極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁瑞軍，張 雷，楊立楠，周 兵，陳方紅

（廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510727）

1 概述

傳統(tǒng)船舶的動(dòng)力設(shè)備主要集中于機(jī)艙?；诖安裼蜋C(jī)的燃燒需求，機(jī)艙配置定量通風(fēng)系統(tǒng)，其需滿足主柴油機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、鍋爐等設(shè)備的燃燒空氣需求；同時(shí)，通過(guò)機(jī)艙通風(fēng)保證機(jī)艙溫度的相對(duì)穩(wěn)定。由于在柴油機(jī)組非滿負(fù)荷運(yùn)行和低溫的冬季時(shí)節(jié)，尤其是極地區(qū)域環(huán)境溫度常年低于-10 ℃，常規(guī)的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)容易造成機(jī)艙溫度過(guò)低，影響船舶運(yùn)行安全，并浪費(fèi)通風(fēng)系統(tǒng)的能源消耗。因此，為了確保極地船舶設(shè)備安全運(yùn)行和節(jié)能，其機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)采用智能控制是非常必要的。

2 極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)原理：通過(guò)獲取柴油機(jī)的在線功率工況、外部環(huán)境溫度、機(jī)艙溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)艙實(shí)際通風(fēng)需求對(duì)機(jī)艙供風(fēng)量進(jìn)行控制和調(diào)整，以滿足機(jī)艙柴油機(jī)和鍋爐等設(shè)備燃燒量的需要，同時(shí)保證機(jī)艙溫度在規(guī)定值范圍內(nèi)。

極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：首先，通過(guò)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗；其次，保證機(jī)艙的安全溫度，既保證柴油機(jī)對(duì)燃燒空氣的溫度要求，同時(shí)也使機(jī)艙溫度在規(guī)定值范圍內(nèi)，保證機(jī)艙設(shè)備正常運(yùn)行和人員安全；再者，對(duì)于超低溫度環(huán)境，參比機(jī)艙通風(fēng)量對(duì)進(jìn)風(fēng)百葉窗的加熱除冰系統(tǒng)提供匹配的加熱功率，優(yōu)化節(jié)約除冰加熱系統(tǒng)的功率消耗。

3 某極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

極地船舶機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是：（1）滿足機(jī)艙主要設(shè)備（柴油機(jī)組、鍋爐等）燃燒空氣需求；（2）滿足壓縮空氣系統(tǒng)對(duì)空氣的使用需求；（3）滿足風(fēng)冷機(jī)艙設(shè)備散熱冷卻需求；（4）滿足機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行最低環(huán)境溫度需求，以確保機(jī)艙設(shè)備能安全運(yùn)行?？傊?，根據(jù)極地船舶具體設(shè)備配置，采用合理簡(jiǎn)潔的方法滿足覆蓋全方位的使用需求、保證船舶在極地區(qū)域的安全運(yùn)行、降低船舶營(yíng)運(yùn)能耗、提高船舶的環(huán)保性能。

某極地船基本配置如下：2 臺(tái)4 000 kW 主機(jī)；2臺(tái)1 520 kW 輔助發(fā)電機(jī)；2 臺(tái)7.8 t/h 蒸汽鍋爐；2 臺(tái)廢氣鍋爐；4 臺(tái)20 kW 變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。船舶運(yùn)營(yíng)航線為全球航線，覆蓋赤道及極地。

3.1 機(jī)艙主要設(shè)備所需的燃燒空氣量qc 計(jì)算

兩臺(tái)4 000 kW 推進(jìn)主柴油機(jī)燃燒所需的空氣量qdp、兩臺(tái)1 520 kW 輔柴油機(jī)燃燒所需的空氣量qdg、兩臺(tái)7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺(tái)廢氣燃油鍋爐燃燒所需的空氣量qb，根據(jù)機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)ISO8861-1996公式計(jì)算。

3.2 機(jī)艙主要設(shè)備的散熱量φc 計(jì)算

兩臺(tái)4 000 kW 主柴油機(jī)的散熱量φdp、兩臺(tái)1 520 kW 輔柴油機(jī)散熱量φdg、兩臺(tái)7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺(tái)廢氣燃油鍋爐散熱量φtp、機(jī)艙電氣設(shè)備的散熱量φei，根據(jù)機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)ISO8861-199公式計(jì)算。交流發(fā)電機(jī)的散熱量φg 由于本船電球均為水冷，故取值為φg=0。

