2 000 t海上風(fēng)電安裝平臺機艙通風(fēng)系統(tǒng)布置優(yōu)化

劉 倩, 蔡凱華, 彭秀清, 聶 朋, 梁玉鑫

(中船黃埔文沖船舶有限公司，廣東 廣州 510715)

0 引 言

海上風(fēng)力發(fā)電是對無污染可再生能源的開發(fā)，隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”的推進，海上風(fēng)電將成為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，是重要的發(fā)展方向。海上安裝是海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，與陸上相比，海上風(fēng)電安裝的施工難度較高[1]，零部件質(zhì)量和體積較大、運輸成本較高，因此針對海上風(fēng)電場開發(fā)設(shè)計專用的風(fēng)電安裝裝備十分重要。

機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的目的是為機艙內(nèi)的燃燒設(shè)備提供所需要的燃燒用空氣量，帶走設(shè)備的散熱量，為機艙工作人員創(chuàng)造適宜的環(huán)境條件。船舶通風(fēng)系統(tǒng)不僅是動力裝置的重要組成部分，而且是船舶制造的基本環(huán)節(jié)。船舶通風(fēng)系統(tǒng)配置是否合理，直接關(guān)系船舶和船舶動力裝置可否正常、可靠和安全地運行[2]。

主要針對2 000 t海上風(fēng)電安裝平臺機艙通風(fēng)系統(tǒng)的布置優(yōu)化展開論述。2 000 t自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺是我國自主研發(fā)設(shè)計、滿足我國未來深遠(yuǎn)海10 MW及以上風(fēng)電機組施工的專業(yè)化船機，是具有“安裝+運輸”一體化和“基礎(chǔ)施工+風(fēng)機施工”一體化概念的第一座自升式風(fēng)電安裝平臺。該平臺主要用于10 MW及以上機組設(shè)備安裝，兼顧海上風(fēng)電基礎(chǔ)施工，可裝載1套3 600 kJ等級打樁設(shè)備進行施工作業(yè)，最大作業(yè)水深為70 m，無限航區(qū)航行，船旗國為中國。

1 機艙通風(fēng)系統(tǒng)布置

1.1 總體布置

該平臺的機艙布置在平臺的中部左側(cè)區(qū)域，為保證機器設(shè)備正常工作和散熱與換氣的需要，機艙設(shè)置機械強制通風(fēng)和機械強制排風(fēng)?；跈C艙沿長度方向布置的特點，機艙進風(fēng)布置在艏部左側(cè)樁腿后部區(qū)域的風(fēng)機室，機艙排風(fēng)布置在艉部左側(cè)樁腿前部區(qū)域的煙囪。這樣布置不占用甲板空間，可具有更多的空間存放風(fēng)機和安裝設(shè)備。

機艙通風(fēng)量計算參考國際標(biāo)準(zhǔn)[ISO 8861：1998]，按該標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式和數(shù)據(jù)進行計算，主要由燃燒和散熱兩個因素決定，選取兩者之和為所需要的通風(fēng)總量[3]。結(jié)合該平臺的設(shè)計條件和設(shè)備的已知數(shù)據(jù)，對機艙通風(fēng)量進行計算，如表1所示。該平臺的風(fēng)機室內(nèi)配置4臺風(fēng)量為110 000 m3/h、靜壓為580 Pa的變頻軸流送風(fēng)機(3用1備)，煙囪內(nèi)配置4臺風(fēng)量為72 000 m3/h、靜壓為390 Pa的變頻軸流排風(fēng)機(3用1備)。

表1 機艙通風(fēng)量計算

由于該平臺所處的工作環(huán)境特殊，因此在風(fēng)機室的進風(fēng)口處設(shè)置帶濾器的除鹽霧裝置，可避免鹽水和顆粒狀鹽進入進風(fēng)口。在煙囪的排風(fēng)口處設(shè)置電動關(guān)閉百葉窗。

1.2 機艙送風(fēng)布置

該平臺機艙采用機械強制通風(fēng)，進風(fēng)機布置在主甲板上，新風(fēng)經(jīng)進風(fēng)風(fēng)道進入機艙。根據(jù)機艙形狀和設(shè)備分區(qū)布置情況，送風(fēng)管的布置主要分為3個部分：①中間區(qū)域；②艉部左側(cè)區(qū)域；③艏部右側(cè)區(qū)域。中間區(qū)域機艙通風(fēng)布置如圖1所示。艉部左側(cè)區(qū)域和艏部右側(cè)區(qū)域機艙通風(fēng)布置如圖2所示。機艙主風(fēng)管風(fēng)速控制在10.0～15.0 m/s，支風(fēng)管風(fēng)速控制在8.0～10.0 m/s，出風(fēng)口風(fēng)速控制在6.0～8.0 m/s。變徑風(fēng)管直徑由阻力平衡計算得出，風(fēng)管直徑較大，為減少風(fēng)管變形量，機艙內(nèi)的風(fēng)管采用3～5 mm的鋼板制成。

