船舶LNG燃料双壁管通风计算和风机选型

0 引言

LNG作为一种清洁、高效的能源，日益受到人们的青睐，越来越多的船东选择LNG作为船舶的动力燃料，尤其是天然气运输船舶，使用自身运输的天然气作为燃料不失为一个既经济又环保的选择。与此同时，预防和检测天然气的泄露是确保船舶安全的重要前提，目前常用的措施是采用双壁管路，对外壁机械抽风产生负压，及时发现泄露，把泄露气体排放到安全区域。正确选择风机可以使管路负压值和换气次数达到安全要求。

1 通风系统功能与要求

天然气供气管路使用双壁管，内管作为天然气流通管路，同时对外壁机械抽风产生负压，整个系统由以下几个主要部分组成：天然气供气管路（机舱外）；供气双壁管（机舱内）；通风进口（带可调风闸）；发电机和阀组；压力传感器；到风机管路；风机；通风出口。

图1 通风系统图注：1-天然气供气管路（机舱外）；2-供气双壁管（机舱内）；3-通风进口（带可调风闸）；4-发电机和阀组；5-压力传感器；6-到风机管路；7-风机；8-通风出口。

规范要求含有燃料管系的双壁管应设置有效的抽吸式机械通风系统，其通风能力应为每小时至少换气30次。本文所计算系统的总容积为1.65m3，即选用的风机排量应不小于49.5m3/h。

为确保系统的安全性，设置压力传感器（序号5），只有当负压达到预定值时，天然气供气阀门方可开启，否则将锁定并触发报警。本文计算的系统使用瓦锡兰主机W6L20DF，推荐负压值为20mbar（即2000Pa）。

2 计算方法和流程

每个型号的风机都有一条由实验求得的风量-静压特性曲线，同时管路系统根据不同的风量计算压阻，也可以得到风量-压阻的特性曲线，对2条曲线进行修正并拟合，得到的交点即为工况点。工况点需要满足第1节中的风机排量和负压的要求。通风计算流程如图2所示。

图2 流程图

3 管路压强损失计算和特性曲线

管路中的压强损失（也称压损或压阻）包含沿程损失和局部损失2个部分，当风量不同时，管路压强损失不同，从而得到风量-压损特性曲线，如图3所示。

图3 管路特性（风量-压损）曲线

3.1 沿程损失

沿程损失来自于摩擦损失，可按以下公式计算：

式中，Δ Pf=为沿程损失（P a）； f(为摩擦因数，无因次；L为风管长度（m）；Dh，为水力直径（mm）；V为速度（m/s）；P为密度（kg/m3）。

在层流范围内（雷诺数Re＜2000），摩擦因数只是Re的函数：

对紊流、摩擦因数取决于雷诺数和管子内表面粗糙度。

摩擦因数的计算公式为：

式中，ε 为管壁绝对粗糙度（碳钢管取值0.15mm，不锈钢管取值0.015mm）。

如果 f '≥0.018 , f=f '流动光滑区

如果 f '＜0.018, f=0.85 f'+ 0.0028流动粗糙区

雷诺数：

式中，μ 为动力黏度（m2/s）。

式中，Dh为水力直径（mm）；A为风管截面积(mm2)；P为横截面周长（mm）。

3.2 局部损失

局部阻力是流体通过管路中的管件、阀门时,由于变径、变向等局部障碍，导致边界层分离产生漩涡而造成的能量损失。按式（6）计算：

式中，jPΔ 为局部阻力损失（Pa）；ξ 为局部阻力系数，无因次；v 为速度（m/s）；ρ 为密度（kg/m3）。

4 风机选型

将3个不同的风机特性曲线（厂家试验结果）代入管路特性曲线，如图4所示。

风机1与面域的相交线风量大于49.5m3/h，但压强都处于2000Pa下方，负压不满足要求，不适用。

风机2和风机3与面域的相交线风量大于49.5m3/h，且负压达到2000Pa，均适用。

图4 风机选型图

风机3曲线位于风机2的右上方，风量和压强都比风机2的大很多，会产生更大的功率消耗。

风机2的风量和压强都达到要求，且比较适中，综合考虑经济性，选型风机2。

实船测试结果（风机2）：1号发电机通风进口风量为74.27m3/h（风速为6.22m/s），2号发电机通风进口风量为78.33m3/h（风速为6.56m/s），风机总风量为152.6m3/h，风机处压差为2600Pa，以上结果与设计曲线基本吻合。

图5 实船测试结果

5 结论

（1）风机选型时要使用厂家的试验曲线，理论曲线通常未考虑风机系统本身的压强损失，与试验曲线存在偏差，有时候偏差很大。

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