某集装箱船的应急压缩空气系统分析

陈华兰， 周言高

(扬州中远海运重工有限公司， 江苏 扬州 225211)

0 引 言

船舶应急压缩空气系统能为全船的油舱气动快关阀、机舱防火风闸和百叶窗提供控制气源，对保障船舶安全运营有着至关重要的作用。快关阀、机舱烟囱和防火风闸控制箱按相关规范的要求布置在机舱外，一般布置在主甲板消防控制站内。对于双岛型集装箱船而言，其前岛和后岛一般都有消防控制站，控制箱布置在后岛，可同时在前岛和后岛对其进行控制。

1 相关规范的要求

根据相关规范的要求，位于双层底以上的舱容大于等于500 L的燃油/滑油储存舱、沉淀舱和日用舱等一般应设置快关阀[1]，且控制位置应在快关阀服务处所以外。根据SOLAS的要求：机舱百叶窗和防火风闸在正常情况下应保持开启状态，使气流进入机舱，在发生火灾时迅速关闭，防止气流进入，从而限制火灾蔓延；控制装置应布置在有关处所的外部，防止在其服务的处所失火时被切断。

2 某集装箱船的应急压缩空气系统

某集装箱船的应急压缩空气系统(见图1)能为全船的油舱气动快关阀、机舱防火风闸和百叶窗提供控制气源。当有火灾等紧急情况出现时，船员通过切断气源供给迅速关闭出油阀、机舱防火风闸和百叶窗，防止火灾蔓延。该船设有前岛和后岛，控制箱布置在主甲板后岛的快关阀控制室内，不仅能在快关阀控制室内进行遥控操作和手动操作，而且能在前岛的主消防控制站进行遥控操作。

图1 某集装箱船的应急压缩空气系统

2.1 气动快关阀、机舱气动百叶窗和防火风闸工作原理

气动快关阀 (见图2)的工作原理为：在正常情况下处于开启状态，通过手轮关闭，作为普通截止阀使用;在紧急情况下就地往外拉操作手杆，阀杆组件失去支撑，在弹簧的作用下回到阀座上，阀门关闭(或通过向气缸注入压缩空气，压迫活塞，带动操作手杆往外移，阀杆组件失去支撑,在弹簧的作用下回到阀座上，阀门关闭)。

机舱气动百叶窗和防火风闸通气时打开，失气时关闭。以机舱烟囱气动百叶窗(见图3)为例：百叶窗的气缸采用单作用方式，内部有高强度的弹簧，在自由状态下处于关闭状态;当气体进入气缸内时，弹簧压缩，带动连接装置打开百叶窗;当气缸失气时，弹簧在弹力的作用下恢复至自由状态，带动连接装置关闭百叶窗。

2.2 气动快关阀、机舱气动百叶窗和防火风闸控制箱

气动快关阀、机舱气动百叶窗和防火风闸的控制箱既可分开设置,又可合并设置。控制箱一般包含控制箱本体、空气瓶，以及瓶上的安全阀、泄放阀、压力表和压力开关等。应急空气瓶的容量应满足能在不充气的情况下切断系统2次。控制箱内的压缩空气通过电磁阀或截止阀分成多路，以便控制不同场合的快关阀、百叶窗和防火风闸。

2.3 电磁阀工作原理[2]

2.3.1 气动电磁阀的符号和分类

气动电磁阀有多个工作位置,其中一个为常态位,即阀芯未受到操纵力时所处的位置。供气路一般应连接在换向阀的常态位上，接错会导致电磁阀无法正常工作。两位三通气动电磁阀有3个通道通气(见表1):一个通道与气源相通，为进气口(P)；一个通道与执行机构的进气口连接，为工作出口(A)；一个通道与执行机构排气口连接，为排气口(R),必要时需装消音器以消除噪声。

表1 两位两通电磁阀和两位三通电磁阀符号

电磁阀从功能上可分为常闭型和常开型，从原理上可分为直动式和先导式等。对于常闭型电磁阀而言:当其线圈不通电时，A与R相通，若A有气体,通过R排气；当其线圈通电时，P与A相通，通过A进气。对于常开型电磁阀而言，当其线圈不通电时，气路是相通的。

