黃勝明 李偉增
(廣船國(guó)際技術(shù)中心)
Gotland 客滾船是我司為瑞典Gotland 航運(yùn)公司建造的“天然氣(LNG)/燃油”雙燃料高端豪華客滾船,定員1730 人,共有169 個(gè)住艙,4 個(gè)公共大廳。本船的空調(diào)系統(tǒng)除了滿足一般的常規(guī)要求以外,還滿足了安全返港和室內(nèi)環(huán)境(indoor climate)DNV-GL 船級(jí)社COMF-C(1)/COMF-V(2) 舒適性要求和天然氣(LNG)冷量回收。下面是該船空調(diào)系統(tǒng)的詳細(xì)情況介紹。
1.1.1 溫度條件
溫度的控制范圍按照DNV-GL 規(guī)范舒適度1 級(jí)的要求,把上建區(qū)域分4 類(A/B/C/D),每一類型分別有不同要求,對(duì)于溫度的控制又分成兩大類(AB/CD),區(qū)域類型的劃分以及溫度的確定按DNV-GL 規(guī)范選取。
冷卻/預(yù)熱媒介:冷媒水+6°C/+12°C 預(yù)熱水+37°C/+12°C
再加熱媒介:熱媒水 +80°C/+60°C
1.1.2 噪音條件
由于通風(fēng)系統(tǒng)中的空氣動(dòng)力、機(jī)械和電磁產(chǎn)生的噪音是船舶噪聲的主要來(lái)源之一,因此對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括設(shè)備選型、風(fēng)速設(shè)計(jì)以及消音器的設(shè)置等都提出了更高的要求。本船需滿足噪音要求COMF-V(2)、規(guī)格書(shū)和MSC.337(91)三方面。
對(duì)比發(fā)現(xiàn),規(guī)格書(shū)的要求比最新生效的MSC.337(91)要高,而COMF-V(2)的要求比規(guī)格書(shū)還要高。另外規(guī)格書(shū)還額外要求在艙室內(nèi)的通風(fēng)進(jìn)/出口附近1m 處噪音不得超過(guò)45dB,因此空調(diào)機(jī)室的新風(fēng)管設(shè)計(jì)、排風(fēng)管設(shè)計(jì)、百葉窗的選型和以及消音器的設(shè)置等尤為重要。
通過(guò)熱負(fù)荷計(jì)算,從而計(jì)算出船上的通風(fēng)量、制冷量、水加熱量和流量等參數(shù),最終計(jì)算結(jié)果如下。
送風(fēng)量:
(1)艙室和其它船員上建系統(tǒng)(包括駕駛室和各種小空間):15m3/s
(2)公共系統(tǒng)(包括梯道和各種特殊區(qū)域如干糧庫(kù),ECR 等):41m3/s
(3)廚房:6m3/s
制冷量:2120kw
加熱量(水系統(tǒng)):
(1)預(yù)熱系統(tǒng):850kw
(2)再加熱系統(tǒng):900kw
水流量:
(1)制冷/預(yù)熱系統(tǒng)(包括空調(diào)器、風(fēng)機(jī)盤(pán)管):84 l/s
(2)再加熱系統(tǒng):11 l/s
冷卻模式??諝馔ㄟ^(guò)冷水機(jī)組制冷后的循環(huán)水(水+15%乙二醇混合溶液)在空調(diào)器被制冷。全船共有2 臺(tái)冷水機(jī)組(每臺(tái)冷水機(jī)組含兩臺(tái)壓縮機(jī)2x25%),每臺(tái)冷水機(jī)組的制冷量為總制冷量的50%,冷媒水泵變頻控制(維持流量不變),一備一用,冷卻海水也為變頻控制,通過(guò)海水管路的壓力傳感器根據(jù)壓縮機(jī)運(yùn)行情況自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻水水量。
