20万t级双燃料散货船水雾系统设计

2021-05-06庄士超李欣王怡周熲

船海工程 2021年2期

庄士超，李欣，王怡，周熲

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

随着在远洋船舶中双燃料动力船的增多，天然气的泄漏和着火引起的火灾事故逐渐引起航运界的重视。LNG作为低温燃料，一旦泄露会迅速汽化形成白烟并与周围空气混合后发生爆炸[1]。在远洋船舶上的LNG储存舱体积大，一旦发生着火或者爆炸会对船舶和船上人员造成严重的损伤。所以，如何在大型远洋船舶上针对LNG供气系统进行有效的消防保护，是关乎船舶与人员安全的重要问题。

按照规范要求，远洋船舶一般都会配备相应的消防系统作为保证船舶在海上安全航行的关键保障之一。LNG相关区域或部位的消防系统有水雾系统、CO2灭火系统和干粉灭火系统。各系统具有各自的特点适用于不同的火情，设计时应根据船舶的具体情况采用有效的灭火形式[2]。双燃料LNG相关区域固定灭火系统应按《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》(以下简称《IGF CODE》)的要求配备，具体要求见表1。

在LNG相关区域和部位中，水雾系统的应用范围远大于干粉灭火系统和CO2灭火系统[3]。水雾系统由消防泵或水雾泵将海水由消防总管输送至各支管段，再由布置在支管段上的喷嘴将海水以小颗粒的水雾状喷射至限界面，在起到消防灭火的作用的同时，还能够冷却燃料舱，便于LNG的低温保存，降低燃爆几率。沿燃料舱下流的消防水还能够降低燃料舱及鞍座的温度传导梯度，对船体等有一定的保护作用[4]。相对于干粉灭火系统和CO2灭火系统的单一结构、功能和应用场景，水雾系统的设计需要考虑与常规水灭火系统的匹配，消防和冷却两类功能的实现，以及大范围、多场景的应用等。

表1 LNG相关区域固定灭火系统的配置

以20万t双燃料散货船为对象，进行IMO Type-C LNG燃料舱的水雾系统的设计。

1 水雾系统的覆盖区域

20万t级双燃料散货船LNG燃料舱采用IMO Type-C 燃料舱，全长约30 m，直径约12 m，沿船艏方向，布置于主甲板左右两舷侧上，LNG燃料舱及周围的布置见图1。

图1 LNG燃料舱及周围的布置图

根据《IGFCODE》规定，燃料舱位于开敞甲板上时，水雾系统还应覆盖面向燃料舱的上层建筑、压缩机室、泵室、货物控制室、加注控制室、加注站，以及其他甲板室的限界面，限界面距离与罐子在10 m范围以内[5]。如图1所示，针对20万t双燃料散货船，除2个IMO Type-C 燃料舱舱顶之外，还包括面向LNG燃料舱的从E甲板到主甲板的中心公共区域和居住区域的侧壁，主甲板上的救生艇区域和人行走道的侧壁。根据本船的实际布置，中心公共区域内需要布置水雾系统的区域有：燃气处理间及机舱棚侧壁，CO2间及房间侧壁，以及发电机室顶棚。为了使水雾对限界面的防护达到良好的效果，要求喷淋出的水雾要能够完全覆盖限界面。而这一点与所采用喷嘴的喷淋面积和布置方式有关。在20万t级双燃料散货船中，对于舱顶喷嘴采用向上垂直喷射后形成水雾保护舱顶的形式，而对于舱室侧壁则采用水平喷射形成水帘的形式保护舱室侧壁。

喷嘴垂直向上喷射时，水雾在下方水平限界面上可以形成的最大喷淋直径。其中，左图表示当喷嘴距离限界面安装高度不低于0.9 m时，水雾的喷淋直径可达4.4 m，右图表示当喷嘴距离限界面高度不低于1.2 m时，喷淋直径可达6 m。图3表示喷嘴水平喷射垂直的限界面时，在限界面上所能形成的最大喷淋直径为3 m。

