空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)在客滾船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)中的運(yùn)用

崔寶明，田正軍，徐 謙，趙自兵，吉春正，錢新春

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

客滾船又稱開上開下船，常用作中近程海上運(yùn)輸船和內(nèi)河渡船，可同時(shí)運(yùn)載旅客、車輛和貨物。高端客滾船不僅具有一般客滾船的運(yùn)載性質(zhì)，而且擁有接近于郵船的舒適性和娛樂休閑功能?？蜐L船的貨艙空間在整船空間中的占比很大，一般用甲板分隔為幾層獨(dú)立的封閉車輛貨艙，也有將局部車輛貨艙設(shè)置在露天甲板上的情況，主要用于運(yùn)載帶有燃油箱發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛、允許裝載的貨物和限制類危險(xiǎn)貨品，圖1 為某具有4 層貨艙的高端客滾船貨艙布局示意圖。

圖1 某具有4層貨艙的高端客滾船貨艙布局示意圖

由于易燃和有害氣體（以下簡稱“危險(xiǎn)氣體”）會(huì)危及乘客和工作人員的健康和安全，需通過貨艙通風(fēng)系統(tǒng)防止危險(xiǎn)氣體在封閉的貨艙內(nèi)聚集，及時(shí)將危險(xiǎn)氣體排走并注入新風(fēng)。然而，若盲目地使貨艙風(fēng)機(jī)長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生過多不必要的能耗損失；同時(shí)，若為了節(jié)能而盲目地使貨艙風(fēng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，有可能無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排出貨艙內(nèi)的危險(xiǎn)氣體。因此，給貨艙通風(fēng)系統(tǒng)配置空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，能在更好地保障船上人員安全的同時(shí)，在節(jié)能減排方面起到重要作用，對(duì)于客滾船翻新改造和新船建造而言頗具借鑒意義。

1 客滾船貨艙通風(fēng)

貨艙通風(fēng)系統(tǒng)通常根據(jù)稀釋通風(fēng)的原理設(shè)計(jì)，即對(duì)整個(gè)貨艙進(jìn)行通風(fēng)換氣，用室外的新風(fēng)稀釋（沖淡）貨艙內(nèi)含有危險(xiǎn)氣體的空氣，要有足夠的新風(fēng)與之充分混合，并不斷將其排出貨艙［1］。

客滾船的每層貨艙都應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，在貨艙頂部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，在貨艙頂部和底部設(shè)置排風(fēng)口，1／3 的風(fēng)量從頂部排出，2／3 的風(fēng)量從底部排出，防止危險(xiǎn)氣體積聚，必要時(shí)可增加噴射引流通風(fēng)［2］。

1.1 換氣次數(shù)

船舶航行時(shí)需滿足《國際海上人命安全公約》（International Convention for Safety of Life at Sea）的要求（見表1）；船舶裝卸貨時(shí)不僅要滿足SOLAS規(guī)范的要求，而且要滿足主管機(jī)關(guān)的要求。

表1 SOLAS關(guān)于貨艙通風(fēng)最低換氣次數(shù)的要求 單位：次／h

1.2 貨艙風(fēng)機(jī)

封閉的客滾船貨艙一般定義為危險(xiǎn)區(qū)域，風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型，防爆等級(jí)至少為IIAT3。客滾船貨艙的風(fēng)量一般較大，結(jié)構(gòu)風(fēng)道空間具有一定的局限性，故大多使用軸流風(fēng)機(jī)［3］。風(fēng)機(jī)的控制箱應(yīng)設(shè)置在貨艙車輛甲板以外的安全處所，由于控制箱不在風(fēng)機(jī)附近，為維護(hù)風(fēng)機(jī)，需在風(fēng)機(jī)附近另外安裝一套安全開關(guān)。

由于不同工作模式的需要和空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，貨艙通風(fēng)的風(fēng)量是需要變化的，故需使用變頻風(fēng)機(jī)。變頻風(fēng)機(jī)的原理是給風(fēng)機(jī)配置變頻器，利用變頻技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量［4］。

1.3 工作模式

客滾船貨艙通風(fēng)主要有港口裝卸貨和航行2 種工作模式。受上層建筑的制約，一般無法采用橫向通風(fēng)，而是采用貫通船長的縱向通風(fēng)。以某具有4 層貨艙的高端客滾船為例，其貨艙通風(fēng)的工作模式如下。

1.3.1 底層貨艙

在艏部設(shè)置可逆轉(zhuǎn)排風(fēng)機(jī)，在艉部設(shè)置排風(fēng)機(jī)。當(dāng)船舶航行時(shí)，艏部的排風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)送風(fēng)，艉部的排風(fēng)機(jī)排風(fēng)；當(dāng)船舶裝卸貨時(shí)，通過開啟艏門或艉門側(cè)滾裝車道跳板實(shí)現(xiàn)自然進(jìn)風(fēng)，通過開啟跳板對(duì)面的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械排風(fēng)。

1.3.2 中間2 層貨艙

在艏部和舯部設(shè)置排風(fēng)機(jī)，在艉部設(shè)置可逆轉(zhuǎn)排風(fēng)機(jī)。當(dāng)船舶航行時(shí)，艏部的排風(fēng)機(jī)排風(fēng)，艉部的排風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)送風(fēng)；當(dāng)船舶裝卸貨時(shí)，通過艏門或艉門自然進(jìn)風(fēng)，艉部或艏部的排風(fēng)機(jī)排風(fēng)，同時(shí)舯部的排風(fēng)機(jī)排風(fēng)。