制冷設(shè)備的容量根據(jù)真實(shí)負(fù)荷控制。制冷設(shè)備的啟動(dòng)、停止和控制按照保持回水溫度在設(shè)定點(diǎn)12°C,空調(diào)系統(tǒng)的所有動(dòng)作都是為維持回水溫度在12℃。除了駕駛室外,其他空調(diào)器制冷盤(pán)管不設(shè)三通流量調(diào)節(jié)閥,因?yàn)槿绻涿剿梢耘酝?,則意味著提高了送風(fēng)溫度,風(fēng)量就不需減小,這樣風(fēng)機(jī)的能耗沒(méi)有節(jié)省下來(lái)。當(dāng)整體的負(fù)荷降低時(shí),冷水機(jī)組就會(huì)減少冷量輸出,使送水溫度升高,從而維持回水溫度在12℃,但由于制冷/預(yù)熱水進(jìn)空調(diào)器盤(pán)管采用的是定流量設(shè)計(jì),全船共19 臺(tái)空調(diào),每臺(tái)空調(diào)的負(fù)荷不同,使所有空調(diào)服務(wù)的區(qū)域都能達(dá)到設(shè)定溫度比較困難,因此送水溫度的設(shè)計(jì)輸出盡量低,以滿足高負(fù)荷區(qū)域,對(duì)于其他低負(fù)荷區(qū),通過(guò)再加熱系統(tǒng)來(lái)滿足。因此再加熱系統(tǒng)是全年必須常開(kāi)的,在不需要加熱的時(shí)候,再加熱水通過(guò)空調(diào)器前的電動(dòng)三通流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行旁通。
夏天期間,本船制冷優(yōu)先使用LNG 冷量,僅僅當(dāng)LNG 和/或海水不可用時(shí)(海水制冷模式僅在探測(cè)到海水低于8°C 時(shí)才會(huì)被使用)或無(wú)法維持回水溫度設(shè)定值時(shí),冷水機(jī)組才啟動(dòng)。制冷系統(tǒng)可使用LNG冷量、和/或海水去冷卻循環(huán)的冷媒水。
加熱模式。目的是維持回水溫度在要求的設(shè)定點(diǎn),通過(guò)利用一個(gè)或更多的回轉(zhuǎn)輪來(lái)使回風(fēng)能量轉(zhuǎn)換至預(yù)處理水,當(dāng)所有回轉(zhuǎn)輪啟動(dòng)而加熱要求仍未達(dá)到時(shí),通過(guò)打開(kāi)預(yù)處理水-熱油換熱器的熱油閥來(lái)增加熱量,熱油閥開(kāi)度根據(jù)冷媒水管上的送水溫度傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)。
所有系統(tǒng)(除了技術(shù)區(qū)域內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)外)通過(guò)空調(diào)機(jī)室空調(diào)器再熱盤(pán)管加熱,熱水作為加熱媒介。再熱系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立熱水循環(huán)系統(tǒng),送80°C 的水至再熱盤(pán)管,每個(gè)盤(pán)管由一個(gè)電動(dòng)三通水量調(diào)節(jié)閥來(lái)控制風(fēng)的溫度,再加熱水通過(guò)熱油換熱器加熱。
按規(guī)格書(shū)要求,本船的冷媒水制冷通過(guò)LNG 冷量回收系統(tǒng)、海水冷卻器和冷水機(jī)組三個(gè)制冷系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)以達(dá)到節(jié)能目的。
(1)通過(guò)LNG 冷量回收系統(tǒng)的換熱器
(2)通過(guò)海水冷卻的換熱器
(3)冷水機(jī)組
為了達(dá)到節(jié)能目的,LNG 的冷量被優(yōu)先使用,冷水機(jī)組僅僅在當(dāng)(1)和(2)兩個(gè)制冷源無(wú)法維持回水溫度設(shè)定值時(shí)才會(huì)啟動(dòng),加熱模式下,以上三個(gè)制冷源均被旁通。