图2 喷嘴垂直喷射时水平限界面上的水雾直径

图3 喷嘴水平喷射时限界面上的水雾直径

喷嘴型号及相应参数见表2。单个喷嘴流量按照下式进行估算[6]。

(1)

式中：Q为在p值的水压下喷嘴的水流量，L/min；K为喷嘴系数，为喷嘴的固有因子；p为喷嘴工作压力，MPa。

表2 20万t级双燃料散货船水雾系统所用喷嘴的参数

喷嘴的安装高度要根据实际的安装空间确定，同时喷嘴数量和规格的选用也要考虑到船用疏水泵组的功率。针对该散货船，在满足水喷淋范围全面覆盖到所有限界面的情况下，为实现喷嘴数量和水喷淋排量最小化，结合厂家经验，对于水平限界面上的喷嘴采用6 m的安装高度，而对于垂直的限界面，喷嘴距离限界面3 m左右。各个区域的面积及喷嘴数量见表3。

燃料舱舱顶、救生艇区域和走道的水喷淋管路及喷嘴布置见图3。

根据中心上建区域剖面所展开的中心公共区域侧壁的喷淋管路及喷嘴布置见图4。

如图4所示，水雾系统的喷嘴所喷淋出的水雾覆盖了所有的限界面，达到了对限界面消防保护的效果。

表3 各区域喷嘴距离、型式与方向设计

图4 水喷淋消防布置

图5 各个侧壁喷淋管路及喷嘴布置

2 水雾系统排量计算

根据《IGF CODE》规定，水雾不仅要覆盖表3中的4个区域，且对于水平喷射表面，其喷射率为10 L/(min·m3)，对于垂直喷射表面，其喷射率为4 L/(min·m3)。根据规范要求，4个区域所需要的水雾喷淋量可按下式计算。

(2)

水喷淋系统的设计除了满足喷淋的水雾能够覆盖所有限界面之外，还需满足规范对于不同区域的水量要求。因此，需要对所设计的水雾系统的不同区域内水雾喷淋量进行计算。

(3)

由以上两式计算出按规范要求的各个区域的水量以及设计的水雾系统在各个区域的喷淋水量，结果见表4。

表4 区域的规范要求与设计的水雾排量对比 L/min

由表4可知，针对20万t级双燃料散货船设计的水雾系统满足规范对限界面喷淋水量的要求，由各个区域的喷淋水量可计算限界面水雾系统的总排量为929.76。

3 水雾泵规格确定

对于水雾泵的选择不仅需要考虑水雾系统的实际布置特征和水量，还需要结合船舶已有的消防泵[7]。20万t级双燃料散货船的整个消防用水由1台水雾泵和2台消防总用泵供给，以满足水雾系统和常规的灭火系统所需要的水量。其中，2台消防总用泵的排量为150 m3/h。由于该船2个IMO Type-C LNG燃料舱分别布置于主甲板左右舷侧，在同一时间内，两侧同时失火的概率极低。在消防控制站内水雾总管的布局见图6。

图6 消防控制站内水雾总管原理图

2根水雾总管分别由2个独立的遥控蝶阀控制。一般情况下，2个遥控蝶阀都处在关闭状态，但当在船舷一侧发生火情时，负责该舷侧的遥控蝶阀开启，将来自消防总管的给水输送至发送火情的区域。

所以，LNG相关区域水雾系统的水量只需要计算单侧燃料舱及其周围限界面所需要的最大水量。此外，在油漆间、垃圾房等依然区域需要加装水雾喷嘴，其总用水量为15 L/min。所以，实际水雾系统的用水量为488.46 m3/h。

根据《IGF CODE》要求，消防泵的总排量需要同时满足操作所需数目的消火栓、消防软管及水雾系统。SOLAS要求，消火栓的数量和位置应至少使两股不是有同一消火栓喷出的水柱可射至船舶航行时乘客或船员通常可以到达的任何部分。对于20万t级双燃料散货船而言，当消火栓的水量达到50 m3/h时可满足规范要求。则水雾泵的水量为238.46 m3/h。

考虑到喷嘴的工作压力，本船实际所选用的水雾泵的规格为250 m3/h，压力为1.2 MPa，满足规范和设计要求。