PCTC船货舱通风系统三种设计方案对比

徐谦,欧书博,孙彦刚,赵自兵,吕明广

(1.招商局邮轮研究院(上海)有限公司,上海 2001371;2.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山东 威海 264200)

汽车运输船(pure car truck carrier,PCTC)安装有艉门、坡道等通道设备,是大规模海上汽车运输的专用运输船[1]。在封闭的PCTC船货舱内,汽车在上下船时会产生尾气,使得货舱内空气中含有一氧化碳等有害气体,即使在汽车静置时,汽车燃料系统也可能挥发出可燃气体。为了保证货舱内工作人员的健康,货舱通风系统通过注入外部新鲜空气来维持货舱内的空气品质[2]。PCTC船货舱的甲板层数多,容积大,其通风换气次数多,因而货舱通风系统很庞大。某9 000车PCTC船有10多层货舱,货舱通风系统布置有68台风机,总风量达到400万m3/h。货舱通风系统是PCTC船设计建造的关键技术和主要难点之一,一方面通风系统的设计需要尽量少地占用货舱空间,保证车辆的装载空间,另一方面风机运行会产生很大的电力消耗和噪声,直接影响船舶的运营和交付。目前对PCTC船货舱通风系统的研究主要有：①CFD模拟计算在设计中的运用,比如运用CFD计算对通风设计进行优化,达到提高通风效率的目的[3];对PCTC船货舱风道的阻力进行CFD计算,并通过设计优化减少风道总阻力[4]。②对设计要点进行归纳和分析,对这些年来建造的 PCTC 船货舱通风系统的设计要点进行总结和分析[5];结合船舶建造的规范要求及设计经验,从风道设计、风量计算/噪声/压降的计算及控制方面上进行阐述[6]。对于PCTC船货舱通风这样庞大的复杂系统,选择系统设计方案是第一步,也是最重要的一步。为此,对PCTC船货舱通风系统的3种设计方案,通过货舱内通风流场的CFD模拟,风机电力消耗的数值计算和风道占用空间的分析,对比各方案的优缺点,探索最优的PCTC船货舱通风设计方案。

1 系统设计方案

PCTC船货舱通风系统的风机房通常布置在最上层甲板的艏艉部,通过布置在两舷的结构风道实现各货舱的机械通风。通风模式分为装卸货和海上航行,装卸货时,艏艉风机都进行机械送风,达到20次/h的换气次数,并通过坡道和艉门进行自然排风;海上航行时需要达到10次/h换气次数,由于在海上航行时坡道和艉门是关闭的,需要考虑不同的排风方式,考虑3种不同的设计方案,分别是完全自然排风、部分自然排风和完全机械排风,见表1。

表1 不同货舱通风系统的设计方案

表2 不同货舱风机的相关参数和性能

1.1 完全自然排风设计方案

完全自然排风设计方案在海上航行的通风示意图见图1,为一层货舱的俯视图,货舱的艏艉部的两舷分别布置有双速送风机,风机低速运行送风,舯部布置有自然通风口进行排风。

图1 完全自然排风的布置及气流示意

装卸货时,风机均高速运行进行送风,从舯部自然通风口和坡道的甲板开孔进行排风。

1.2 部分自然排风设计方案

货舱艉部布置可逆风机,装卸货时送风,海上航行时逆转抽风,抽风量是送风量的50%,另外的50%风量由舯部通风口进行自然排风,见图2。

图2 部分自然排风布置及气流示意

1.3 完全机械排风设计方案

在货舱的艏部和艉部分别布置风机,海上航行时艏部送风,全部风量由艉部风机排出,没有自然通风口,见图3。

艉部的逆转风机,在送风时和排风时的风量需要是一致的,可以采用50%可逆风机,通过部分正转和部分逆转来实现装卸货时的送风量和海上航行时的抽风量是一致的,也可以采用抽风量和正转送风量是一样的100%可逆风机。