本船采用“天然氣(LNG)/燃油”雙燃料主機(jī),LNG 以低溫液態(tài)形式儲(chǔ)存于LNG 罐中,儲(chǔ)存溫度/壓力為-135℃/5bar。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行時(shí),低溫液態(tài)LNG需加熱至氣態(tài)進(jìn)行燃燒,此過(guò)程釋放出巨大冷量。將空調(diào)系統(tǒng)的冷媒水作為L(zhǎng)NG 加熱系統(tǒng)(硅硐液)的其中一員來(lái)實(shí)現(xiàn)LNG 冷量回收用于空調(diào)系統(tǒng),圖1 和圖2 為L(zhǎng)NG 加熱系統(tǒng)在嵌入空調(diào)系統(tǒng)的前后比較。
在空調(diào)系統(tǒng)水媒水系統(tǒng)側(cè)的設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖3。
根據(jù)主機(jī)廠家提供的信息,當(dāng)LNG 在最大消耗時(shí)硅酮液進(jìn)入LNG冷量回收換熱器的溫度為-10℃,而冷媒水的防凍液比例為15%(冰點(diǎn)約為-6℃),防止冷媒水在極端情況下結(jié)冰是成功實(shí)現(xiàn)冷量回收的關(guān)鍵,需通過(guò)雙方的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)系統(tǒng)組合后的示意和原理見(jiàn)圖4。
控制原理:
(1)通過(guò)冷媒水系統(tǒng)的溫度傳感器(TCT113)和電動(dòng)三通流量調(diào)節(jié)閥一直少量水流經(jīng)空調(diào)系統(tǒng)LNG 換熱器以確認(rèn)LNG 冷量回收系統(tǒng)可用,當(dāng)傳感器探測(cè)到冷媒水溫度低于回水設(shè)定溫度2℃時(shí),冷量回收系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。
(2)通過(guò)冷媒水系統(tǒng)的溫度傳感器(TCT112)監(jiān)測(cè)冷媒水在空調(diào)系統(tǒng)LNG 換熱器出口溫度,設(shè)定當(dāng)監(jiān)測(cè)到冷媒水溫度為0℃時(shí),自動(dòng)發(fā)送信號(hào)至LNG加熱系統(tǒng),該系統(tǒng)得到信息后自動(dòng)修改提高LNG 加熱系統(tǒng)三通溫控閥的設(shè)定溫度,以防止冷媒水結(jié)冰。
圖1 LNG 加熱系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)嵌入前
圖2 LNG 加熱系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)嵌入后
圖3 LNG 冷量回收系統(tǒng)在空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用示意
圖4 LNG 冷量回收系統(tǒng)的控制示意圖
本船應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)都是變頻的。所有的防火風(fēng)閘、變風(fēng)量風(fēng)閘、截止風(fēng)閘、防煙風(fēng)閘等均為電動(dòng)控制。對(duì)于需可調(diào)溫度區(qū)域(如住艙)和公共大廳,采用變風(fēng)量系統(tǒng),但公共區(qū)域的公廁劃為艙室部分,采用艙室布風(fēng)器(帶電加熱及VAV風(fēng)閘),原因是公共大廳采用的是回風(fēng)溫度和CO2共同控制,當(dāng)沒(méi)有人或人少的情況下,風(fēng)量會(huì)自動(dòng)變得很小,而公廁設(shè)計(jì)需要的是定風(fēng)量。公共大廳的CO2傳感器可以根據(jù)回風(fēng)中的CO2濃度,來(lái)判斷區(qū)域內(nèi)的人數(shù),從而計(jì)算出所需的最小新風(fēng)量,當(dāng)少人或無(wú)人時(shí),自動(dòng)將風(fēng)量降至最低以達(dá)到節(jié)能的目的。如7、8 甲板2 區(qū)的大廳,分為前后兩個(gè)大區(qū)域,前區(qū)又分成左中右三個(gè)小區(qū)域,在淡季時(shí),旅客集中安置在某些區(qū)域,沒(méi)有旅客的環(huán)圍區(qū)域就可以關(guān)閉調(diào)風(fēng)門(mén)以降低能耗。