圖1 中間區(qū)域機艙通風(fēng)布置

圖2 艉部左側(cè)區(qū)域和艏部右側(cè)區(qū)域機艙通風(fēng)布置

(1)中間區(qū)域

中間區(qū)域布置主發(fā)電機組及其相關(guān)設(shè)備。6臺發(fā)電機分別布置在在機艙立柱兩側(cè)，1號、3號、5號發(fā)電機布置在左側(cè)，2號、4號、6號發(fā)電機布置在右側(cè)，呈兩排直線布置。相應(yīng)地，按一側(cè)設(shè)備布置1條送風(fēng)管的方案，送風(fēng)管由送風(fēng)風(fēng)道出來后在機艙內(nèi)布置2條送風(fēng)管，沿長度方向由艏向艉采用變徑風(fēng)管，布置在每排發(fā)電機組的左側(cè)。在每臺發(fā)電機增壓器處由送風(fēng)管的側(cè)面設(shè)置出風(fēng)口，保證每個出風(fēng)口的風(fēng)量為20 000 m3/h，以達(dá)到發(fā)電機燃燒所需要的用氣量?？紤]機艙內(nèi)主發(fā)電機組、電氣設(shè)備、排氣管和其他設(shè)備的散熱量，在每條送風(fēng)管的底面設(shè)置4個出風(fēng)口，在機艙艏部送風(fēng)管的底面和側(cè)面設(shè)置5個出風(fēng)口，中間區(qū)域共設(shè)置13個出風(fēng)口，每個出風(fēng)口的風(fēng)量為10 000 m3/h。需要注意的是：出風(fēng)口不能直接面對散熱設(shè)備和電氣設(shè)備等設(shè)備的表面[3]。

(2)艉部左側(cè)區(qū)域

艉部左側(cè)區(qū)域布置分油機。由于布置在1號、3號、5號發(fā)電機左側(cè)的送風(fēng)管靠近分油機區(qū)域，因此就近布置，以主管加支管的形式進入分油機間送風(fēng)。相應(yīng)地，主管的風(fēng)量在原有風(fēng)量基礎(chǔ)上增加分油機區(qū)域的風(fēng)量20 000 m3/h，在風(fēng)量增加后主管尺寸隨之增大。支管在進入分油機間后，由艏向艉布置在分油機的后面，根據(jù)分油機廠家的通風(fēng)要求，在側(cè)面和底面均設(shè)置出風(fēng)口。

(3)艏部右側(cè)區(qū)域

艏部右側(cè)區(qū)域布置的設(shè)備較多，大致分為3類：壓縮空氣系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備、機修設(shè)備和鍋爐與停泊發(fā)電機。剩余風(fēng)量經(jīng)艏部自上而下的結(jié)構(gòu)風(fēng)道進入該區(qū)域，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)設(shè)備的布置情況，2條送風(fēng)管橫向進入該區(qū)域，由艏向艉平行布置。在經(jīng)過壓縮空氣系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備和機修設(shè)備的上方時，在風(fēng)管底面和側(cè)面設(shè)置出風(fēng)口，提供新鮮空氣，滿足空壓機等設(shè)備散熱需求，改善機艙環(huán)境。2條送風(fēng)管的終點分別在停泊發(fā)電機的增壓器和熱水鍋爐的燃燒器處，在末端設(shè)置出風(fēng)口，風(fēng)量滿足上述2臺設(shè)備燃燒和散熱所需要的空氣量。

1.3 機艙排風(fēng)布置

該平臺機艙采用機械強制排風(fēng)，及時排出機艙內(nèi)的油氣和水蒸氣，降低機艙溫度[4]。排風(fēng)機布置在主甲板上，中間區(qū)域與艉部左側(cè)區(qū)域和艏部右側(cè)區(qū)域通過門洞連通，機艙內(nèi)的熱氣經(jīng)排風(fēng)風(fēng)道由煙囪排風(fēng)百葉窗排出。

