38 000 DWT化學(xué)品船液貨輔助冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱永龍陳俊

（1.江蘇韓通贏吉重工有限公司，南通226010；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

船舶機(jī)電

38 000 DWT化學(xué)品船液貨輔助冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱永龍1陳俊2

（1.江蘇韓通贏吉重工有限公司，南通226010；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

全球化學(xué)品運(yùn)輸市場(chǎng)中存在低沸點(diǎn)化學(xué)品的運(yùn)載需求。該類(lèi)化學(xué)品在37.8℃時(shí)其飽和蒸氣壓力不超過(guò)0.28 MPa，需要充分考慮裝載此類(lèi)高揮發(fā)性化學(xué)品的貨損和安全問(wèn)題。一種做法是配備成套的液貨冷卻裝置系統(tǒng)，但是其價(jià)格昂貴，船東難以接受。為此介紹了一種新型的液貨輔助冷卻系統(tǒng)，配備冷水機(jī)組，利用液貨艙加熱盤(pán)管將冷媒水與低沸點(diǎn)液貨進(jìn)行熱交換，從而實(shí)現(xiàn)液貨冷卻的目的。該系統(tǒng)能將液貨維持在安全溫度，降低液貨溫升帶來(lái)的液貨艙蒸氣壓力增大的風(fēng)險(xiǎn)。

化學(xué)品船；低沸點(diǎn)液貨；液貨冷卻；環(huán)氧丙烷；乙二醇冷媒

0 前言

38 000 DWT化學(xué)品船是上海船舶研究設(shè)計(jì)院2014年為香港金威船務(wù)有限公司和海南中化船務(wù)有限公司設(shè)計(jì)的不銹鋼化學(xué)品船，入LR和CCS雙船級(jí)，掛香港旗。該船為雙殼、雙底、單上甲板，橫艙壁采用水平槽形艙壁，液貨區(qū)域設(shè)置一道中縱干隔艙，液貨區(qū)域前后端設(shè)干隔艙的一型化學(xué)品船。液貨艙邊界采用雙相不銹鋼，構(gòu)件均位于液貨艙外側(cè)，適用于IMOⅠ、Ⅱ、Ⅲ型船裝載的液態(tài)化學(xué)品和成品油。全船共分隔成30個(gè)整體液貨艙，包括4個(gè)Ⅰ類(lèi)艙，用于裝載Ⅰ類(lèi)化學(xué)品。

為滿(mǎn)足低沸點(diǎn)化學(xué)品的運(yùn)載要求，該船的第4（左/右/中左/中右）液貨艙、第5（左/右）液貨艙和第6（左/右/中左/中右）液貨艙，共10個(gè)液貨艙，按滿(mǎn)艙裝載密度1 000 kg/m3，高速壓力真空閥設(shè)定值0.06 MPa的液貨設(shè)計(jì)。除了可裝載普通化學(xué)品外，也適用于裝載在37.8℃時(shí)其飽和蒸氣壓力超過(guò)0.101 3 MPa的部分液貨，包括：二氯甲烷、戊烷、戊烯、環(huán)氧丙烷和異戊二烯等貨物。

1 載運(yùn)環(huán)氧丙烷的特殊要求

該船貨品清單中包含低沸點(diǎn)的液貨環(huán)氧丙烷，將由上述10個(gè)液貨艙載運(yùn)。環(huán)氧丙烷性質(zhì)特殊，一個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)34℃，密度859 kg/m3（20℃）。屬于易燃和易爆化學(xué)品，吸入、吞食或皮膚接觸均有害，并可能致癌，所以需要充分考慮其運(yùn)輸時(shí)的安全性。另外，環(huán)氧丙烷的化學(xué)性質(zhì)活潑，應(yīng)防止與電火花、靜電、熱源、酸、堿等接近。這些在IBC規(guī)則中均有相關(guān)的要求，此處不再贅述。

環(huán)氧丙烷在45°時(shí)的飽和蒸氣壓力可以達(dá)到0.15168MPa，為此專(zhuān)門(mén)配置了設(shè)定壓力為0.06 MPa的高速壓力真空閥，同時(shí)相應(yīng)液貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力提高到0.065 MPa，已滿(mǎn)足IBC規(guī)則對(duì)整體重力液貨艙的結(jié)構(gòu)安全要求，該船不需要配置液貨冷卻系統(tǒng)。但船東為了降低運(yùn)輸時(shí)的液貨艙蒸氣壓力，盡量減少貨損，保證運(yùn)輸過(guò)程中的安全性，要求該船增配了一種液貨輔助冷卻系統(tǒng)。

2 FRAMO液貨冷卻裝置系統(tǒng)

迄今為止，全球較為可靠成熟的液貨冷卻系統(tǒng)僅挪威FRAMO公司能成套提供。其原理是為每個(gè)需要冷卻的液貨艙配備1臺(tái)或多臺(tái)浸沒(méi)式的液貨冷卻器，全船配置冷水機(jī)組和冷媒水循環(huán)泵等，見(jiàn)圖1。