在冬天,空氣被預(yù)加熱到可接受的送風(fēng)溫度,然后通過(guò)再加熱達(dá)到旅客的需求。對(duì)于8 甲4 區(qū)的旅客住艙,分成內(nèi)部和外部艙室,在冬天,內(nèi)部艙室熱損耗非常小,按照計(jì)算依靠預(yù)熱量已足夠,而外部艙室則需要通過(guò)再加熱,因此在空調(diào)器(ACR-402/403)的送風(fēng)段上下隔開(kāi),上部是預(yù)熱風(fēng)直接送至住艙不經(jīng)過(guò)再加熱盤(pán)管,下部則安裝再加熱盤(pán)管,進(jìn)行再加熱后送至住艙,最終通過(guò)末端的再加熱實(shí)現(xiàn)各個(gè)艙室的不同調(diào)節(jié)。
具體把全船的區(qū)域分成多種不同的類型,不同的類型由不同的空調(diào)系統(tǒng)服務(wù),系統(tǒng)類型分類及各個(gè)類型的詳細(xì)情況如下。
包括此系統(tǒng)的空調(diào)器有:ACR-202,ACR-302,ACR-402,ACR-403。此系統(tǒng)主要服務(wù)于上建的艙室和公廁等。艙室被空調(diào)器通過(guò)高壓系統(tǒng)服務(wù),100%新風(fēng),帶回轉(zhuǎn)輪。艙室的溫度保持通過(guò)PLC 控制布風(fēng)器內(nèi)置的電加熱絲和變風(fēng)量風(fēng)閘,每個(gè)艙室的風(fēng)量和溫度是單一自動(dòng)控制的,溫度的設(shè)定可以通過(guò)房間內(nèi)的調(diào)溫器(CCP)和在ECR 中央電腦更改調(diào)整。布風(fēng)器的工作范圍在CPU(一般每?jī)蓚€(gè)艙室共用一個(gè)CPU,位于衛(wèi)生單元檢修處)預(yù)先定義。每個(gè)布風(fēng)器的風(fēng)量范圍應(yīng)處于設(shè)計(jì)風(fēng)量的60%-100%,當(dāng)布風(fēng)器到達(dá)最小風(fēng)量時(shí)電加熱首先被激活。
包括此系統(tǒng)的空調(diào)器有:ACR-203,ACR-204,ACR-205 , ACR-206 , ACR-303 , ACR-304 ,ACR-404,ACR-405。該系統(tǒng)服務(wù)于公共區(qū)域,公共區(qū)域被空調(diào)器通過(guò)低壓系統(tǒng)服務(wù),100%新風(fēng),帶回轉(zhuǎn)輪。送風(fēng)和排風(fēng)的風(fēng)量通過(guò)空調(diào)器風(fēng)機(jī)變速對(duì)單一小區(qū)域進(jìn)行控制。每個(gè)大廳通風(fēng)空調(diào)分隔板分成不同的溫控小區(qū)域,每個(gè)溫控區(qū)域的風(fēng)量和溫度由送/排風(fēng)的VAV 風(fēng)閘執(zhí)行,風(fēng)機(jī)風(fēng)速根據(jù)保持風(fēng)管恒壓的原則進(jìn)行變頻控制。每個(gè)溫控區(qū)的溫度被單一控制,對(duì)VAV 風(fēng)閘、再加熱盤(pán)管和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速按順序介入來(lái)控制。溫度的設(shè)定在ECR 中央電腦上可進(jìn)行更改調(diào)整。送風(fēng)量通過(guò)CO2 傳感器的監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)整送風(fēng)VAV 風(fēng)閘以滿足人員最小新風(fēng)量要求。
