大中型艦船柴油機排氣泄漏風險評估和監(jiān)控需求研究

唐熊輝，陳 亮，余 濤，蘇洪濤

(1. 海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二艦船設(shè)計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

柴油機作為艦船常用動力之一，工作時排出的尾氣中含有大量的有害氣體，如NOx，CO2，CH2O，CO以及氣溶膠等[1]。其中，CO是易燃、無色無味且有較高毒性的氣體，較低濃度即可能導致人員窒息。各國針對艦船艙室CO濃度制定了相關(guān)標準，如美國相關(guān)標準規(guī)定的艦船艙室空氣質(zhì)量標準限值中，CO的90天容許濃度限值為20 ppm，24 h應(yīng)急容許濃度限值為 50 ppm，1 h 應(yīng)急容許濃度限值為 400 ppm[2]。實際使用時，應(yīng)盡量控制艙室CO濃度滿足相關(guān)標準限值要求。

相比建筑等人工室內(nèi)環(huán)境，由于結(jié)構(gòu)自身特點和節(jié)能等方面需要，艦船艙室與外界的通風存在各種制約。為保證人員作業(yè)安全，一般要求對艦船艙室的重要空氣組分進行連續(xù)監(jiān)測或定期巡檢。隨著技術(shù)的進步，空氣污染組分監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)日益成熟。但是，由于空間、經(jīng)濟性和船用條件等制約，艦船艙室一般未配備污染實時監(jiān)測系統(tǒng)，或僅配備集中監(jiān)測設(shè)備并通過采樣管路對典型艙室部位進行定期巡檢，就地實時監(jiān)測設(shè)備配備相對較少[3 – 4]。

當前國內(nèi)艦船環(huán)境領(lǐng)域的研究中，針對艙室污染物遷移規(guī)律研究較少，且主要采用集總參數(shù)模擬[5 – 6]，該方法耗時較少，可用于長時間動態(tài)分析，在對室內(nèi)污染物含量進行初步分析以及了解動態(tài)特性時非常有用[7]。然而集總參數(shù)模擬只適用于單一艙室區(qū)域，無法分析全船范圍內(nèi)的污染物擴散遷移，因此無法分析事故工況對全船各艙室環(huán)境的影響等問題。

結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)研究[8 – 10]，本文以某柴油機動力艦船為研究對象，結(jié)合文獻給出的工況參數(shù)[8]，利用多區(qū)域模擬軟件CONTAM，模擬多種柴油機泄漏和排氣吸入工況，以確定各種工況對艦船艙室大氣的影響，并結(jié)合研究結(jié)果給出艦船艙室CO濃度監(jiān)測建議。

1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模擬方法

1.1 多區(qū)域模擬數(shù)學描述

多區(qū)域模擬從宏觀角度進行研究，把研究對象整體看作一個系統(tǒng)，而其中的每個艙室作為一個控制體（或稱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點），各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通過各種空氣流通路徑相連，利用質(zhì)量、能量守恒等方程對艦船內(nèi)的空氣流動、壓力分布和污染物傳播情況進行研究[11 – 12]。

在對不同區(qū)域污染物傳播規(guī)律進行研究之前，首先應(yīng)獲得各區(qū)域之間的通風規(guī)律，多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通風模型能夠較好地應(yīng)用于機械通風系統(tǒng)的節(jié)點之間的通風量分析，其所依據(jù)的原理是，根據(jù)各個通風路徑的流量-壓力關(guān)系描述以及各區(qū)域空氣質(zhì)量守恒，從而計算出不同區(qū)域之間的通風量。對于某一通風支路e，連接區(qū)域i和j，定義fi-je為通過支路e從i到j(luò)的質(zhì)量流量，壓差-流量關(guān)系模型可寫為下式：

對于不同的通風路徑，式（1）有不同的表達形式，即不同的支路阻力模型。不考慮空氣可壓縮性，在平衡狀態(tài)中，由于壓力驅(qū)動，流入和流出區(qū)域j的空氣流量守恒，如下式：

式中：N為區(qū)域總數(shù)量；Fi-j為從區(qū)域i到區(qū)域j的總風量。N個區(qū)域可列N個方程，采用牛頓迭代法對方程組求解，可獲得不同區(qū)域壓力值以及風量傳播規(guī)律。

進一步，以各區(qū)域之間通風量為基礎(chǔ)，根據(jù)單一節(jié)點污染物質(zhì)量守恒規(guī)律，可列出節(jié)點污染物濃度平衡方程，如下式：