2 货舱内通风流场

运用CFD软件Airpak对不同的PCTC船货舱3种通风设计方案进行通风流场的模拟计算,对比分析不同方案在装卸货和海上航行时货舱内的风速云图和平均空气龄(mean age of air)云图。CFD 计算可将看不到的风进行“可视化”,通过不同的云图来清楚地表现通风流场,是通风设计的有效方法[7]。空气龄是外部空气到达室内某确定点的平均时间,反映了气流分布的好坏和空气的新鲜程度,是评价通风流场效果的重要指标。空气龄越小,空气越新鲜,空气品质越好[8]。

PCTC船的货舱层数众多,但各层的形状基本一致,选用某PCTC船的一层货舱进行分析,容积15 000 m3,装卸货时是30万m3/h的通风量,海上航行时是15万m3/h的通风量。每台风机的风量是5万m3/h,共配置6台风机。运用airpak进行建模和计算,按照货舱的尺寸(长185 m、宽37 m、高2.2 m)建立ROOM,建立OPEN来表示机械通风和自然通风的风口,选用indoor方程进行CFD计算。

2.1 装卸货时的CFD计算

装卸货时,按照表1,设计方案1～3的风速云图见图4,平均空气龄云图见图5。

图4 装卸货时风速云图

图5 装卸货时平均空气龄云图

3种设计方案在装卸货时的速度云图和平均空气龄云图出现多方面相似,货舱艏艉区域的风速高且平均空气龄小,货舱舯部区域的风速较低且平均空气龄较大。但3种设计方案也存在很多不同。对比风速云图,方案3的舯部区域的风速相对较高且均匀,而在方案1和2中,舯部明显出现了较大区域的低风速区域;对比平均空气龄云图,方案1和2的货舱舯部出现较大的高平均空气龄的区域,方案3的舯部平均空气龄最为均匀且小。分析发现,当舯部存在自然风口时,由于货舱艏部送风从从坡道甲板开口排出,艉部送风从自然风口排出,从而导致舯部从坡道甲板开口到自然排风口的区域的通风流场较差。但是这些自然通风口的存在可以减少艉门处的风速,且有助于低密度的污染空气排放,所以在装卸的时候不考虑关闭这些自然风口。

对比3个方案,在装卸货时,完全机械排风的货舱内通风流场最佳,而部分自然排风和完全自然排风的货舱内通风流场一般。

2.2 海上航行时的CFD计算

海上航行时,设计方案1～3的风速云图见图6,平均空气龄云图见图7。

图6 海上航行时风速云图

图7 海上航行时平均空气龄云图

方案1,风从艏艉进入货舱,舯部排出,货舱内舯部区域的风速较低,且平均空气龄比较均匀;由于货舱舯部区域离艏艉部送风口的距离较近,虽然风速较低,但是并没有引起平均空气龄的明显增加。

方案2,艏部区域的风速高且平均空气龄小,但是艉部较大面积区域的风速很低,且平均空气龄很大。分析发现,方案2中从艏部风机送入货舱的新鲜空气,一部分从舯部的自然风口排出,剩余部分空气继续向艉部运动,由于风量的减少,此时风速会明显降低,平均空气龄增加。

方案3,新鲜空气从艏部进入货舱,然后全部从艉部排出,风速普遍达到0.5 m/s,平均空气龄从船艏到船艉逐步增加,绝大部分区域不超过600 s,艉部有部分区域的通风流场较差,但是面积很小。

对比分析表明,在海上航行时,完全自然排风和完全机械排风的通风效果比较好,而部分自然排风的通风效果一般。

3 风机电力消耗

PCTC船货舱通风系统的电力消耗很大,为了降低船舶的运营成本和建造成本,设计时需要充分考虑货舱通风系统风机运行的能耗问题。

仍以上述PCTC船货舱为例,选用的货舱风机有3款,不防爆的送风机、防爆的50%可逆风机和100%可逆风机相关参数和性能见表3。仅有送风功能的风机不防爆,需要逆转抽风的风机需要防爆,50%可逆风机是普通风机,逆转时的效率很低,由于需要防爆而导致正转时效率有所降低。100%可逆风机的正转和逆转有相同的特性,风机效率要低于正转时的普通风机。