包括此系統(tǒng)的空調(diào)器有:ACR-201,ACR-401。本系統(tǒng)服務(wù)于2 區(qū)和4 區(qū)的大梯道,該區(qū)域被空調(diào)器通過(guò)低壓系統(tǒng)服務(wù)。給梯道提供新風(fēng)和制冷/加熱,50%新風(fēng),溫度控制通過(guò)回風(fēng)管溫度傳感器。由于梯道作為逃生的重要通道,通風(fēng)需保持正壓,到/從梯道送/回風(fēng)量通過(guò)變頻控制來(lái)滿足此要求。
包括此系統(tǒng)的空調(diào)器有:ACR-301。本系統(tǒng)服務(wù)于3 區(qū)的小梯道,該區(qū)域被空調(diào)器通過(guò)低壓系統(tǒng)服務(wù)。給梯道提供新風(fēng)和制冷/加熱,100%新風(fēng),無(wú)排風(fēng)機(jī),風(fēng)通過(guò)向相鄰區(qū)域主要是車(chē)輛甲板正壓溢流,溫度通過(guò)送風(fēng)管溫度傳感器控制。
本系統(tǒng)服務(wù)于廚房和洗碗間,100%新風(fēng)。送比外界溫度低10°C 的風(fēng),但不低于20°C。低壓?jiǎn)物L(fēng)管系統(tǒng)。廚房區(qū)域的排風(fēng)由單獨(dú)風(fēng)機(jī)主要從集氣罩排走,送風(fēng)和排風(fēng)的風(fēng)量被控制確保廚房保持負(fù)壓。
系統(tǒng)ACW 服務(wù)于駕駛室。2 個(gè)風(fēng)機(jī)盤(pán)管(FCU,含制冷和加熱雙盤(pán)管),100%內(nèi)循環(huán)。駕駛室的溫度由一個(gè)房間溫度傳感器控制(駕駛室內(nèi)有一個(gè)溫度控制板調(diào)節(jié)溫度),送風(fēng)和排風(fēng)的風(fēng)量通過(guò)風(fēng)機(jī)盤(pán)管風(fēng)機(jī)變頻控制。駕駛室新風(fēng)由相鄰的艙室系統(tǒng)ACR-202 空調(diào)器提供。內(nèi)循環(huán)風(fēng)通過(guò)一個(gè)低壓?jiǎn)物L(fēng)管系統(tǒng)分配,新風(fēng)通過(guò)一個(gè)高壓風(fēng)管系統(tǒng)分配。
本系統(tǒng)服務(wù)于干糧庫(kù)、集控室(包括機(jī)修間、辦公室等)。該系統(tǒng)為上述區(qū)域提供新風(fēng)、制冷/加熱功能。對(duì)干糧庫(kù)區(qū)域提供16°C 的送風(fēng)。
根據(jù)MSC.1369 安全返港解釋47/49 的要求,安全區(qū)的溫度應(yīng)在10-30℃內(nèi)以及每人新風(fēng)量至少4.5m3/h。
按設(shè)計(jì)公司OSK 對(duì)安全返港規(guī)范在GOTLAND上應(yīng)用的評(píng)估報(bào)告,本船航線為北歐波羅的海區(qū)域,該區(qū)域沒(méi)有特別熱的天氣,即使在夏天最熱時(shí)期艙室內(nèi)僅靠通風(fēng)也不會(huì)超過(guò)30℃,因此在安全返港情況下不用考慮制冷,僅需考慮冬天加熱。
結(jié)合以上要求,本船指定上建2、4 兩個(gè)主豎區(qū)作為安全區(qū)域??照{(diào)機(jī)室在固定式高壓水霧的保護(hù)下,當(dāng)成MSC.1369 規(guī)定的基本無(wú)失火風(fēng)險(xiǎn)處所,火不考慮蔓延至相鄰A 級(jí)環(huán)圍,風(fēng)管經(jīng)A-60 環(huán)圍風(fēng)道通向各個(gè)小區(qū),每根從A-60 風(fēng)道穿出的風(fēng)管上安裝防火風(fēng)閘。
