大中型舰船柴油机排气泄漏风险评估和监控需求研究

唐熊辉，陈 亮，余 涛，苏洪涛

(1. 海军驻葫芦岛431厂军事代表室，辽宁 葫芦岛 125004；2. 武汉第二舰船设计研究所，湖北 武汉 430000)

0 引 言

柴油机作为舰船常用动力之一，工作时排出的尾气中含有大量的有害气体，如NOx，CO2，CH2O，CO以及气溶胶等[1]。其中，CO是易燃、无色无味且有较高毒性的气体，较低浓度即可能导致人员窒息。各国针对舰船舱室CO浓度制定了相关标准，如美国相关标准规定的舰船舱室空气质量标准限值中，CO的90天容许浓度限值为20 ppm，24 h应急容许浓度限值为 50 ppm，1 h 应急容许浓度限值为 400 ppm[2]。实际使用时，应尽量控制舱室CO浓度满足相关标准限值要求。

相比建筑等人工室内环境，由于结构自身特点和节能等方面需要，舰船舱室与外界的通风存在各种制约。为保证人员作业安全，一般要求对舰船舱室的重要空气组分进行连续监测或定期巡检。随着技术的进步，空气污染组分监测技术已经日益成熟。但是，由于空间、经济性和船用条件等制约，舰船舱室一般未配备污染实时监测系统，或仅配备集中监测设备并通过采样管路对典型舱室部位进行定期巡检，就地实时监测设备配备相对较少[3 – 4]。

当前国内舰船环境领域的研究中，针对舱室污染物迁移规律研究较少，且主要采用集总参数模拟[5 – 6]，该方法耗时较少，可用于长时间动态分析，在对室内污染物含量进行初步分析以及了解动态特性时非常有用[7]。然而集总参数模拟只适用于单一舱室区域，无法分析全船范围内的污染物扩散迁移，因此无法分析事故工况对全船各舱室环境的影响等问题。

结合国内外的相关研究[8 – 10]，本文以某柴油机动力舰船为研究对象，结合文献给出的工况参数[8]，利用多区域模拟软件CONTAM，模拟多种柴油机泄漏和排气吸入工况，以确定各种工况对舰船舱室大气的影响，并结合研究结果给出舰船舱室CO浓度监测建议。

1 多区域网络模拟方法

1.1 多区域模拟数学描述

多区域模拟从宏观角度进行研究，把研究对象整体看作一个系统，而其中的每个舱室作为一个控制体（或称网络节点），各个网络节点之间通过各种空气流通路径相连，利用质量、能量守恒等方程对舰船内的空气流动、压力分布和污染物传播情况进行研究[11 – 12]。

在对不同区域污染物传播规律进行研究之前，首先应获得各区域之间的通风规律，多区域网络通风模型能够较好地应用于机械通风系统的节点之间的通风量分析，其所依据的原理是，根据各个通风路径的流量-压力关系描述以及各区域空气质量守恒，从而计算出不同区域之间的通风量。对于某一通风支路e，连接区域i和j，定义fi-je为通过支路e从i到j的质量流量，压差-流量关系模型可写为下式：

对于不同的通风路径，式（1）有不同的表达形式，即不同的支路阻力模型。不考虑空气可压缩性，在平衡状态中，由于压力驱动，流入和流出区域j的空气流量守恒，如下式：

式中：N为区域总数量；Fi-j为从区域i到区域j的总风量。N个区域可列N个方程，采用牛顿迭代法对方程组求解，可获得不同区域压力值以及风量传播规律。

进一步，以各区域之间通风量为基础，根据单一节点污染物质量守恒规律，可列出节点污染物浓度平衡方程，如下式：

式中：a为渗风量对节点体积的换气次数; n为送风量对舱室体积的换气次数; nr为回风量对舱室体积的换气次数; Ci为 t时刻舱室内污染物浓度; C0为 t时刻舱室送风污染物浓度; P 为污染物穿透系数; t为时间; V 为舱室体积; Vsource为t时刻舱室内污染物发生源强度;h为送风过滤效率; hr为回风过滤效率。

