测数据情况下，任一敞口货船的最大每小时上浪量不超过400 mm/h，计算公式见式（3）：

式中：L——No.2货舱长度为105 m；

b——No.2货舱宽度为20 m

计算结果：Q＝840 m3/h。

（2）100 mm/h 的降雨量，计算公式见式（4）：

式中：L、b与上节相同

计算结果：Q=210 m3/h。

（3）模型在横浪无动力状态下，耐波性试验所测得的货舱每小时上浪量乘以安全系数2，Q值暂取与（1）中计算值相同，即 Q=840 m3/h。

（4）最大敞口货舱内消防所需水量的4/3，计算公式见式（5）：

式中：喷淋泵排量为552 m3/h；

水枪流量取23 m3/h

计算结果：Q=858.7 m3/h。

（5）相当于封闭货舱所需要的排量，计算公式见式（6）：

式中：喷淋泵排量、水枪流量与上节相同

计算可得Q=805 m3/h。

取上述（1）至（5）计算结果最大值，舱底泵排量取为858.7 m3/h。

该船船模试验显示，海上航行状态下货舱最大的每小时上浪量为36.5 mm/h，横浪无动力状态下货舱最大的每小时上浪量为33.5 mm/h，远小于在没有模型试验实测数据情况下假定的每小时上浪量400 mm，所需舱底泵排量也远小于上述计算值。

综合考虑上述计算和试验结果，最终舱底泵排量确定为858.7 m3/h，实取860 m3/h。

3.3 舱底消防泵配置和运行

《敞口集装箱船规则要求》设置3台舱底泵，其中至少1台泵的排量为上述计算值，另2台泵的组合排量不小于上述计算取值，且此3台泵的布置应使得泵所在处所或主动力源处所发生火灾或其他事故时，其正常运行不受影响，即3台泵需分舱布置，其中1台由应急配电板供电。另根据《敞口集装箱规则要求》，当专用喷淋泵不能工作时，消防泵应作为其备用，总排量需满足喷淋水量的50%。实船舱底、消防泵的配置和运行如表2和表3所示，完全满足规则和实际使用要求。

4 机舱冷却水系统

该船机舱采用中央淡水冷却。中央冷却器及冷却水泵的容量配置，满足当环境温度45℃，海水温度34℃，低温冷却淡水温度36℃，主机SMCR和2台柴油发电机组满负荷运行。该船主机为MAN B&W 7S40ME-B9.5，2014年MAN发布有关主机空冷器冷却水进口温度设定的通函。为了减少缸套、活塞环磨损，减少气缸油耗量，主机空冷器冷却水进口温度设定，建议由原来的36℃改为10℃。其带来的另一个好处，就是主机燃油耗率也有降低，冷却水温度每降低10℃，燃油耗率减少 0.7～1.0g/kW·h，如图5所示。

表2 舱底消防泵配置

表3 No.2货舱敞口封闭载运舱底消防泵运行组合

图5 MAN低速机燃油耗率比较

该船设计前期，在规格书已签字生效情况下，针对通函要求，向船东提供2个方案：方案一，主机空冷器采用海水冷却，其他设备仍采用淡水冷却；方案二，主机空冷器、滑油冷却器冷却水进口温度设定在10℃，另设置2台辅冷却淡水泵，满足柴油发电机组、空调冷藏、空压机等冷却需要，但船东均没有同意，坚持维持低温淡水设定温度为36℃。待详细设计接近尾声，MAN总部再次发布有关空冷器冷却水温度设定要求的通函后，船东提出更改设计，要求既满足主机空冷器冷却水进口温度设定在10℃的要求，在未来又有恢复到设定温度36℃的可能。在设备已订货完毕，不增加成本情况下，冷却水热平衡系统修改如图6所示，至主机低温冷却淡水管路上增加1个温控阀，其设定温度随外界海水温度的变化，尽可能为10℃，减小了主机的缸套腐蚀，降低了燃油耗率。

图6 冷却水热平衡系统

5 应急发电机室布置

该船应急发电机室位于首部上层建筑区域。考虑应发室需连续通风，按照国际载重线公约要求，通风高度必须要满足位置1甲板以上4.5 m，位置2甲板以上2.3 m的要求。该船的通风筒处于位置2，即位于从首垂线起船长的四分之一以前，且在干舷甲板以上两个标准上层建筑高度的露天上层建筑甲板上。该船上甲板下的二甲板为干舷甲板，根据载重线公约要求，通风百叶窗下缘距离顶甲板需为2.3 m以上，可以不设置风雨密关闭装置，如图7和图8所示。但该船应急发电机兼停泊发电机，机组功率为290 kW，应发柴油机的额定功率为405 kW，按SOLAS规定，用作非主推进，合计总输出功率不小于375 kW的内燃机所在处所为A类机器处所，为此设置独立固定CO2灭火系统、1套手提式泡沫枪装置和1具45l泡沫灭火器。从防火角度，在其通风进出口处设置了关闭装置。

图7 应急发电机室布置图纵剖面

图8 应急发电机室布置图横剖面

6 结语

该船作为敞口型多用途重吊船，货舱的布置有其特殊性，对于舱底、消防系统的设计，船级社和国际海事组织均没有针对此类型船舶的规范和公约。为此，在做前期方案设计阶段建议与船级社充分沟通，设计方案提请船级社预审，以避免在后续设计阶段产生重大修改，进而影响设计和建造进度。