式中：a為滲風量對節(jié)點體積的換氣次數(shù); n為送風量對艙室體積的換氣次數(shù); nr為回風量對艙室體積的換氣次數(shù); Ci為 t時刻艙室內(nèi)污染物濃度; C0為 t時刻艙室送風污染物濃度; P 為污染物穿透系數(shù); t為時間; V 為艙室體積; Vsource為t時刻艙室內(nèi)污染物發(fā)生源強度;h為送風過濾效率; hr為回風過濾效率。

1.2 CONTAM介紹

CONTAM是由美國國家標準技術(shù)研究院（NIST,National Institute of Standards and Technology）研發(fā)的多區(qū)域氣流和污染物傳播分析軟件，可以幫助用戶研究：①流場和壓力：如滲透，由機械通風引起的區(qū)間氣流和壓差，作用于建筑物外表面的風壓，室內(nèi)外壓差導致的浮力作用；②濃度場：由上述流動引起的污染物傳播，化學元素及放射性化學元素的反應(yīng)，建筑物材料的吸附、解吸附作用，過濾，建筑物表面沉積；③個人暴露：即預測建筑物內(nèi)人暴露于污染物中感染的風險概率[14]。從1989年開發(fā)的軟件雛形AIRNET至今，已經(jīng)發(fā)展到3.2版本[15]。

2 研究方法

本文以某艦船為研究對象，該艦船的柴油機艙及相鄰艙室配有獨立通風系統(tǒng)。其中送風機將外界新風分別送入風機室、蓄電池艙和柴油機艙。柴油機組從柴油機艙直接吸入空氣，通過柴油機排氣管路將燃燒后的廢氣排出舷外。在柴油機運行過程中，可能由于密封等原因?qū)е屡艢庠诓裼蜋C艙內(nèi)泄漏，另外排氣排出舷外后，還可能由于風向等原因又被送風機吸入艙室，造成艙室污染物濃度升高。

其中柴油機艙用來放置柴油機及相關(guān)配套設(shè)備，蓄電池艙用來儲備電力作為全船用電設(shè)備應(yīng)急電源，風機室放置風機及相關(guān)設(shè)備，生活區(qū)為船員主要活動區(qū)域，包含船員工作、生活等功能。

船舶艙室通風工況示意圖如圖1所示。

船上未設(shè)置CO凈化裝置，假定：

1）艙室及外界環(huán)境初始CO濃度為0，除了排氣泄漏或二次吸入導致的CO濃度增加外，艙室不存在其他CO散發(fā)源；

2）CO在傳播過程中不發(fā)生二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)；

3）柴油機運行時工況穩(wěn)定，排氣中CO濃度保持恒定；

圖1 柴油機工作時艙室通風示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the compartment ventilation during diesel generator working

4）艦船艙室環(huán)境溫度保持恒定。

基于艙室結(jié)構(gòu)及通風系統(tǒng)特征，建立艙室CONTAM模型如圖2所示，依據(jù)該船舶設(shè)計參數(shù)，模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 船舶艙室 CONTAM 模型Fig. 2 CONTAM model diagram of the ship

3 計算結(jié)果

3.1 柴油機排氣泄漏的影響分析

根據(jù)相關(guān)文獻，艦船柴油機排氣中的CO濃度受柴油機燃燒狀態(tài)影響，一般在380～1 700 ppm[17]，研究假定柴油機排氣中CO濃度為600 ppm。為了研究柴油機排氣泄漏的影響，對該事故工況進行風險評估，本文進行一系列仿真分析（泄漏率從2%～100%），以確定不同排氣泄漏率下的CO濃度增長速率及艙室平衡濃度。仿真將監(jiān)測柴油機組運行10 min內(nèi)柴油機艙CO濃度變化，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同排氣泄漏率下柴油機艙CO濃度變化曲線Fig. 3 Variation curve of CO concentration in diesel generatorcompartment under different exhaust leakage rate

可以看出，柴油機工作期間，在不同泄漏率工況下，柴油機艙CO濃度在初始階段急劇升高，之后逐漸達到平衡濃度。當排氣泄漏率超過4%時，平衡濃度將超過20 ppm（90 d容許濃度限值）；如果泄漏率大于9%，平衡濃度將超過50 ppm（24 h應(yīng)急容許濃度限值）；如果排氣泄漏率超過78%，平衡濃度將超過400 ppm（60 min 應(yīng)急容許濃度限值）。

表2比較了不同泄漏率下超過容許限值的時間。可以看出，極短時間內(nèi)的排氣泄漏就會導致超過標準規(guī)定的濃度限值。

表2 柴油機艙超過容許濃度限值所需時間Tab. 2 Times taken for diesel generator compartment to breach allowable concentration limits