表3 不同货舱通风方案的电力消耗

风机的轴功率按照公式1计算,风机压力和风量的变化关系见式(2)[9]。

N=Q/3 600·p·ρ/η

(1)

式中：N为风机轴功率;Q为风量;p为风机压力;ρ为空气的密度;η为风机效率。

p1/p2=(Q1/Q2)2

(2)

Q1是原风机风量;Q2是调节后的风机风量;p1是原风机压力;p2是调节后的风机压力。

按照不同货舱通风方案,共配置有6台风机,其电力消耗见表3。装卸货时,所有的风机都在满负荷进行送风,各方案电力消耗的差别取决于风机效率,完全自然排风设计原则下的方案1采用的风机是不防爆的普通风机,其风机效率最高,电力消耗最小,为80 kW; 完全机械排风设计原则下的方案2采用了防爆的100%可逆风机,其风机效率最低,所以电力消耗最大,为90 kW。不同于在装卸货时各个设计方案的电力消耗相差不大,在海上航行时,3个方案的风机功率差别很大,方案1明显小于其他方案,仅13 kW,是方案2的22%,是方案3的14%。

方案1海上航行时,货舱内的所有空气通过舯部风口进行自然排风,不需要消耗任何的风机电能,且所有的风机都是50%风量下的低速运行,按照公式2,风机的压力降低为原来的25%,结合公式1,风机的功率大幅降低。

方案2海上航行时,艏部送风机的运行工况和装卸货时一样,进行满负荷送风,而艉部风机逆转低速抽风,风机的风量和压力都减少,虽然风机此时的运行效率很低,但是其电力消耗也明显小于装卸货时的电力消耗。

方案3,100%可逆风机在海上航行时的运行工况和装卸货时完全一致,所有风机满负荷运行,其电力消耗最大。

4 风道占用空间

在PCTC船货舱通风系统设计中,货舱通风的风道一般是利用两舷的强结构来构造结构风管,有利于保证足够的货舱内装载空间,也有利于控制船舶的重量和重心。

利用自然排风的设计方案,由于PCTC船总体稳性的要求,舷侧的自然通风口需要布置在破损倾斜水线以上,位置较高,对于位置较低的货舱,需要构建自然排风风道来连接货舱和外部通风口。自然排风风道内的通风阻力,需要用货舱内压力来克服,而货舱内的压力不能太大,一般控制在100 Pa以内。由于货舱风道内的风速一般小于10 m/s,沿程阻力较小,风道压力损失主要来自局部阻力,即风道内甲板开孔、结构构件等产生的压降,与风速密切相关,见公式3。自然排风风道内的风速不能够取大,且当结构风道越长,则风道内的设计风速越低,这就意味着需要在货舱舯部布置大量的大尺寸结构风量来实现自然排风。

p=0.5ρξv2

(3)

式中：ξ为局部阻力系数;v为风速;p为风道压降。

PCTC船一般有10多层甲板,对于底部的货舱,风道的长度很长,难以全面采用自然排风。

对于不同高度位置的货舱,需要考虑采用不同的设计方案。对于破损水线以上的货舱可以采用完全自然排风,而对于破损水线以下的货舱,需要考虑船上可以被风道利用的空间,以及相应的重量问题等综合因素。货舱机械通风风道一般以8 m/s的风速为设计基准,而自然排风风道可以取是4 m/s,自然排风风道的压降小于100 Pa的选择部分自然排风,大于100 Pa的选择完全机械排风。

5 结论

1)完全自然排风具有最少的电力消耗,且通风流场较好,但是在风道占用空间面对较大限制;完全机械排风的风道占用空间最小,且通风流场最优,但在海上航行时电力消耗最大。对于不同的设计方案,呈现风道占用空间越大则风机电力消耗越小的规律。

2)装卸货时,坡道甲板开口和自然通风口的位置会对货舱内通风流场产生较大影响。

3)海上航行时,自然排风运用的越多则风机电力消耗越小。

4)建议采用高层货舱采用完全自然排风,中部货舱采用部分自然排风和低层货舱采用完全机械排风的组合方案。