8000噸交通補(bǔ)給船的機(jī)艙通風(fēng)布置優(yōu)化設(shè)計

姚劍峰 嚴(yán)鋒泉 李浩東

（廣船國際技術(shù)中心）

0 引言

機(jī)艙通風(fēng)的作用：一是滿足燃燒設(shè)備的空氣需求量；二是帶走各熱設(shè)備的運(yùn)行散熱，兩者相互影響，相互作用。為滿足以上功能，在機(jī)艙風(fēng)管布置上必須滿足燃燒設(shè)備的風(fēng)量要求，且受其它風(fēng)管運(yùn)行情況的影響最小；盡量使各層風(fēng)管風(fēng)量分布均勻及風(fēng)管總阻力損失最小，散熱量集中的區(qū)域應(yīng)加大通風(fēng)量和合理安排通風(fēng)口位置，使得機(jī)艙熱量能夠最有效地散熱，滿足設(shè)備日常運(yùn)行工況需求。目前的產(chǎn)品設(shè)計中，機(jī)艙通風(fēng)量計算均根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO8861-1988 所規(guī)定的計算方式來進(jìn)行計算，燃燒所需空氣量取max{主機(jī)，主發(fā)電機(jī)及鍋爐所需燃燒空氣量之和的1.5 倍；主機(jī)，主發(fā)電機(jī)和鍋爐所需燃燒空氣量與帶走機(jī)艙各設(shè)備總散熱量所需空氣量之和}。其中8000 噸級交通補(bǔ)給船，配有四臺56000m3/h 風(fēng)量的機(jī)艙風(fēng)機(jī)；機(jī)艙配有二臺縱向主機(jī)，三臺縱向主發(fā)電機(jī)，沒有配置鍋爐。機(jī)艙三甲層高7.8m，二甲層高4.85m，船寬20.4m。

1 8000 噸交通補(bǔ)給船機(jī)艙通風(fēng)布置方案存在的問題

原詳細(xì)設(shè)計的機(jī)艙通風(fēng)布置見圖1，該布置方案是按照常規(guī)的風(fēng)管布置方式布置，四臺風(fēng)機(jī)單獨(dú)連接四路結(jié)構(gòu)風(fēng)管，左圖的左邊兩路風(fēng)管分別向兩臺主機(jī)供各40000m3/h 風(fēng)量和機(jī)艙尾部供風(fēng)量；左圖的右邊兩路風(fēng)管分別供一臺發(fā)電機(jī)8000m3/h 燃燒風(fēng)量和機(jī)艙中部供風(fēng)，以及供兩臺主發(fā)電機(jī)各8000m3/h 燃燒風(fēng)量和機(jī)艙前部供風(fēng)。右圖為2 甲下風(fēng)管布置，該船的圍井是偏左布置，所以機(jī)艙2 甲下中部風(fēng)管右偏布置是有利于風(fēng)量流通的。但是8000 噸交通補(bǔ)給船上平臺層高僅2.95m，且三甲板為A60 甲板，甲板下需要鋪設(shè)絕緣，風(fēng)管頂面到三甲板底面之間的距離必須留出500mm 空間包扎A60絕緣，且3 甲下最大風(fēng)管的高度為600mm，所以風(fēng)管底面距離2 甲板面僅1.85m，并且原詳細(xì)設(shè)計風(fēng)管布置是從左到右橫向布置，主風(fēng)管橫向占滿了3 甲下的空間；2 甲下機(jī)艙中間風(fēng)管布置受限于該位置的船體大梁結(jié)構(gòu)，使得風(fēng)管底部距離花鋼板面的高度不到1.8m，導(dǎo)致主干電纜和管子布置困難。經(jīng)過優(yōu)化本船通風(fēng)布置詳細(xì)設(shè)計方案，最后定版機(jī)艙區(qū)風(fēng)管布置見圖2，其中所有風(fēng)管由方形風(fēng)管改為扁圓風(fēng)管，2 甲下無主風(fēng)管，全部從3 甲主風(fēng)管開各支管延伸到2 甲板下。改進(jìn)后3 甲下留出了機(jī)艙兩側(cè)空間位置布置主干電纜。2 甲下沒有主風(fēng)管，有效保證了管子和主干電纜布置及安裝空間。改進(jìn)后的布置也存在一些問題，其中部分風(fēng)管直接從3 甲主風(fēng)管開支管往下延伸，形成了空中風(fēng)管，加大了風(fēng)管固定支架的布置及安裝難度，故需要布置一些特殊的風(fēng)管固定支架，以解決特殊位置無法安裝風(fēng)管固定支架的問題。由于部分風(fēng)管及風(fēng)管固定支架布置不統(tǒng)一，無法實(shí)現(xiàn)同級支管間阻力損失平衡的要求，風(fēng)管的總阻力損失增大，各出風(fēng)口風(fēng)量分布不均勻，需要通過調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)門開度調(diào)節(jié)各出風(fēng)口風(fēng)量。