在空調(diào)設(shè)備的布置上,將冷水機(jī)組、換熱器、泵等為空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)的設(shè)備都布置在同一個(gè)機(jī)艙處所(泵艙)。該船夏天航行區(qū)域溫度會(huì)低于30℃,不必制冷,因此無(wú)需將制冷設(shè)備分布在不同的機(jī)艙,僅僅需額外增加一個(gè)預(yù)熱換熱器和一臺(tái)循環(huán)泵,容量滿足維持一個(gè)安全區(qū)的溫度要求即可。
當(dāng)某一個(gè)主豎區(qū)失火后,整個(gè)主豎區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)都可以不必保持有效,但另外兩個(gè)主豎區(qū)的系統(tǒng)應(yīng)保持有效。因此對(duì)于管路設(shè)置而言,本船系統(tǒng)的制冷/預(yù)熱管路在機(jī)艙分三路上至各自的主豎區(qū),當(dāng)某一主豎區(qū)失效時(shí),設(shè)截止閥隔離相關(guān)管路。因此,管路無(wú)需隔離至A-60 或使用特殊的連接方式,但對(duì)于干糧庫(kù)以及車(chē)輛甲板由于共同的管路共存于同一區(qū)域,其中一路需隔離至A-60 級(jí)。
在冬天,如果機(jī)艙設(shè)備完好,正常采用空調(diào)通風(fēng)加熱保證安全區(qū)域溫度,若機(jī)艙設(shè)備所在處所(泵艙)失效,則使用位于分油機(jī)室的額外一套換熱器及泵,將熱水供至預(yù)熱盤(pán)管,既可以防止空調(diào)器第一級(jí)的預(yù)熱/制冷盤(pán)管凍壞,又滿足通風(fēng)和溫度要求。
對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng),上建每個(gè)主豎區(qū)由該區(qū)專門(mén)的空調(diào)器服務(wù),通風(fēng)管在每個(gè)主豎區(qū)之間完全獨(dú)立。空調(diào)器回轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)強(qiáng)制啟動(dòng)功能,以便在安全返港下維持安全區(qū)溫度在規(guī)范的要求范圍內(nèi)。當(dāng)上建某主豎區(qū)著火后,該處所空調(diào)機(jī)的新風(fēng)和排風(fēng)百葉窗處的截止風(fēng)閘遙控關(guān)閉,并關(guān)閉空調(diào)器風(fēng)機(jī)。
空調(diào)舒適度最主要需要考核的指標(biāo)有三個(gè),分別為風(fēng)速、垂直溫差和在規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度調(diào)節(jié)能力。C1 要求艙室可調(diào)節(jié)溫差為6 度,公共區(qū)域4 度,具體要求見(jiàn)DNV-GL 規(guī)范。
上述的三個(gè)指標(biāo)最需要引起注意是后兩個(gè)。垂直溫差,難點(diǎn)在于雨降式送風(fēng)的公共區(qū)域,天花板縫隙送/抽風(fēng)的形式直接影響該指標(biāo)的實(shí)現(xiàn);溫差調(diào)節(jié),COMF-C(1)強(qiáng)調(diào)是空調(diào)系統(tǒng)個(gè)體差異能力,要求在一定的外界溫度下,在空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備常量設(shè)定的情況下,一定比例的艙室或大廳的溫差調(diào)節(jié)能力。從1#船的測(cè)量情況來(lái)看,難點(diǎn)在于加熱升溫,因此訂貨時(shí)考慮加熱換熱器和布風(fēng)器的加熱能力是關(guān)鍵。
船舶空調(diào)系統(tǒng)雖為傳統(tǒng)的領(lǐng)域,但其對(duì)于不同船型、不同航線或不同的船東要求不一,特別對(duì)于客船,如何給每一位乘客和船員營(yíng)造舒適的環(huán)境,精心的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。