1.3.3 頂層貨艙

在艏部設(shè)置排風(fēng)機(jī)，在艉部設(shè)置自然進(jìn)風(fēng)口。當(dāng)船舶航行和裝卸貨時(shí)，均通過艏部的排風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)。

2 機(jī)動(dòng)車尾氣中的有害物質(zhì)［5］

客滾船貨艙內(nèi)通常停放有大量機(jī)動(dòng)車，而機(jī)動(dòng)車尾氣中含有大量有害物質(zhì)，主要包括汽油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的一氧化碳（CO）、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。這些有害物質(zhì)會(huì)以多種方式影響人們的健康。有些有害物質(zhì)會(huì)以有形直接的方式帶來傷害；有些有害物質(zhì)在人們與之接觸一段時(shí)間之后帶來有害影響，這種影響取決于接觸的時(shí)間和吸入的量。

1）CO是一種無色無氣味的氣體，會(huì)危害人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血液循環(huán)系統(tǒng)。吸入CO會(huì)引起頭痛、頭暈和惡心等癥狀，在極端情況下會(huì)導(dǎo)致虛弱、呼吸急促、意識(shí)喪失和死亡。

2）NO2是一種棕色、有刺激性、令人窒息的氣體，其對(duì)呼吸系統(tǒng)有害，哮喘患者的反應(yīng)尤其明顯，慢性影響表現(xiàn)為神經(jīng)衰弱綜合征和呼吸道炎癥。

3 客滾船貨艙空氣質(zhì)量監(jiān)控

空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是能監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量并調(diào)節(jié)通風(fēng)量的系統(tǒng)，主要應(yīng)用于封閉的車輛處所、封閉的滾裝和特種處所，確保其危險(xiǎn)氣體的濃度低于規(guī)定值，表2 為某客滾船貨艙空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)值。

表2 某客滾船貨艙空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)值

3.1 氣體探測(cè)設(shè)備的布置

氣體探測(cè)設(shè)備（以下簡稱“探頭”）和布線應(yīng)滿足客滾船貨艙條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)探頭的最大覆蓋面積不能超過900 m2，安裝高度根據(jù)制造商的標(biāo)準(zhǔn)確定（見圖2）。注意將探頭布置在不影響讀數(shù)和測(cè)量的位置，不能放在門口和靠近外部進(jìn)出風(fēng)口的區(qū)域。

圖2 探頭安裝高度示意圖

3.2 貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的控制

當(dāng)貨艙通風(fēng)系統(tǒng)在空氣質(zhì)量監(jiān)控模式下運(yùn)行時(shí)，為低風(fēng)量運(yùn)行模式，一旦探頭監(jiān)測(cè)到在5 min內(nèi)CO、NO2和LEL超過正常值，會(huì)將信號(hào)集中傳遞給對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)馬達(dá)控制箱（Ventilation Motor Control Center，VMCC），隨后計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）會(huì)采集VMCC的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和監(jiān)視，并根據(jù)設(shè)定值將執(zhí)行信號(hào)反饋給VMCC，控制變頻風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)量調(diào)節(jié)，最終提供適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量將監(jiān)測(cè)值恢復(fù)到正常值。通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)氣體濃度的增加而持續(xù)調(diào)節(jié)，盡快恢復(fù)正常值。整個(gè)系統(tǒng)既可自動(dòng)運(yùn)行，又可手動(dòng)越控。圖3 為某高端客滾船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯圖。

圖3 某高端客滾船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯圖

該系統(tǒng)具有一定的安全性，當(dāng)監(jiān)測(cè)值超標(biāo)時(shí)，會(huì)在持續(xù)有人的場(chǎng)所發(fā)出聲光報(bào)警。供電、傳感器和控制設(shè)備都應(yīng)被監(jiān)測(cè)，當(dāng)這些設(shè)備失效時(shí)也有報(bào)警，包括手動(dòng)越控。控制系統(tǒng)一旦失效（包括失電），通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)被切換到SOLAS要求的工作模式。系統(tǒng)應(yīng)有持續(xù)的供電，且當(dāng)失去正常供電時(shí)能自動(dòng)切換到備用電。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

以某高端客滾船為例，總計(jì)為貨艙通風(fēng)安裝40 臺(tái)大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)，表3 為該船貨艙風(fēng)機(jī)在不同通風(fēng)模式下所需電功率對(duì)比。從表3 中可看出，空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用能較大程度地減少能耗，在節(jié)能減排方面具有重要意義。

表3 某高端客滾船貨艙風(fēng)機(jī)在不同通風(fēng)模式下所需電功率對(duì)比 單位：kW

4 結(jié) 語

隨著客滾船的更新?lián)Q代和國內(nèi)外客滾船市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，以及人們對(duì)健康安全和節(jié)能環(huán)保的關(guān)注度不斷提升，空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)將得到廣泛運(yùn)用和不斷改進(jìn)。通過在船上運(yùn)用空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)并控制貨艙的空氣質(zhì)量，為乘客和工作人員提供更好的環(huán)境，并起到節(jié)能的作用，可供客滾船設(shè)計(jì)參考。