2.3.2 先导式常闭电磁阀工作原理

先导式常闭电磁阀主要由导阀和主阀组成。图4为先导电磁阀工作原理。在常态位或断电状态下，活动铁芯封住导流口，电磁阀腔内的压力平衡，主阀关闭，管路不通；当电磁阀通电时，在电磁力的作用下，活动铁芯被向上吸起，导流孔打开，上腔内的介质自导流孔流出，上腔通过导流孔卸压，在主阀芯周围形成上低下高的压差，主阀芯在流体压力的推动下向上移动，将主阀口打开；当电磁阀断电时，在弹簧力和主阀芯重力的作用下，阀杆复位，导流孔关闭，主阀芯向下移动，主阀口关闭。

图4 先导电磁阀工作原理

2.4 应急压缩空气系统设计存在的问题

本文所述集装箱船的应急压缩空气系统各控制管路都设置有手动三通阀和常闭电磁阀，其中：手动三通阀的作用是就地控制气源；常闭电磁阀的作用是遥控控制气源。该系统的控制原理见图5。电磁阀在正常情况下不通电，在断电状态下R与A相通，手动三通阀处于2号阀位，无压缩空气供给，若至气动百叶窗、防火风闸和快关阀的管路上残留有压缩空气，这部分气体会通过电磁阀R-A，在手动三通阀2号阀位处泄放，因此气动百叶窗和防火风闸无气则保持关闭，快关阀无气则保持开启。当电磁阀通电时，P与A相通，压缩空气接至气动百叶窗、防火风闸和快关阀，气动百叶窗和防火风闸打开，快关阀关闭。百叶窗打开；电磁阀不通电，就地手动操作三通阀，即三通阀调至1号阀位，压缩空气通过手动三通阀接至气动百叶窗、防火风闸和快关阀，气动百叶窗和防火风闸打开，快关阀关闭。由此可见，该系统的最终结果是:在正常情况下，快关阀处于开启状态，气动百叶窗和防火风闸处于关闭状态；当通电通气时，快关阀关闭，气动百叶窗和防火风闸打开。快关阀的动作满足要求，气动百叶窗和防火风闸不满足SOLAS“正常情况下保持开启使气流进入机舱,在火灾时关闭，以防止气流进入，从而限制火灾的蔓延”的要求。

图5 气动百叶窗控制原理

鉴于气动快关阀、机舱百叶窗和防火风闸都要求在紧急情况下关闭，对机舱百叶窗和防火风闸采用“失气打开、通气关闭”的型式是否可行进行分析。若机舱百叶窗和防火风闸采用“失气打开，通气关闭”的型式，当压缩空气管路或气源发生故障时，到达机舱百叶窗和防火风闸的气压不够，甚至无压缩空气到达，一旦出现紧急情况，防火风闸和百叶窗将无法在机舱外关闭，进而无法防止气流进入，无法限制火灾蔓延。可见，机舱百叶窗和防火风闸只能采用“通气打开，失气关闭”的型式。SOLAS明确要求机舱百叶窗和防火风闸需采用本质故障安全型，即“通气打开，失气关闭”。在正常情况下保持通气，压缩空气将机舱百叶窗和防火风闸顶开，当压缩空气管路破损或气源出现故障导致失气时，机舱百叶窗和防火风闸自动关闭，船员能及时发现并排除故障，确保压缩空气管路和气源的可靠性，以便在任何情况下都能有效关闭机舱百叶窗和防火风闸。

由上述分析可知，该应急压缩空气系统设计存在重大缺陷，在正常情况下机舱百叶窗和防火风闸保持关闭，无法提供机舱设备运行所需的空气量，需在原设计的基础上对其进行适当修改。

2.5 应急压缩空气系统优化设计

该系统至快关阀的气源供给没有问题，仅需修改该系统至机舱百叶窗和防火风闸的气源供给。由于相关设备已采购，管路已在实船上安装应用，因此优化方案应以修改量最小为前提，从而降低成本。以机舱百叶窗为例，考虑采取以下方案。