1.2 CONTAM介绍

CONTAM是由美国国家标准技术研究院（NIST,National Institute of Standards and Technology）研发的多区域气流和污染物传播分析软件，可以帮助用户研究：①流场和压力：如渗透，由机械通风引起的区间气流和压差，作用于建筑物外表面的风压，室内外压差导致的浮力作用；②浓度场：由上述流动引起的污染物传播，化学元素及放射性化学元素的反应，建筑物材料的吸附、解吸附作用，过滤，建筑物表面沉积；③个人暴露：即预测建筑物内人暴露于污染物中感染的风险概率[14]。从1989年开发的软件雏形AIRNET至今，已经发展到3.2版本[15]。

2 研究方法

本文以某舰船为研究对象，该舰船的柴油机舱及相邻舱室配有独立通风系统。其中送风机将外界新风分别送入风机室、蓄电池舱和柴油机舱。柴油机组从柴油机舱直接吸入空气，通过柴油机排气管路将燃烧后的废气排出舷外。在柴油机运行过程中，可能由于密封等原因导致排气在柴油机舱内泄漏，另外排气排出舷外后，还可能由于风向等原因又被送风机吸入舱室，造成舱室污染物浓度升高。

其中柴油机舱用来放置柴油机及相关配套设备，蓄电池舱用来储备电力作为全船用电设备应急电源，风机室放置风机及相关设备，生活区为船员主要活动区域，包含船员工作、生活等功能。

船舶舱室通风工况示意图如图1所示。

船上未设置CO净化装置，假定：

1）舱室及外界环境初始CO浓度为0，除了排气泄漏或二次吸入导致的CO浓度增加外，舱室不存在其他CO散发源；

2）CO在传播过程中不发生二次转化反应；

3）柴油机运行时工况稳定，排气中CO浓度保持恒定；

图1 柴油机工作时舱室通风示意图Fig. 1 Schematic diagram of the compartment ventilation during diesel generator working

4）舰船舱室环境温度保持恒定。

基于舱室结构及通风系统特征，建立舱室CONTAM模型如图2所示，依据该船舶设计参数，模型参数设置如表1所示。

图2 船舶舱室 CONTAM 模型Fig. 2 CONTAM model diagram of the ship

3 计算结果

3.1 柴油机排气泄漏的影响分析

根据相关文献，舰船柴油机排气中的CO浓度受柴油机燃烧状态影响，一般在380～1 700 ppm[17]，研究假定柴油机排气中CO浓度为600 ppm。为了研究柴油机排气泄漏的影响，对该事故工况进行风险评估，本文进行一系列仿真分析（泄漏率从2%～100%），以确定不同排气泄漏率下的CO浓度增长速率及舱室平衡浓度。仿真将监测柴油机组运行10 min内柴油机舱CO浓度变化，计算结果如图3所示。

图3 不同排气泄漏率下柴油机舱CO浓度变化曲线Fig. 3 Variation curve of CO concentration in diesel generatorcompartment under different exhaust leakage rate

可以看出，柴油机工作期间，在不同泄漏率工况下，柴油机舱CO浓度在初始阶段急剧升高，之后逐渐达到平衡浓度。当排气泄漏率超过4%时，平衡浓度将超过20 ppm（90 d容许浓度限值）；如果泄漏率大于9%，平衡浓度将超过50 ppm（24 h应急容许浓度限值）；如果排气泄漏率超过78%，平衡浓度将超过400 ppm（60 min 应急容许浓度限值）。

表2比较了不同泄漏率下超过容许限值的时间。可以看出，极短时间内的排气泄漏就会导致超过标准规定的浓度限值。

表2 柴油机舱超过容许浓度限值所需时间Tab. 2 Times taken for diesel generator compartment to breach allowable concentration limits

