空气质量监控系统在客滚船货舱通风系统中的运用

崔宝明，田正军，徐 谦，赵自兵，吉春正，钱新春

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

客滚船又称开上开下船，常用作中近程海上运输船和内河渡船，可同时运载旅客、车辆和货物。高端客滚船不仅具有一般客滚船的运载性质，而且拥有接近于邮船的舒适性和娱乐休闲功能。客滚船的货舱空间在整船空间中的占比很大，一般用甲板分隔为几层独立的封闭车辆货舱，也有将局部车辆货舱设置在露天甲板上的情况，主要用于运载带有燃油箱发动机的车辆、允许装载的货物和限制类危险货品，图1 为某具有4 层货舱的高端客滚船货舱布局示意图。

图1 某具有4层货舱的高端客滚船货舱布局示意图

由于易燃和有害气体（以下简称“危险气体”）会危及乘客和工作人员的健康和安全，需通过货舱通风系统防止危险气体在封闭的货舱内聚集，及时将危险气体排走并注入新风。然而，若盲目地使货舱风机长时间满负荷运行，会产生过多不必要的能耗损失；同时，若为了节能而盲目地使货舱风机低负荷运行，有可能无法及时发现并排出货舱内的危险气体。因此，给货舱通风系统配置空气质量监控系统，能在更好地保障船上人员安全的同时，在节能减排方面起到重要作用，对于客滚船翻新改造和新船建造而言颇具借鉴意义。

1 客滚船货舱通风

货舱通风系统通常根据稀释通风的原理设计，即对整个货舱进行通风换气，用室外的新风稀释（冲淡）货舱内含有危险气体的空气，要有足够的新风与之充分混合，并不断将其排出货舱［1］。

客滚船的每层货舱都应设置独立的通风系统，在货舱顶部设置进风口，在货舱顶部和底部设置排风口，1／3 的风量从顶部排出，2／3 的风量从底部排出，防止危险气体积聚，必要时可增加喷射引流通风［2］。

1.1 换气次数

船舶航行时需满足《国际海上人命安全公约》（International Convention for Safety of Life at Sea）的要求（见表1）；船舶装卸货时不仅要满足SOLAS规范的要求，而且要满足主管机关的要求。

表1 SOLAS关于货舱通风最低换气次数的要求 单位：次／h

1.2 货舱风机

封闭的客滚船货舱一般定义为危险区域，风机应为防爆型，防爆等级至少为IIAT3。客滚船货舱的风量一般较大，结构风道空间具有一定的局限性，故大多使用轴流风机［3］。风机的控制箱应设置在货舱车辆甲板以外的安全处所，由于控制箱不在风机附近，为维护风机，需在风机附近另外安装一套安全开关。

由于不同工作模式的需要和空气质量监控系统的运用，货舱通风的风量是需要变化的，故需使用变频风机。变频风机的原理是给风机配置变频器，利用变频技术调节电机的转速，从而改变风机的风量［4］。

1.3 工作模式

客滚船货舱通风主要有港口装卸货和航行2 种工作模式。受上层建筑的制约，一般无法采用横向通风，而是采用贯通船长的纵向通风。以某具有4 层货舱的高端客滚船为例，其货舱通风的工作模式如下。

1.3.1 底层货舱

在艏部设置可逆转排风机，在艉部设置排风机。当船舶航行时，艏部的排风机逆转送风，艉部的排风机排风；当船舶装卸货时，通过开启艏门或艉门侧滚装车道跳板实现自然进风，通过开启跳板对面的风机实现机械排风。

1.3.2 中间2 层货舱

在艏部和舯部设置排风机，在艉部设置可逆转排风机。当船舶航行时，艏部的排风机排风，艉部的排风机逆转送风；当船舶装卸货时，通过艏门或艉门自然进风，艉部或艏部的排风机排风，同时舯部的排风机排风。

1.3.3 顶层货舱

在艏部设置排风机，在艉部设置自然进风口。当船舶航行和装卸货时，均通过艏部的排风机机械排风。

2 机动车尾气中的有害物质［5］

客滚船货舱内通常停放有大量机动车，而机动车尾气中含有大量有害物质，主要包括汽油发动机产生的一氧化碳（CO）、柴油发动机产生的一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）。这些有害物质会以多种方式影响人们的健康。有些有害物质会以有形直接的方式带来伤害；有些有害物质在人们与之接触一段时间之后带来有害影响，这种影响取决于接触的时间和吸入的量。

1）CO是一种无色无气味的气体，会危害人的中枢神经系统和血液循环系统。吸入CO会引起头痛、头晕和恶心等症状，在极端情况下会导致虚弱、呼吸急促、意识丧失和死亡。

2）NO2是一种棕色、有刺激性、令人窒息的气体，其对呼吸系统有害，哮喘患者的反应尤其明显，慢性影响表现为神经衰弱综合征和呼吸道炎症。

3 客滚船货舱空气质量监控

空气质量监控系统是能监测空气质量并调节通风量的系统，主要应用于封闭的车辆处所、封闭的滚装和特种处所，确保其危险气体的浓度低于规定值，表2 为某客滚船货舱空气质量监测值。

表2 某客滚船货舱空气质量监测值

3.1 气体探测设备的布置

气体探测设备（以下简称“探头”）和布线应满足客滚船货舱条件和相关标准。每个探头的最大覆盖面积不能超过900 m2，安装高度根据制造商的标准确定（见图2）。注意将探头布置在不影响读数和测量的位置，不能放在门口和靠近外部进出风口的区域。

图2 探头安装高度示意图

3.2 货舱通风系统的控制

当货舱通风系统在空气质量监控模式下运行时，为低风量运行模式，一旦探头监测到在5 min内CO、NO2和LEL超过正常值，会将信号集中传递给对应的风机马达控制箱（Ventilation Motor Control Center，VMCC），随后计算机数据采集与监视控制系统（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）会采集VMCC的数据进行分析和监视，并根据设定值将执行信号反馈给VMCC，控制变频风机进行通风量调节，最终提供适当的风量将监测值恢复到正常值。通风量应根据气体浓度的增加而持续调节，尽快恢复正常值。整个系统既可自动运行，又可手动越控。图3 为某高端客滚船货舱通风系统控制逻辑图。

图3 某高端客滚船货舱通风系统控制逻辑图

该系统具有一定的安全性，当监测值超标时，会在持续有人的场所发出声光报警。供电、传感器和控制设备都应被监测，当这些设备失效时也有报警，包括手动越控。控制系统一旦失效（包括失电），通风系统应被切换到SOLAS要求的工作模式。系统应有持续的供电，且当失去正常供电时能自动切换到备用电。

3.3 经济效益

以某高端客滚船为例，总计为货舱通风安装40 台大风量轴流风机，表3 为该船货舱风机在不同通风模式下所需电功率对比。从表3 中可看出，空气质量监控系统的运用能较大程度地减少能耗，在节能减排方面具有重要意义。

表3 某高端客滚船货舱风机在不同通风模式下所需电功率对比 单位：kW

4 结 语

随着客滚船的更新换代和国内外客滚船市场的不断扩大，以及人们对健康安全和节能环保的关注度不断提升，空气质量监控系统将得到广泛运用和不断改进。通过在船上运用空气质量监控系统，实现了准确监测并控制货舱的空气质量，为乘客和工作人员提供更好的环境，并起到节能的作用，可供客滚船设计参考。