极地船舶机舱智能通风系统设计

2019-04-09袁瑞军杨立楠陈方红

广东造船 2019年1期

袁瑞军，张雷，杨立楠，周兵，陈方红

（广州文冲船厂有限责任公司，广州 510727）

1 概述

传统船舶的动力设备主要集中于机舱。基于船舶柴油机的燃烧需求，机舱配置定量通风系统，其需满足主柴油机、柴油发电机组、锅炉等设备的燃烧空气需求；同时，通过机舱通风保证机舱温度的相对稳定。由于在柴油机组非满负荷运行和低温的冬季时节，尤其是极地区域环境温度常年低于-10 ℃，常规的机舱通风系统容易造成机舱温度过低，影响船舶运行安全，并浪费通风系统的能源消耗。因此，为了确保极地船舶设备安全运行和节能，其机舱通风系统采用智能控制是非常必要的。

2 极地船舶机舱智能通风系统简介

极地船舶机舱智能通风系统原理：通过获取柴油机的在线功率工况、外部环境温度、机舱温度等数据，根据机舱实际通风需求对机舱供风量进行控制和调整，以满足机舱柴油机和锅炉等设备燃烧量的需要，同时保证机舱温度在规定值范围内。

极地船舶机舱智能通风系统的优点：首先，通过对通风系统的优化，降低通风系统的能耗；其次，保证机舱的安全温度，既保证柴油机对燃烧空气的温度要求，同时也使机舱温度在规定值范围内，保证机舱设备正常运行和人员安全；再者，对于超低温度环境，参比机舱通风量对进风百叶窗的加热除冰系统提供匹配的加热功率，优化节约除冰加热系统的功率消耗。

3 某极地船舶机舱智能通风系统的设计

极地船舶机舱智能通风系统设计的目的是：（1）满足机舱主要设备（柴油机组、锅炉等）燃烧空气需求；（2）满足压缩空气系统对空气的使用需求；（3）满足风冷机舱设备散热冷却需求；（4）满足机舱设备运行最低环境温度需求，以确保机舱设备能安全运行。总之，根据极地船舶具体设备配置，采用合理简洁的方法满足覆盖全方位的使用需求、保证船舶在极地区域的安全运行、降低船舶营运能耗、提高船舶的环保性能。

某极地船基本配置如下：2 台4 000 kW 主机；2台1 520 kW 辅助发电机；2 台7.8 t/h 蒸汽锅炉；2 台废气锅炉；4 台20 kW 变频器驱动风机。船舶运营航线为全球航线，覆盖赤道及极地。

3.1 机舱主要设备所需的燃烧空气量qc 计算

两台4 000 kW 推进主柴油机燃烧所需的空气量qdp、两台1 520 kW 辅柴油机燃烧所需的空气量qdg、两台7.8 t/h 燃油蒸汽锅炉及两台废气燃油锅炉燃烧所需的空气量qb，根据机舱通风计算标准ISO8861-1996公式计算。

3.2 机舱主要设备的散热量φc 计算

两台4 000 kW 主柴油机的散热量φdp、两台1 520 kW 辅柴油机散热量φdg、两台7.8 t/h 燃油蒸汽锅炉及两台废气燃油锅炉散热量φtp、机舱电气设备的散热量φei，根据机舱通风计算标准ISO8861-199公式计算。交流发电机的散热量φg 由于本船电球均为水冷，故取值为φg=0。

3.3 机舱其他设备和系统的散热量φt 计算：

其他设备和系统主要包括：热的舱柜、空压机和排气管系。根据ISO标准计算或采用同等船的经验数据，本船取φt = 40 kW。

船舶运行在极地环境时，外部大气环境平均温度约为-25 ℃，而机舱内的理论安全温度为不低于0 ℃，建议取安全温度为5 ℃，以确保机舱相关辅助设备的安全运行。在此恶劣的外部环境温度下，机舱内的最佳通风状态为满足机舱设备燃烧和使用所需即可，传统设计中的冷却通风成为过量通风，-25 ℃的通风温度和通风量将难以保证机舱的安全运营温度。因此，极地船舶的实际通风量计算如下：