2 兩種風(fēng)管布置的阻力計算

風(fēng)機(jī)工作時，它所能產(chǎn)生的壓頭，等于該管路系統(tǒng)輸送相同流體所消耗的總壓頭，即管道總阻力。通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)管是相互連接的一個整體，必須遵循各支路阻力平衡規(guī)律，當(dāng)風(fēng)管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和管道尺寸確定后，在同一風(fēng)機(jī)的作用下，各段支管?風(fēng)量是按照阻力平衡規(guī)律自動分配。如阻力不平衡，會導(dǎo)致實(shí)際風(fēng)量與設(shè)計風(fēng)量不符，雖然可以通過調(diào)風(fēng)門等附件調(diào)節(jié)并分配風(fēng)量，但會使非最不利支管的風(fēng)壓多余。8000 噸級交通補(bǔ)給船原設(shè)計方案為方形風(fēng)管布置，所配置的四臺風(fēng)機(jī)參數(shù)為：風(fēng)量56000m3/h，靜壓700pa，空氣密度取1.13kg/m3，風(fēng)機(jī)性能曲線圖如圖3。優(yōu)化設(shè)計后扁圓風(fēng)管布置重新計算，調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量為58000 m3/h。矩形風(fēng)管和扁圓風(fēng)管的結(jié)構(gòu)風(fēng)管橫截面尺寸分別為1400X1100mm 和600x1100mm。由平均計算法可知，二者結(jié)構(gòu)風(fēng)速分別約為10.1m/s 和9.1m/s。扁圓風(fēng)管支管多，管路比較復(fù)雜，但扁圓風(fēng)管的當(dāng)量直徑為矩形風(fēng)管的兩倍，兩種方案下各自阻力大小需由計算確定。

圖1 3 甲下（左圖）和2 甲下（右圖）機(jī)艙風(fēng)管布置圖

圖2 改進(jìn)后3 甲下機(jī)艙風(fēng)管布置圖

由風(fēng)機(jī)性能曲線圖可以看出，在滿足風(fēng)量要求的情況下，用于克服風(fēng)管阻力損失的風(fēng)壓為700pa，如果船廠設(shè)計方案的風(fēng)管阻力增大，那么管路性能曲線會向左上方移動，風(fēng)管風(fēng)量降低，靜壓提高；反之，風(fēng)管風(fēng)量增大，靜壓降低。按照風(fēng)管阻力計算公式計算風(fēng)管總阻力。

P=ΔP+ΔPf;

ΔP=λ·(L/d)·(1/2)ρ·u2 ；ΔPf=ξ·(1/2)ρ·v2

式中：ΔP—風(fēng)管沿程阻力損失，pa；ΔPf—風(fēng)管局部阻力損失，pa；

λ—摩擦阻力系數(shù)，金屬風(fēng)管取0.02；ξ—局部阻力系數(shù)；

ρ—空氣密度，取1.13kg/m3；

L—風(fēng)管長度，m；d—風(fēng)管當(dāng)量直徑，m；

u,ν—風(fēng)管內(nèi)平均風(fēng)速，m/s。

兩種方案均采用單獨(dú)四路風(fēng)管，對每路風(fēng)管中最不利支管的總阻力進(jìn)行計算，矩形風(fēng)管布置方案按照設(shè)計院詳細(xì)設(shè)計圖紙，扁圓風(fēng)管布置方案的阻力損失計算是按照實(shí)際風(fēng)管布置管路進(jìn)行。計算參數(shù)取設(shè)計工況，即機(jī)艙通風(fēng)布置圖中的設(shè)計參數(shù)，矩形風(fēng)管局部阻力系數(shù)參考《船舶設(shè)計實(shí)用手冊-輪機(jī)分冊》中表6.5.5.5 通風(fēng)管中的局部阻力系數(shù)，變截面風(fēng)管的局部阻力系數(shù)取0.07，參考412，取較大值；直角彎風(fēng)管的局部阻力系數(shù)取0.9，參考301,302；雙彎風(fēng)管的局部阻力系數(shù)取0.25，參考306，取最大值；支管的局部阻力系數(shù)參考507，根據(jù)總風(fēng)管和支風(fēng)管的風(fēng)速比，選取最大值；通風(fēng)柵和調(diào)風(fēng)門在最不利支路的工況下，取全開，局部阻力系數(shù)分別為3 和3.5，參考205[2]。對計算做了一些簡化，首先扁圓風(fēng)管實(shí)際模型是兩個半圓和長方形的組合，和理想扁圓風(fēng)管有一定的差距，且其局部阻力系數(shù)暫時沒有可參考的資料，所以本文采用和相應(yīng)矩形風(fēng)管的局部阻力系數(shù)相同的數(shù)據(jù)處理，只是計算總風(fēng)壓時取較小的備用風(fēng)壓系數(shù)，矩形風(fēng)管風(fēng)壓裕量系數(shù)取1.2，扁圓風(fēng)管風(fēng)壓裕量系數(shù)取1.1。各計算結(jié)果見表1 所示。