柴油机排气泄漏会对舱室环境产生严重影响，而舱室环境的监测依赖于舱室环境监测系统，监测系统的响应时间决定了人员反应时间。然而一般舰船不配备空气成分监测装置，少量舰船使用集中大气监测系统进行空气成分浓度监测[18 – 19]，通过多通道采样和质谱仪进行分析。该类系统具有较高的精度和较快的响应时间，但检测频次受监测点数影响，点数多时单个部位巡检时间可能需要数十分钟，与CO浓度上升速率匹配性较差。因此，为了保障人员健康，建议在船舶柴油机舱内安装可快速响应的CO监测设备，实现CO实时检测，在事故发生时及时警告舱室人员，以便采取相关应对措施。

3.2 柴油机排气二次吸入的影响分析

在一定的条件下，柴油机排气会通过送风管路吸入舱室。吸入率主要取决于外界风向、风速和船舶航向。一般而言，船舶会按照要求保持一定的航向，使排气远离送风管进风口。但在风向多变的实际情况下，并不能排除二次吸入的可能性。

结合图1的送风工况示意图，排气二次吸入时，将经由送风系统送至全船各个舱室。为了评估排气二次吸入对舱室环境的影响程度，本文模拟了不同吸入率下的舱室通风工况。

根据仿真结果，不同排气吸入率下柴油机舱CO浓度变化曲线如图4所示。

图4 不同排气吸入率下柴油机舱CO浓度变化曲线Fig. 4 Variation curve of CO concentration in diesel generator compartment under different exhaust intake rate

可以看出，在不同的排气吸入率下，柴油机舱的CO浓度迅速达到平衡浓度的70%左右，并在之后随着换气的持续进行逐渐达到平衡浓度。即使排气吸入率很低，CO浓度也会在短时间内上升到一个较高的水平。进一步验证在柴油机舱内安装可快速响应的CO监测设备的必要性。

舰船上的生活区是人员活动的关键区域，因此，该区域的空气质量也需重点关注。图5为不同排气吸入率下生活区CO浓度变化曲线。

如图所示，在相同排气吸入率下，由于换气次数降低，CO浓度上升速率相较于柴油机舱较为缓慢，但最终平衡浓度依然会达到送风浓度，因此可能会超过容许浓度限值。如果排气吸入量大于4%，将超过90 d允许浓度限值；如果排气吸入量大于9%，将超过24 h容许浓度限值；如果排气吸入量超过67%，将超过1 h应急容许浓度限值。

图5 不同排气吸入率下生活区CO浓度变化曲线Fig. 5 Variation curve of CO concentration in living compartments under different exhaust intake rate

由表3可知，在二次吸入发生时，舱室CO浓度升高到容许浓度需要时间相对较长，配备定期巡检类设备即可满足监测需求。

此外，合理布置送、排风口位置，将会降低二次吸入率，在一定程度上减小二次吸入的影响；若改变通风方式，直接通过通风机供给柴油机舷外新风，而不是通过柴油机舱供给空气，可以在柴油机工作时停止开启或者间歇启用舱室通风工况，将会在一定程度上降低排气二次吸入对于舱室的污染。

4 结 语

舰船柴油机运行工程中，无论是尾气泄漏至舱内，还是经由二次吸入进入舱内，都可能导致舱室CO浓度在短时间内急剧升高到危险水平。针对此类工程问题，可以利用多区域模拟仿真分析，对舱室污染物浓度变化趋势进行预测，并结合预测结果给出事故预警，指导净化系统及通风管网设计。该研究方法不仅适用于本文研究对象，针对所有采用柴油机作为动力的水面舰船及通气管状态下使用柴油机发电机组给蓄电池充电的潜艇，都是适用的。

同时结合分析结果，建议在舰船柴油机舱内增设CO浓度监测装置，以提高船员作业安全。