極地船舶機艙智能通風系統設計

袁瑞軍，張 雷，楊立楠，周 兵，陳方紅

（廣州文沖船廠有限責任公司，廣州 510727）

1 概述

傳統船舶的動力設備主要集中于機艙。基于船舶柴油機的燃燒需求，機艙配置定量通風系統，其需滿足主柴油機、柴油發電機組、鍋爐等設備的燃燒空氣需求；同時，通過機艙通風保證機艙溫度的相對穩定。由于在柴油機組非滿負荷運行和低溫的冬季時節，尤其是極地區域環境溫度常年低于-10 ℃，常規的機艙通風系統容易造成機艙溫度過低，影響船舶運行安全，并浪費通風系統的能源消耗。因此，為了確保極地船舶設備安全運行和節能，其機艙通風系統采用智能控制是非常必要的。

2 極地船舶機艙智能通風系統簡介

極地船舶機艙智能通風系統原理：通過獲取柴油機的在線功率工況、外部環境溫度、機艙溫度等數據，根據機艙實際通風需求對機艙供風量進行控制和調整，以滿足機艙柴油機和鍋爐等設備燃燒量的需要，同時保證機艙溫度在規定值范圍內。

極地船舶機艙智能通風系統的優點：首先，通過對通風系統的優化，降低通風系統的能耗；其次，保證機艙的安全溫度，既保證柴油機對燃燒空氣的溫度要求，同時也使機艙溫度在規定值范圍內，保證機艙設備正常運行和人員安全；再者，對于超低溫度環境，參比機艙通風量對進風百葉窗的加熱除冰系統提供匹配的加熱功率，優化節約除冰加熱系統的功率消耗。

3 某極地船舶機艙智能通風系統的設計

極地船舶機艙智能通風系統設計的目的是：（1）滿足機艙主要設備（柴油機組、鍋爐等）燃燒空氣需求；（2）滿足壓縮空氣系統對空氣的使用需求；（3）滿足風冷機艙設備散熱冷卻需求；（4）滿足機艙設備運行最低環境溫度需求，以確保機艙設備能安全運行。總之，根據極地船舶具體設備配置，采用合理簡潔的方法滿足覆蓋全方位的使用需求、保證船舶在極地區域的安全運行、降低船舶營運能耗、提高船舶的環保性能。

某極地船基本配置如下：2 臺4 000 kW 主機；2臺1 520 kW 輔助發電機；2 臺7.8 t/h 蒸汽鍋爐；2 臺廢氣鍋爐；4 臺20 kW 變頻器驅動風機。船舶運營航線為全球航線，覆蓋赤道及極地。

3.1 機艙主要設備所需的燃燒空氣量qc 計算

兩臺4 000 kW 推進主柴油機燃燒所需的空氣量qdp、兩臺1 520 kW 輔柴油機燃燒所需的空氣量qdg、兩臺7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺廢氣燃油鍋爐燃燒所需的空氣量qb，根據機艙通風計算標準ISO8861-1996公式計算。

3.2 機艙主要設備的散熱量φc 計算

兩臺4 000 kW 主柴油機的散熱量φdp、兩臺1 520 kW 輔柴油機散熱量φdg、兩臺7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺廢氣燃油鍋爐散熱量φtp、機艙電氣設備的散熱量φei，根據機艙通風計算標準ISO8861-199公式計算。交流發電機的散熱量φg 由于本船電球均為水冷，故取值為φg=0。

3.3 機艙其他設備和系統的散熱量φt 計算：

其他設備和系統主要包括：熱的艙柜、空壓機和排氣管系。根據ISO標準計算或采用同等船的經驗數據，本船取φt = 40 kW。

船舶運行在極地環境時，外部大氣環境平均溫度約為-25 ℃，而機艙內的理論安全溫度為不低于0 ℃，建議取安全溫度為5 ℃，以確保機艙相關輔助設備的安全運行。在此惡劣的外部環境溫度下，機艙內的最佳通風狀態為滿足機艙設備燃燒和使用所需即可，傳統設計中的冷卻通風成為過量通風，-25 ℃的通風溫度和通風量將難以保證機艙的安全運營溫度。因此，極地船舶的實際通風量計算如下：

式中：P1#主機——1 號主機功率，kW；

P2#主機——2 號主機功率，kW；

P1#輔機——1 號輔機功率，kW；

P2#輔機——2 號輔機功率，kW；

T ——機艙溫度，℃；

H——時間，h。

當溫度低于-5 ℃時，在全負載工況、無進風預加熱情況下，機艙環境平均溫度最高為：

式中：T——機艙溫度 ，℃；

P——為機艙設備散熱量， kW；

G——為機艙燃燒通風散熱量， kW。

3.4 機艙智能通風系統設計

基于以上機艙設備對空氣的實時需求量和機艙的冷卻空氣量，機艙智能通風系統需要采集以下信號，以對機艙通風系統的動態和智能控制:

（1）柴油機的運行信號和負荷信號（即計算運行功率），用于確認柴油機燃燒空氣量的計算基礎；

（2）鍋爐的運行信號和燃燒負荷信號；

（3）配電板發電機運行狀態和負荷信號，用以計算機艙主要設備的發熱參考值；

（4）機艙溫度，用于校準通風量以及進風百葉窗的電加熱功率控制；

（5）環境溫度，用于計算即時通風量和進風百葉窗預加熱量。

3.5 控制對象以及控制裕度

（1）對機艙風機進行調速控制（變頻控制）

機艙風機多為軸流風機，軸流風機的通風量與風機轉速接近線性關系，因此可以通過對轉速的定量控制達到對風量的定量控制，風量的需求來源于上述計算；

當環境溫度低于0 ℃時，機艙通風在滿足機艙設備燃燒及保證其正常運行的基礎上，機艙溫升約15 ℃，因此不需要額外的冷卻風量來滿足機艙設備的工作散熱冷卻需求。

（2）對進風百葉窗加熱除冰功率的控制

柴油機對增壓器進風溫度限制一般不低于-5 ℃，機艙持續溫度通常不宜低于5 ℃，否則部分管路和設備內的液態水容易結冰，造成設備和管路的損壞或系統的功能失效；同時，過低的機艙溫度也會造成部分系統額外的加熱能耗，并會影響船員的工作狀態，降低關注效率和工作安全性。因此，維持機艙溫度在一定范圍是智能機艙通風系統的控制目標。

眾所周知，電阻器件加熱功率P=U2/R，即加熱量與加熱器電壓成平方關系。因此對機艙進風口加熱器的加熱功量可以采用調節電壓方法加以控制，加熱原件輸入電壓采用可控電壓，通過控制加熱電源的輸出電壓來控制加熱器的輸出功率。

機艙智能通風系統示意圖，如圖1 所示。

（3）通風系統加熱器的選型和功率計算

基于主機的燃燒空氣的溫度需要高于-5 ℃和機艙設備安全環境溫度需要高于5 ℃的基本要求，以保證機艙低溫淡水系統、污水系統、以及其他系統的安全工作。因此機艙需要配置機艙通風加熱除冰系統和機艙暖風機，以保證機艙的環境溫度和柴油機燃燒空氣溫度限制。

通常極地船舶工作外部環境溫度可達-25 ℃，因此加熱器功率計算需要滿足燃燒空氣-5 ℃的補償溫度需求，因此通風系統預加熱功率為：

P=1.004*G燃燒通風*△T /t （3）

考慮進出風口、機艙混風及機艙環境溫度，溫差系數△T 取為3 ℃，t 為取樣時間，則所有進風口加熱功率P 約為48 kW，以4 個進風口為例，每個進風口約為12 kW。其他不足的溫度補償另外由機艙加熱風機提供。

（4）機艙智能通風系統涉及規范與處理方式

機艙通風在規范上涉及防火、CO2、非重要負荷卸載等方面，因此該系統設計需要滿足機艙風機應急切斷功能，提供和應急切斷系統的控制接口；另外，機艙通風系統需要滿足機艙CO2排放要求，所以通風系統中必須有一臺風機由應急配電板供電，且該風機需具有正反轉功能，提供機艙的CO2排出功能；再者，因為系統中的加熱系統不屬于涉及強制安全系統，在電站非常狀態下需要提供非重要負荷卸載功能，以保證船舶電站和電力系統的安全。

3.4 船舶通風系統功能與報警

極地船舶通風系統提供了基于船舶設備運行工況和環境溫度的預控制及控制修正功能。同時，該船機艙通風控制系統提供了與機艙自動化的通訊接口，用于將設備運行參數、設備運行故障和系統自診斷結果上傳至AMS 機艙自動化系統，或機艙設備綜合運行管理系統。

4 結束語

極地運營船舶在未來具有較大的市場需求，極地運營船舶航行環境的不同對船舶能耗和機艙設備的安全都有較大影響。因此根據極地營運船舶運營需求，有針對性地進行新產品和新系統的研發，可有效提高船舶的運營安全性、降低船舶能耗、節約運營成本。機艙智能通風系統，不但可應用于極地船舶，也可應用于常規區域船舶。