3.3 機(jī)艙其他設(shè)備和系統(tǒng)的散熱量φt 計(jì)算：

其他設(shè)備和系統(tǒng)主要包括：熱的艙柜、空壓機(jī)和排氣管系。根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算或采用同等船的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本船取φt = 40 kW。

船舶運(yùn)行在極地環(huán)境時(shí)，外部大氣環(huán)境平均溫度約為-25 ℃，而機(jī)艙內(nèi)的理論安全溫度為不低于0 ℃，建議取安全溫度為5 ℃，以確保機(jī)艙相關(guān)輔助設(shè)備的安全運(yùn)行。在此惡劣的外部環(huán)境溫度下，機(jī)艙內(nèi)的最佳通風(fēng)狀態(tài)為滿足機(jī)艙設(shè)備燃燒和使用所需即可，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的冷卻通風(fēng)成為過(guò)量通風(fēng)，-25 ℃的通風(fēng)溫度和通風(fēng)量將難以保證機(jī)艙的安全運(yùn)營(yíng)溫度。因此，極地船舶的實(shí)際通風(fēng)量計(jì)算如下：

式中：P1#主機(jī)——1 號(hào)主機(jī)功率，kW；

P2#主機(jī)——2 號(hào)主機(jī)功率，kW；

P1#輔機(jī)——1 號(hào)輔機(jī)功率，kW；

P2#輔機(jī)——2 號(hào)輔機(jī)功率，kW；

T ——機(jī)艙溫度，℃；

H——時(shí)間，h。

當(dāng)溫度低于-5 ℃時(shí)，在全負(fù)載工況、無(wú)進(jìn)風(fēng)預(yù)加熱情況下，機(jī)艙環(huán)境平均溫度最高為：

式中：T——機(jī)艙溫度 ，℃；

P——為機(jī)艙設(shè)備散熱量， kW；

G——為機(jī)艙燃燒通風(fēng)散熱量， kW。

3.4 機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于以上機(jī)艙設(shè)備對(duì)空氣的實(shí)時(shí)需求量和機(jī)艙的冷卻空氣量，機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)需要采集以下信號(hào)，以對(duì)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和智能控制:

（1）柴油機(jī)的運(yùn)行信號(hào)和負(fù)荷信號(hào)（即計(jì)算運(yùn)行功率），用于確認(rèn)柴油機(jī)燃燒空氣量的計(jì)算基礎(chǔ)；

（2）鍋爐的運(yùn)行信號(hào)和燃燒負(fù)荷信號(hào)；

（3）配電板發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)荷信號(hào)，用以計(jì)算機(jī)艙主要設(shè)備的發(fā)熱參考值；

（4）機(jī)艙溫度，用于校準(zhǔn)通風(fēng)量以及進(jìn)風(fēng)百葉窗的電加熱功率控制；

（5）環(huán)境溫度，用于計(jì)算即時(shí)通風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)百葉窗預(yù)加熱量。

3.5 控制對(duì)象以及控制裕度

（1）對(duì)機(jī)艙風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制（變頻控制）

機(jī)艙風(fēng)機(jī)多為軸流風(fēng)機(jī)，軸流風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近線性關(guān)系，因此可以通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的定量控制達(dá)到對(duì)風(fēng)量的定量控制，風(fēng)量的需求來(lái)源于上述計(jì)算；

當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，機(jī)艙通風(fēng)在滿足機(jī)艙設(shè)備燃燒及保證其正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，機(jī)艙溫升約15 ℃，因此不需要額外的冷卻風(fēng)量來(lái)滿足機(jī)艙設(shè)備的工作散熱冷卻需求。

（2）對(duì)進(jìn)風(fēng)百葉窗加熱除冰功率的控制

柴油機(jī)對(duì)增壓器進(jìn)風(fēng)溫度限制一般不低于-5 ℃，機(jī)艙持續(xù)溫度通常不宜低于5 ℃，否則部分管路和設(shè)備內(nèi)的液態(tài)水容易結(jié)冰，造成設(shè)備和管路的損壞或系統(tǒng)的功能失效；同時(shí)，過(guò)低的機(jī)艙溫度也會(huì)造成部分系統(tǒng)額外的加熱能耗，并會(huì)影響船員的工作狀態(tài)，降低關(guān)注效率和工作安全性。因此，維持機(jī)艙溫度在一定范圍是智能機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。