對于散貨船和集裝箱船來說，分油機區(qū)域內(nèi)通常設(shè)置1套獨立的排風(fēng)系統(tǒng)，但該平臺分油機區(qū)域的排風(fēng)與機艙排風(fēng)結(jié)合在一起。由于該平臺分油機間的位置特殊，位于排風(fēng)結(jié)構(gòu)風(fēng)道的正下方，因此在中間甲板靠近艉部的位置設(shè)計1個結(jié)構(gòu)開口，使2個區(qū)域連通。這樣，抽風(fēng)口與送風(fēng)口即呈對角的對流布置，可充分利用新鮮空氣排出分油機區(qū)域的油氣[3]。

2 機艙通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

按機艙通風(fēng)管系布置圖在設(shè)計軟件上進行三維建模，中間區(qū)域通風(fēng)布置側(cè)視圖如圖3所示。該設(shè)計方案在實際布置過程中存在如下問題：① 6臺發(fā)電機的送風(fēng)口均布置在左側(cè)，而增壓器的吸氣口均在右側(cè)，出風(fēng)口被排氣管擋住，不能滿足設(shè)備的使用需求；②發(fā)電機左側(cè)的2條送風(fēng)管布置在排氣管下方，且風(fēng)管尺寸較大，其高度位于中間甲板以下，影響中間甲板上中間平臺的搭設(shè)和主干電纜的布置。

圖3 中間區(qū)域通風(fēng)布置側(cè)視圖

2.1 風(fēng)管路徑優(yōu)化

優(yōu)先滿足大型設(shè)備的使用需求，基本原則不變，按一側(cè)設(shè)備布置1條變徑風(fēng)管的方案，將2條送風(fēng)管由布置在發(fā)電機的左側(cè)改為右側(cè)。在每臺發(fā)電機的增壓器處以主管加支管的形式設(shè)置出風(fēng)口，彎頭朝向增壓器，達(dá)到直吹增壓器的效果，保證柴油機燃燒充分，滿足設(shè)備的使用需求。優(yōu)化后的中間區(qū)域通風(fēng)布置側(cè)視圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的中間區(qū)域通風(fēng)布置側(cè)視圖

由于1號、3號、5號發(fā)電機的送風(fēng)管由左側(cè)改為右側(cè)，左側(cè)位置空出，分油機間的送風(fēng)無法采用就近原則以主管加支管形式送風(fēng)，因此需要為分油機間的送風(fēng)管開辟新路徑。新路徑由結(jié)構(gòu)風(fēng)道出來，在1號、3號、5號發(fā)電機的左側(cè)沿機艙壁布置1條送風(fēng)管進入分油機間，分油機間內(nèi)的送風(fēng)管布置保持不變。

2.2 風(fēng)管風(fēng)量優(yōu)化

1號、3號、5號發(fā)電機的左側(cè)增加1條送風(fēng)管，機艙內(nèi)的主風(fēng)管由2條變?yōu)?條。為避免出現(xiàn)局部過熱的情況，盡可能使機艙內(nèi)的出風(fēng)口布置均勻，對每條風(fēng)管中的風(fēng)量進行重新分配。按原方案機艙內(nèi)共設(shè)置13個出風(fēng)口，保持艏部的5個出風(fēng)口不變，對剩下8個出風(fēng)口重新分配。1號、3號、5號發(fā)電機左側(cè)的送風(fēng)管底面設(shè)置2個出風(fēng)口，發(fā)電機右側(cè)的2條送風(fēng)管布置相同，每條送風(fēng)管底面設(shè)置3個出風(fēng)口。

在優(yōu)化后，風(fēng)管1的風(fēng)量為分油機間所需要的風(fēng)量與出風(fēng)口風(fēng)量之和；風(fēng)管2和風(fēng)管4的風(fēng)量相同，為3臺發(fā)電機燃燒所需要的風(fēng)量與出風(fēng)口風(fēng)量之和。先確定主管中的風(fēng)速，推薦風(fēng)速為6.0～16.0 m/s，再依次確定其后各段支管和各分管中的風(fēng)速，一般風(fēng)量每降低10%，風(fēng)速降低約0.5 m/s[5]。根據(jù)風(fēng)管尺寸的計算公式，風(fēng)管長×寬=風(fēng)管中的風(fēng)量/風(fēng)速，計算各段風(fēng)管的尺寸。