圖3 風(fēng)機(jī)性能曲線圖

表1 兩種設(shè)計方案下，各風(fēng)路最不利支管總阻力損失

從計算過程中得出，風(fēng)管的管路損失主要是局部阻力損失，即由局部阻力系數(shù)大小和管路流速決定，所以在風(fēng)管布置時盡量減少彎頭和雙彎管等，尤其是流速較大的風(fēng)管。因?yàn)閺臋C(jī)艙通風(fēng)布置的詳細(xì)設(shè)計圖紙上無法具體看出局部阻力附件的形式和數(shù)量，所以只能初步估算風(fēng)管總阻力的大小。從表1 中的結(jié)果可以看出：

（1）矩形風(fēng)管的四路風(fēng)管的壓力損失相差不大，比較平衡，而扁圓風(fēng)管的相差較大。說明在布置過程中，矩形風(fēng)管的布置是比較合理的。

（2）兩種風(fēng)管的總阻力差別不大，這說明即使使用了阻力較小的扁圓風(fēng)管，但是該種風(fēng)管局部阻力較大，總阻力損失反而增大。從計算過程中得出，風(fēng)管的局部阻力損失要遠(yuǎn)大于沿程阻力損失，采用扁圓風(fēng)管以達(dá)到減小總阻力的作用不大。但是在機(jī)艙空間不足的時候，輸送相同風(fēng)量，扁圓風(fēng)管所需的風(fēng)管尺寸較小，這有利于機(jī)艙管路布置。

（3）機(jī)艙前左邊風(fēng)管路的壓力損失最小，我們在選取風(fēng)機(jī)時，可以適當(dāng)減小該路風(fēng)機(jī)的靜壓，以節(jié)省成本。

3 兩種風(fēng)管布置的優(yōu)缺點(diǎn)

綜合以上敘述，下面分析兩種風(fēng)管布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并且總結(jié)一些風(fēng)管設(shè)計中需要注意的問題，給出一些建議。

3.1 矩形風(fēng)管

矩形風(fēng)管的布置是符合風(fēng)管布置的要求的，其綜合考慮了風(fēng)管布置中各同級支路間阻力的均衡性，并且各支路的出風(fēng)口位置也考慮得比較合理。首先，3 甲下后機(jī)艙的兩路支管延伸到靠近機(jī)艙左右壁和機(jī)艙后壁，這種布置有利于風(fēng)量均布，也有利于吹散機(jī)艙局部死角的熱量堆積，從傳熱學(xué)上說是有利于熱對流的。而3 甲下中部，并沒有在主機(jī)上方直接供風(fēng)，而只是在左右兩側(cè)設(shè)置了兩路風(fēng)管。這種布置比較合理，主機(jī)燃燒室的位置靠上，直接在主機(jī)上方供風(fēng)，溫差大，熱應(yīng)力也大，且會被下層風(fēng)帶走部分風(fēng)量，減小了散熱作用。而從兩側(cè)出風(fēng)，冷風(fēng)重，并下沉，且兩側(cè)上升風(fēng)速小，這樣有利于熱交換。2 甲下中間風(fēng)管的出風(fēng)口布置，右邊設(shè)了五個出風(fēng)口，而左邊只有兩個出風(fēng)口，這是考慮了該船是左偏圍井，右側(cè)風(fēng)都會從左側(cè)出，增加了冷風(fēng)在機(jī)艙的停留時間，有利于熱交換的進(jìn)行。