眾所周知，電阻器件加熱功率P=U2/R，即加熱量與加熱器電壓成平方關(guān)系。因此對(duì)機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口加熱器的加熱功量可以采用調(diào)節(jié)電壓方法加以控制，加熱原件輸入電壓采用可控電壓，通過(guò)控制加熱電源的輸出電壓來(lái)控制加熱器的輸出功率。

機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)示意圖，如圖1 所示。

（3）通風(fēng)系統(tǒng)加熱器的選型和功率計(jì)算

基于主機(jī)的燃燒空氣的溫度需要高于-5 ℃和機(jī)艙設(shè)備安全環(huán)境溫度需要高于5 ℃的基本要求，以保證機(jī)艙低溫淡水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、以及其他系統(tǒng)的安全工作。因此機(jī)艙需要配置機(jī)艙通風(fēng)加熱除冰系統(tǒng)和機(jī)艙暖風(fēng)機(jī)，以保證機(jī)艙的環(huán)境溫度和柴油機(jī)燃燒空氣溫度限制。

通常極地船舶工作外部環(huán)境溫度可達(dá)-25 ℃，因此加熱器功率計(jì)算需要滿足燃燒空氣-5 ℃的補(bǔ)償溫度需求，因此通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)加熱功率為：

P=1.004*G燃燒通風(fēng)*△T /t （3）

考慮進(jìn)出風(fēng)口、機(jī)艙混風(fēng)及機(jī)艙環(huán)境溫度，溫差系數(shù)△T 取為3 ℃，t 為取樣時(shí)間，則所有進(jìn)風(fēng)口加熱功率P 約為48 kW，以4 個(gè)進(jìn)風(fēng)口為例，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口約為12 kW。其他不足的溫度補(bǔ)償另外由機(jī)艙加熱風(fēng)機(jī)提供。

（4）機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)涉及規(guī)范與處理方式

機(jī)艙通風(fēng)在規(guī)范上涉及防火、CO2、非重要負(fù)荷卸載等方面，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足機(jī)艙風(fēng)機(jī)應(yīng)急切斷功能，提供和應(yīng)急切斷系統(tǒng)的控制接口；另外，機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)需要滿足機(jī)艙CO2排放要求，所以通風(fēng)系統(tǒng)中必須有一臺(tái)風(fēng)機(jī)由應(yīng)急配電板供電，且該風(fēng)機(jī)需具有正反轉(zhuǎn)功能，提供機(jī)艙的CO2排出功能；再者，因?yàn)橄到y(tǒng)中的加熱系統(tǒng)不屬于涉及強(qiáng)制安全系統(tǒng)，在電站非常狀態(tài)下需要提供非重要負(fù)荷卸載功能，以保證船舶電站和電力系統(tǒng)的安全。

3.4 船舶通風(fēng)系統(tǒng)功能與報(bào)警

極地船舶通風(fēng)系統(tǒng)提供了基于船舶設(shè)備運(yùn)行工況和環(huán)境溫度的預(yù)控制及控制修正功能。同時(shí)，該船機(jī)艙通風(fēng)控制系統(tǒng)提供了與機(jī)艙自動(dòng)化的通訊接口，用于將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行故障和系統(tǒng)自診斷結(jié)果上傳至AMS 機(jī)艙自動(dòng)化系統(tǒng)，或機(jī)艙設(shè)備綜合運(yùn)行管理系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

極地運(yùn)營(yíng)船舶在未來(lái)具有較大的市場(chǎng)需求，極地運(yùn)營(yíng)船舶航行環(huán)境的不同對(duì)船舶能耗和機(jī)艙設(shè)備的安全都有較大影響。因此根據(jù)極地營(yíng)運(yùn)船舶運(yùn)營(yíng)需求，有針對(duì)性地進(jìn)行新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的研發(fā)，可有效提高船舶的運(yùn)營(yíng)安全性、降低船舶能耗、節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。機(jī)艙智能通風(fēng)系統(tǒng)，不但可應(yīng)用于極地船舶，也可應(yīng)用于常規(guī)區(qū)域船舶。