1) 方案一：不更改电磁阀和百叶窗的型式，电磁阀进气端(P)开敞，压缩空气管端关闭，手动阀保持常开(阀位1)(见图6)。在正常状态下，压缩空气通过三通阀和电磁阀输送至百叶窗，百叶窗通气打开；当电磁阀通电时，P与A接通，百叶窗气缸及其管路上的压缩空气从电磁阀进气端泄放，百叶窗失气关闭；手动操作三通阀至阀位2，百叶窗气缸及其管路上的压缩空气通过三通阀泄放，百叶窗失气关闭。

按该方案优化之后，在进行功能试验时发现系统手动操作时正常，遥控操作时百叶窗无法关闭。手动操作正常说明压缩空气管路没有问题，控制气源的电磁阀出现了问题。

该集装箱船选用的电磁阀为两位三通先导式气控常闭电磁阀，其工作原理见图7。通电时，在电磁力的作用下打开先导阀，使气体进入阀芯气室，利用气压推动阀芯，管路通；断电时，先导阀关闭，工作口A处的压力从R泄放。若按方案1进行优化，压缩空气从R进，从A出，通电时由于阀芯上方压缩空气有一定的压力(0.7 bar),当电磁力不足以抵消压缩空气的作用力(有可能还包括重力的作用)时，先导阀无法打开，管路保持断开(见图7)，无法切断百叶窗压缩空气供给，导致百叶窗无法关闭。因此，方案一无法满足要求。

图7 两位三通先导式气控常闭电磁阀工作原理

2) 方案二：电磁阀改为常开型，不改变供气管路和百叶窗的型式(见图8)。在正常状态下，P与A相通，百叶窗保持开启；当电磁阀通电时，R与A相通，A端压力通过三通阀泄放，百叶窗失气关闭；当手动操作时，由于电磁阀P与A常通，无论如何操作手动阀，均无法切断供给百叶窗的气源，无法手动关闭百叶窗。因此，方案二不满足要求。

3) 方案三：电磁阀改为常开型，改变供气管路，不改变百叶窗的型式(见图9)。在正常状态下，压缩空气通过三通阀和电磁阀输送至百叶窗，百叶窗保持开启；当遥控操作时，电磁阀通电，R与A相通，A端压力从电磁阀排放口泄放，百叶窗失气关闭；当手动操作时，三通阀至阀位2，百叶窗气缸及其管路上的压缩空气通过三通阀泄放，百叶窗失气关闭，满足要求。该方案的缺陷在于：由于居住舱室、驾驶室和主消防控制站等均设置在前岛，在全船失电的情况下，船员无法在主消防控制站遥控控制电磁阀断电，进而切断气源，必须在后岛的快关阀控制室手动切断气源，中间距离比较远，在从发生火灾到切断气源的时间内，火灾会失控，存在一定的安全隐患。

4) 方案四：不改变电磁阀和百叶窗的型式(见图10)。在正常状况下，电磁阀保持通电，P与A相通，三通阀处于阀位1，气路通，百叶窗打开；当手动操作时，三通阀至阀位2，气路断开，百叶窗关闭；电磁阀遥控断电，R与A相通，气路断开，百叶窗关闭。该方案要求电磁阀能持续通电。

方案四虽然解决了防火风闸和百叶窗的问题，但带来了新的问题：

(1) 失电时防火风闸关闭，机舱烟囱风机无法按顺序启动;

(2) 常闭电磁阀长时间通电会导致其使用寿命大大缩短。

该船最终采用方案四，增加了不间断电源(Uninterruptible Power System, UPS)，避免全船失电时防火风闸自动关闭，同时采用能长时间通电的常闭电磁阀。

3 结 语

通过上述分析可知，应急压缩空气系统的设计和相关设备的订购未综合考虑电磁阀与百叶窗和防火风闸的联合动作机制，未校核系统实现的功能，是导致该系统的设计存在缺陷的根本原因。本文所述4种优化方案均考虑该系统管路已实船安装的情况，需最大程度地减少修改量。方案三和方案四虽然都能满足SOLAS的要求，但各有弊端。百叶窗和防火风闸在订购时可考虑设备本体自带电磁阀，而应急压缩空气系统仅需考虑供气和断气。系统设计人员应充分了解规范的要求，熟悉设备的工作原理，结合气源供给方式和设备工作原理设计应急压缩空气系统，以实现预期的功能。