2.3 風(fēng)管尺寸優(yōu)化

按優(yōu)化后的通風(fēng)布置圖在設(shè)計軟件上進行三維建模，2號、4號、6號發(fā)電機左側(cè)的送風(fēng)管布置在集控室的正前方，在高度方向上遮擋集控室的視線，影響觀察機艙內(nèi)的運行情況。風(fēng)管位置在短邊方向受到限制，但在長邊方向相對寬松。確定風(fēng)管短邊不影響集控室視線的最小尺寸b，保持風(fēng)管的風(fēng)速不變，即風(fēng)管的截面積不變，計算風(fēng)管的長邊。

a×b=Q/V

(1)

式中：a為矩形風(fēng)管的長邊；b為矩形風(fēng)管的短邊；Q為風(fēng)量；V為風(fēng)速。

根據(jù)式(1)，集控室前的風(fēng)管尺寸確定為1 750 mm×1 050 mm。

布置在2號、4號、6號發(fā)電機左側(cè)的送風(fēng)管改為右側(cè)，布置在機艙前壁的送風(fēng)管應(yīng)向船中方向延長，導(dǎo)致部分送風(fēng)管布置在斜梯上方，站在斜梯上存在碰頭風(fēng)險，影響通行。通過采用上述方式改變風(fēng)管尺寸，利用偏心異徑避開通行位置，不影響斜梯的上下通行。

為避免矩形風(fēng)管中的阻力過大，在進行風(fēng)管尺寸修改時，風(fēng)管的長寬比不宜超過4。

2.4 風(fēng)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3號、5號發(fā)電機右側(cè)的送風(fēng)管位于機艙立柱與發(fā)電機行車吊梁之間，但立柱設(shè)置三角肘板，機修行車需要預(yù)留行走空間，下方設(shè)置排氣管，主甲板、立柱、排氣管和行車形成的封閉空間比風(fēng)管的橫截面小，風(fēng)管無法布置。

行車梁與船體結(jié)構(gòu)通過吊架連接，機修行車的上方和左側(cè)的布置比較空曠，利用這些空間布置風(fēng)管可降低風(fēng)管布置難度。由于吊架不能穿過風(fēng)管與船體結(jié)構(gòu)連接，因此將該部分風(fēng)管與船體結(jié)構(gòu)結(jié)合為結(jié)構(gòu)風(fēng)道，行車吊架同樣結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣，吊架與風(fēng)道即可集成一體，穿過結(jié)構(gòu)風(fēng)道與行車梁連接，不僅對行車使用和風(fēng)管布置均不影響，而且省工省料，風(fēng)管不會振動，但由于船體結(jié)構(gòu)不光滑，存在筋骨等結(jié)構(gòu)，在很大程度上會增加管路阻力，因此在計算風(fēng)道管路阻力時，需要考慮適當(dāng)增加阻力系數(shù)[3]。

將優(yōu)化后的方案在設(shè)計軟件上進行三維模型建模，布置在1號、3號、5號發(fā)電機右側(cè)的送風(fēng)管遮擋機艙的吊口。經(jīng)綜合考慮和尋求合適的位置，最終將吊口放置在6號發(fā)電機左側(cè)。優(yōu)化后的中間區(qū)域機艙通風(fēng)布置如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的中間區(qū)域機艙通風(fēng)布置

2.5 風(fēng)管優(yōu)化前后對比

風(fēng)管優(yōu)化前后對比如表2所示。通過優(yōu)化風(fēng)管路徑和風(fēng)量分配，每條風(fēng)管的風(fēng)量、風(fēng)速和風(fēng)管尺寸均有所減小。優(yōu)化后的風(fēng)管1的風(fēng)量減少2/3，尺寸減小為1 200 mm×800 mm，可布置在排氣管下方，其高度位于中間甲板以上，不影響在中間甲板上搭設(shè)中間平臺和敷設(shè)主干電纜。

表2 風(fēng)管優(yōu)化前后對比

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3 結(jié) 語

海上風(fēng)電作為我國可再生能源發(fā)展的重點領(lǐng)域，“十四五”期間海上風(fēng)電的規(guī)模將會大幅度提升，一體化海上風(fēng)電安裝平臺是未來的發(fā)展趨勢。2 000 t自升自航式一體化海上風(fēng)電安裝平臺是國內(nèi)起重能力最強、作業(yè)水深最大、可變載荷最大的海上風(fēng)電安裝平臺。隨著海上風(fēng)電場建設(shè)逐步向深水推進和海上風(fēng)機功率的不斷增大，對海上風(fēng)電安裝平臺的能力將提出更高的要求。