式中：P1#主机——1 号主机功率，kW；

P2#主机——2 号主机功率，kW；

P1#辅机——1 号辅机功率，kW；

P2#辅机——2 号辅机功率，kW；

T ——机舱温度，℃；

H——时间，h。

当温度低于-5 ℃时，在全负载工况、无进风预加热情况下，机舱环境平均温度最高为：

式中：T——机舱温度，℃；

P——为机舱设备散热量， kW；

G——为机舱燃烧通风散热量， kW。

3.4 机舱智能通风系统设计

基于以上机舱设备对空气的实时需求量和机舱的冷却空气量，机舱智能通风系统需要采集以下信号，以对机舱通风系统的动态和智能控制:

（1）柴油机的运行信号和负荷信号（即计算运行功率），用于确认柴油机燃烧空气量的计算基础；

（2）锅炉的运行信号和燃烧负荷信号；

（3）配电板发电机运行状态和负荷信号，用以计算机舱主要设备的发热参考值；

（4）机舱温度，用于校准通风量以及进风百叶窗的电加热功率控制；

（5）环境温度，用于计算即时通风量和进风百叶窗预加热量。

3.5 控制对象以及控制裕度

（1）对机舱风机进行调速控制（变频控制）

机舱风机多为轴流风机，轴流风机的通风量与风机转速接近线性关系，因此可以通过对转速的定量控制达到对风量的定量控制，风量的需求来源于上述计算；

当环境温度低于0 ℃时，机舱通风在满足机舱设备燃烧及保证其正常运行的基础上，机舱温升约15 ℃，因此不需要额外的冷却风量来满足机舱设备的工作散热冷却需求。

（2）对进风百叶窗加热除冰功率的控制

柴油机对增压器进风温度限制一般不低于-5 ℃，机舱持续温度通常不宜低于5 ℃，否则部分管路和设备内的液态水容易结冰，造成设备和管路的损坏或系统的功能失效；同时，过低的机舱温度也会造成部分系统额外的加热能耗，并会影响船员的工作状态，降低关注效率和工作安全性。因此，维持机舱温度在一定范围是智能机舱通风系统的控制目标。

众所周知，电阻器件加热功率P=U2/R，即加热量与加热器电压成平方关系。因此对机舱进风口加热器的加热功量可以采用调节电压方法加以控制，加热原件输入电压采用可控电压，通过控制加热电源的输出电压来控制加热器的输出功率。

机舱智能通风系统示意图，如图1 所示。

（3）通风系统加热器的选型和功率计算

基于主机的燃烧空气的温度需要高于-5 ℃和机舱设备安全环境温度需要高于5 ℃的基本要求，以保证机舱低温淡水系统、污水系统、以及其他系统的安全工作。因此机舱需要配置机舱通风加热除冰系统和机舱暖风机，以保证机舱的环境温度和柴油机燃烧空气温度限制。

通常极地船舶工作外部环境温度可达-25 ℃，因此加热器功率计算需要满足燃烧空气-5 ℃的补偿温度需求，因此通风系统预加热功率为：

P=1.004*G燃烧通风*△T /t （3）

考虑进出风口、机舱混风及机舱环境温度，温差系数△T 取为3 ℃，t 为取样时间，则所有进风口加热功率P 约为48 kW，以4 个进风口为例，每个进风口约为12 kW。其他不足的温度补偿另外由机舱加热风机提供。

（4）机舱智能通风系统涉及规范与处理方式

机舱通风在规范上涉及防火、CO2、非重要负荷卸载等方面，因此该系统设计需要满足机舱风机应急切断功能，提供和应急切断系统的控制接口；另外，机舱通风系统需要满足机舱CO2排放要求，所以通风系统中必须有一台风机由应急配电板供电，且该风机需具有正反转功能，提供机舱的CO2排出功能；再者，因为系统中的加热系统不属于涉及强制安全系统，在电站非常状态下需要提供非重要负荷卸载功能，以保证船舶电站和电力系统的安全。