圖1 FRAMO液貨冷卻系統(tǒng)原理圖

FRAMO液貨冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)液貨艙圍蔽的熱負(fù)荷配置浸沒(méi)式液貨冷卻器，冷卻器端部設(shè)置水力透平，冷媒水同時(shí)驅(qū)動(dòng)水力透平實(shí)現(xiàn)液貨在艙內(nèi)的循環(huán)冷卻，避免液貨艙內(nèi)溫度不均勻的問(wèn)題。由于該浸沒(méi)式冷卻器僅FRAMO一家公司能夠供貨，價(jià)格非常昂貴。而液貨冷卻器僅在載運(yùn)少數(shù)貨品前才需要安裝，平時(shí)并不安裝在艙內(nèi)。假如其布置位置不在油管吊的覆蓋范圍內(nèi)，將需要由岸吊來(lái)幫助完成冷卻器的安裝。由于化學(xué)品船靠泊碼頭的管理要求，船東往往需要租借浮吊在錨地才能完成冷卻器的安裝，費(fèi)用較高。

3 液貨輔助冷卻系統(tǒng)介紹

38 000 DWT化學(xué)品船液貨輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是如何充分利用船舶現(xiàn)有的設(shè)備配置，以最小的資金投入，使得部分液貨艙具備一定的冷卻能力。

3.1 液貨輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件

液貨輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于以下極端工況，在艙外大氣溫度45℃、海水溫度32℃、相鄰空艙溫度35℃，考慮太陽(yáng)的輻射熱，將No.4～No.6艙段中最大的兩個(gè)液貨艙的溫度維持在20℃以下。

同時(shí)考慮在艙外大氣溫度35℃、海水溫度32℃、相鄰空艙溫度28℃，考慮太陽(yáng)的輻射熱，將10個(gè)液貨艙的溫度維持在25℃以下。

熱負(fù)荷計(jì)算按每一液貨艙最大允許裝艙極限裝載環(huán)氧丙烷，不考慮貨物的溫降。

3.2 液貨輔助冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算與設(shè)備布置

液貨輔助冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷按上述的兩個(gè)設(shè)計(jì)條件平行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果兩者之中取大值。計(jì)算的總熱負(fù)荷約200 kW，考慮了20%的余量，選擇冷水機(jī)組總制冷量240 kW。冷水機(jī)組間布置在安全區(qū)域，冷水機(jī)組間內(nèi)放置冷水機(jī)組、控制箱、冷媒水給水泵等。冷媒水循環(huán)泵間位于危險(xiǎn)區(qū)域，循環(huán)泵采用隔艙傳動(dòng)的方式，電機(jī)位于安全區(qū)域的循環(huán)泵馬達(dá)間。

3.3 液貨輔助冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用原液貨艙中的加熱盤(pán)管，在冷卻工況時(shí)作為冷卻盤(pán)管使用，不設(shè)置獨(dú)立的艙內(nèi)液貨冷卻器。冷水機(jī)組間與加熱間位于液貨區(qū)甲板后部。加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的三通切換閥位于露天區(qū)域，便于系統(tǒng)之間的切換。加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)之間設(shè)有盲通法蘭和可拆短管，滿(mǎn)足船級(jí)社要求。

對(duì)于可裝載環(huán)氧丙烷的10個(gè)液貨艙，加熱盤(pán)管將與蒸汽一次加熱系統(tǒng)、熱油二次加熱系統(tǒng)及液貨輔助冷卻系統(tǒng)相連。3個(gè)系統(tǒng)之間的相互切換通過(guò)盲通法蘭及截止閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。3個(gè)系統(tǒng)相互切換操作前，先行泄放管路中的液體（蒸汽凝水、熱油或冷媒水），用壓縮空氣進(jìn)行吹掃，清除管路中的殘液，再使用蒸汽，對(duì)管路進(jìn)行熏蒸及高溫沖洗，最后用壓縮空氣吹掃干凈。避免3種介質(zhì)之間的相互污染問(wèn)題。

3.4 液貨輔助冷卻系統(tǒng)配置設(shè)備

1）冷水機(jī)組單元。由于該船10個(gè)液貨艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力為0.065 MPa，冷水機(jī)組容量可以不按IBC規(guī)則要求來(lái)配置。該船冷水機(jī)組單元按2×50%來(lái)配置，即120 kW×2臺(tái)。每臺(tái)冷水機(jī)組分別包含壓縮冷凝機(jī)組、蒸發(fā)器、膨脹閥及其他相關(guān)附件。制冷劑采用R407C環(huán)保型制冷劑，滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)的要求。冷水機(jī)組的冷卻水來(lái)自機(jī)艙中央低溫淡水冷卻系統(tǒng)，采用濃度25%的乙二醇/水溶液作為冷媒水。冷媒水進(jìn)口設(shè)計(jì)溫度為12℃，經(jīng)過(guò)冷水機(jī)組蒸發(fā)器后冷媒水出口溫度為7℃。冷媒水通過(guò)液貨艙內(nèi)的盤(pán)管，對(duì)需要冷卻的液貨進(jìn)行換熱。