3.2 扁圓風(fēng)管

扁圓風(fēng)管方案減小了風(fēng)管尺寸，且2 甲下沒有設(shè)置主風(fēng)管，均從3 甲下直接向下延伸，風(fēng)管布置上避開了管子密集區(qū)，留出了主干電纜的位置。對于一些船型較小的船舶，受空間限制，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用扁圓風(fēng)管或是圓風(fēng)管布置方案。由于8000 噸級交通補(bǔ)給船機(jī)艙空間有限，實(shí)際布置扁圓風(fēng)管支路較多，各風(fēng)管支管間總阻力不均衡，使得機(jī)艙風(fēng)量的布置只能通過調(diào)風(fēng)門和通風(fēng)柵進(jìn)行調(diào)節(jié)，各路風(fēng)管的總阻力損失增大，必須特別注意各處風(fēng)量，需通過調(diào)節(jié)其他支路的調(diào)風(fēng)門和通風(fēng)柵一起聯(lián)動調(diào)節(jié)各處風(fēng)量。且有些風(fēng)管管路直接從空中走下延伸，故不方便管支架的設(shè)計和安裝。

綜上所述，在通風(fēng)設(shè)計中，應(yīng)該綜合考慮船型大小，主干電纜走向，船體局部大梁結(jié)構(gòu)，以確定風(fēng)管形式；且在設(shè)計風(fēng)管布置時，應(yīng)該盡量保證同級支管間阻力的均衡性和出風(fēng)口位置使得通風(fēng)散熱作用最大化。8000 噸級交通補(bǔ)給船將方形風(fēng)管改為扁圓風(fēng)管后，在實(shí)船調(diào)試階段及試航期間，主機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷水機(jī)組等空氣需求相對較大的設(shè)備，沒有出現(xiàn)通風(fēng)空氣不足導(dǎo)致的相關(guān)問題，各設(shè)備運(yùn)行良好，機(jī)艙的溫度也維持在合理的范圍內(nèi)。雖然現(xiàn)場局部風(fēng)管由于干涉問題，出現(xiàn)過修改，但機(jī)艙整體通風(fēng)效果良好，各個風(fēng)口的風(fēng)速與理論計算基本相符。

4 結(jié)束語

通過在8000 噸交通補(bǔ)給船的機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計中的學(xué)習(xí)和分析，可以得出一些設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和建議供后續(xù)同類型產(chǎn)品設(shè)計的給予參考。

（1）風(fēng)管的阻力損失是以局部阻力損失為主，即風(fēng)管風(fēng)速的影響較大，對于大管徑的風(fēng)管，由于輸送風(fēng)量大，風(fēng)速大，應(yīng)盡量平直，減少雙折管，直角彎等局部阻力部件的使用。

（2）風(fēng)管同層級，各風(fēng)管支管間阻力應(yīng)盡量均衡。在一定情況下，可不改變支管管徑，將阻力小的支管的流量適當(dāng)加大。

（3）在機(jī)艙通風(fēng)詳細(xì)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮其它管系，主干電纜的走向，機(jī)艙層高的要求，船體局部結(jié)構(gòu)尺寸。在層高達(dá)不到要求時，可考慮采用扁圓風(fēng)管，減小風(fēng)管尺寸。在機(jī)艙通風(fēng)生產(chǎn)設(shè)計完成后，應(yīng)校核各路風(fēng)管的總阻力大小，避免出現(xiàn)風(fēng)管管路與風(fēng)機(jī)容量不匹配的情況。

（4）各出風(fēng)口的位置和風(fēng)速應(yīng)綜合船型做適當(dāng)調(diào)整，盡量使機(jī)艙通風(fēng)的散熱作用發(fā)揮充分。比如8000 噸級交通補(bǔ)給船，因機(jī)艙空間小，各出風(fēng)口風(fēng)速應(yīng)適當(dāng)選取小值，增加冷風(fēng)在機(jī)艙內(nèi)停留時間，增大熱交換作用。

（5）機(jī)艙通風(fēng)布置應(yīng)綜合考慮，盡可能滿足燃燒要求和散熱要求，同時考慮風(fēng)管制作難度和成本。隨著對船舶能耗要求的提高，通風(fēng)設(shè)計時需要重視風(fēng)機(jī)風(fēng)壓選型，取值過大雖然可以通過調(diào)風(fēng)門調(diào)節(jié)，但這不是最合理的設(shè)計，應(yīng)盡量避免。在通風(fēng)布置詳細(xì)設(shè)計設(shè)計初始階段，需要加強(qiáng)與其它專業(yè)之間溝通，全盤考慮機(jī)艙層高、船體結(jié)構(gòu)、主干電纜以及機(jī)艙管路綜合布置問題，提前發(fā)現(xiàn)并及時解決，可有效減少設(shè)計反復(fù)修改，保證實(shí)船的設(shè)計節(jié)點(diǎn)和交船節(jié)點(diǎn)。