柴油機排氣泄漏會對艙室環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響，而艙室環(huán)境的監(jiān)測依賴于艙室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)的響應(yīng)時間決定了人員反應(yīng)時間。然而一般艦船不配備空氣成分監(jiān)測裝置，少量艦船使用集中大氣監(jiān)測系統(tǒng)進行空氣成分濃度監(jiān)測[18 – 19]，通過多通道采樣和質(zhì)譜儀進行分析。該類系統(tǒng)具有較高的精度和較快的響應(yīng)時間，但檢測頻次受監(jiān)測點數(shù)影響，點數(shù)多時單個部位巡檢時間可能需要數(shù)十分鐘，與CO濃度上升速率匹配性較差。因此，為了保障人員健康，建議在船舶柴油機艙內(nèi)安裝可快速響應(yīng)的CO監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)CO實時檢測，在事故發(fā)生時及時警告艙室人員，以便采取相關(guān)應(yīng)對措施。

3.2 柴油機排氣二次吸入的影響分析

在一定的條件下，柴油機排氣會通過送風管路吸入艙室。吸入率主要取決于外界風向、風速和船舶航向。一般而言，船舶會按照要求保持一定的航向，使排氣遠離送風管進風口。但在風向多變的實際情況下，并不能排除二次吸入的可能性。

結(jié)合圖1的送風工況示意圖，排氣二次吸入時，將經(jīng)由送風系統(tǒng)送至全船各個艙室。為了評估排氣二次吸入對艙室環(huán)境的影響程度，本文模擬了不同吸入率下的艙室通風工況。

根據(jù)仿真結(jié)果，不同排氣吸入率下柴油機艙CO濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同排氣吸入率下柴油機艙CO濃度變化曲線Fig. 4 Variation curve of CO concentration in diesel generator compartment under different exhaust intake rate

可以看出，在不同的排氣吸入率下，柴油機艙的CO濃度迅速達到平衡濃度的70%左右，并在之后隨著換氣的持續(xù)進行逐漸達到平衡濃度。即使排氣吸入率很低，CO濃度也會在短時間內(nèi)上升到一個較高的水平。進一步驗證在柴油機艙內(nèi)安裝可快速響應(yīng)的CO監(jiān)測設(shè)備的必要性。

艦船上的生活區(qū)是人員活動的關(guān)鍵區(qū)域，因此，該區(qū)域的空氣質(zhì)量也需重點關(guān)注。圖5為不同排氣吸入率下生活區(qū)CO濃度變化曲線。

如圖所示，在相同排氣吸入率下，由于換氣次數(shù)降低，CO濃度上升速率相較于柴油機艙較為緩慢，但最終平衡濃度依然會達到送風濃度，因此可能會超過容許濃度限值。如果排氣吸入量大于4%，將超過90 d允許濃度限值；如果排氣吸入量大于9%，將超過24 h容許濃度限值；如果排氣吸入量超過67%，將超過1 h應(yīng)急容許濃度限值。

圖5 不同排氣吸入率下生活區(qū)CO濃度變化曲線Fig. 5 Variation curve of CO concentration in living compartments under different exhaust intake rate

由表3可知，在二次吸入發(fā)生時，艙室CO濃度升高到容許濃度需要時間相對較長，配備定期巡檢類設(shè)備即可滿足監(jiān)測需求。

此外，合理布置送、排風口位置，將會降低二次吸入率，在一定程度上減小二次吸入的影響；若改變通風方式，直接通過通風機供給柴油機舷外新風，而不是通過柴油機艙供給空氣，可以在柴油機工作時停止開啟或者間歇啟用艙室通風工況，將會在一定程度上降低排氣二次吸入對于艙室的污染。

4 結(jié) 語

艦船柴油機運行工程中，無論是尾氣泄漏至艙內(nèi)，還是經(jīng)由二次吸入進入艙內(nèi)，都可能導致艙室CO濃度在短時間內(nèi)急劇升高到危險水平。針對此類工程問題，可以利用多區(qū)域模擬仿真分析，對艙室污染物濃度變化趨勢進行預測，并結(jié)合預測結(jié)果給出事故預警，指導凈化系統(tǒng)及通風管網(wǎng)設(shè)計。該研究方法不僅適用于本文研究對象，針對所有采用柴油機作為動力的水面艦船及通氣管狀態(tài)下使用柴油機發(fā)電機組給蓄電池充電的潛艇，都是適用的。

同時結(jié)合分析結(jié)果，建議在艦船柴油機艙內(nèi)增設(shè)CO濃度監(jiān)測裝置，以提高船員作業(yè)安全。