冷水機(jī)組單元分3檔加載和卸載，分別為33%、66%和100%，2臺(tái)冷水機(jī)組共分為6擋，通過(guò)監(jiān)測(cè)冷媒水出口的溫度來(lái)控制冷水機(jī)組加載擋位?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。冷水機(jī)組單元的擋位加載，主要取決于環(huán)境工況及需要冷卻貨品的總裝貨量。

2）膨脹柜及相關(guān)附件。膨脹柜用于穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，防止系統(tǒng)中壓力波動(dòng)影響設(shè)備運(yùn)行和冷卻的效果。同時(shí)用于保持系統(tǒng)壓力，避免液貨污染冷媒水。

3）冷媒水給水泵。初次使用液貨輔助冷卻系統(tǒng)時(shí)，需要通過(guò)給水泵從冷媒水艙向系統(tǒng)加注冷媒水，因此設(shè)置了1臺(tái)3m3/h、吸高5 m的冷媒水給水泵。

4）冷媒水循環(huán)泵組。用于液貨冷卻時(shí)的冷媒水強(qiáng)制循環(huán)，按2×100%來(lái)配置，即50 m3/h×0.4 MPa。

3.5 液貨輔助冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)想

液貨冷卻后密度加大，沉積于液貨艙的底部，將無(wú)法形成類(lèi)似加熱工況的自然對(duì)流，必須通過(guò)起動(dòng)液貨泵來(lái)強(qiáng)制循環(huán)。由于液貨泵的吸口，以及液貨艙的注入口均位于艙的底部，所以采用盤(pán)管冷卻是否能在液貨艙內(nèi)形成較為均勻的溫度場(chǎng)有待實(shí)船檢驗(yàn)。

環(huán)氧丙烷為易燃和易爆化學(xué)品，冷卻工況的艙外循環(huán)將增加營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)液貨管系上方的水霧系統(tǒng)必須處于隨時(shí)可用狀態(tài)，將可能出現(xiàn)的泄漏貨物沖洗掉。

如何在液貨艙內(nèi)形成有效的冷卻循環(huán)是液貨輔助冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，有以下兩個(gè)改進(jìn)方案可供選用。

1）為液貨輔助冷卻系統(tǒng)服務(wù)的液貨艙增設(shè)1個(gè)或多個(gè)強(qiáng)制循環(huán)注入管。該注入管終止于液貨艙自由液面下方。冷卻工況，關(guān)閉液貨艙底部的注入口，僅使用位于艙頂部的強(qiáng)制循環(huán)注入管，將有利于改善液貨冷卻循環(huán)的效果。

2）為液貨輔助冷卻系統(tǒng)服務(wù)的液貨艙上部側(cè)壁增設(shè)1組或多組專(zhuān)用的冷卻盤(pán)管。

4 結(jié)語(yǔ)

新型的液貨輔助冷卻系統(tǒng)，通過(guò)較少投資，滿(mǎn)足了液貨艙裝載低沸點(diǎn)化學(xué)品時(shí)通過(guò)冷卻液貨來(lái)減少貨損的要求，并利用加熱盤(pán)管來(lái)替代液貨冷卻器，大幅降低了船舶的建造和維護(hù)成本，增強(qiáng)了該類(lèi)船舶建造和運(yùn)營(yíng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

Design of Assistant Cargo Cooling System of a 38 000 DWT Chemical Tanker

ZHU Yong-long1CHEN Jun2
（1.Jiangsu Hantong Wing Heavy Industry Co.，Ltd.，Jiangsu Province 226010，China；2.Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute，Shanghai 201203，China）

Due to the loading demand of low boiling point chemicals，whose vapor pressure does not exceed 0.28MPa，in the global chemicals market，the cargo loss and safety operation should be put at the top place.The whole set of cargo cooling equipment is the adopted solution，but cannot be accepted by the buyer because of its expensive cost.A new designed assistant cargo cooling system was introduced，where the chilling unit was equipped and heat change took place between ethylene glycol and cargoby the heating coilsso as to cool the cargo.This system mainly maintained the safe temperature of cargo，preventing the risk of the increase of vapor pressure caused by the temperature rise of cargo.

chemical tanker；low boiling point cargo；cargo cooling；propylene oxide；glycol cooling medium

U674.13+3.2

A

1001－4624（2016）02－0060－03

2016-07-30；

2016-10-15

朱永龍（1986—），男，工程師，從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

陳?。?974—），男，研究員，長(zhǎng)期從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。