2 500 TEU 冰區集裝箱船邊壓載艙空氣吹泡 系統的設計優化與吹泡試驗

陳育喜，金炳光，張曉軍

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引言

世界冰區主要分布在南北極附近水域，主要 的航行區域包括波羅的海、北極水域、鄂霍次克 海等。隨著經濟貿易的繁榮，冰區航行的船舶數 量日益增多，船舶冰級設計成為熱點[1,2]。冰區航行的船舶處在低溫環境中，邊壓載艙內需要采取有效的防凍措施[2]，否則艙內位于最低冰面以上的壓載艙水面會整體結冰[3]，導致壓載泵會抽真空而無法正常起動，影響船舶的操作和性能。而底壓載艙通常低于最低冰面，因此防凍可以不做考慮。

目前邊壓載艙防凍的方法有：蒸汽加熱和壓縮空氣吹泡[4]。

1）蒸汽加熱系統。由船上鍋爐提供蒸汽，需要增大鍋爐的蒸發量。邊壓載艙采用蒸汽加熱時，加熱管路需要持續供應蒸汽，否則蒸汽管路將會凝水或結冰；由于邊壓載艙數量多，艙容大，勢必會極大地增大鍋爐的蒸發能力。

2）壓縮空氣吹泡系統。具有系統簡單、耗能少的特點。根據規范要求，邊壓載防凍僅需確保邊壓載艙最低結冰水面（LIWL）以上的海水表面不結冰[3]，因此空氣吹泡系統適用于邊壓載艙防凍，且該系統只有在邊壓載艙水面LIWL 以上時才需要開啟，系統工作時間與蒸汽系統相比較短，耗能也比蒸汽系統少。

1 主要參數

2 500 TEU 冰區集裝箱船的主要參數如下。

1）主尺度：195 m×32.2 m×17 m（總長×型寬×型深）。

2）船級：DNV GL。

3）防凍符號：DNV GL WINTERIZATION BASIC(SECTION 6 of TENTATIVE RULES FOR WINTERIZATION)[3]。

4）設計環境溫度：?10 ℃

5）設計最低海水溫度：?2 ℃

2 規范對于壓載艙防凍的要求

WINTERIZATION BASIC 船級符號對壓載艙防凍提出如下要求：

1）功能要求。在設計環境條件下，確保船舶安全壓載水能夠進行加載、排載和調撥操作，防止壓載艙水面結冰。

2）壓載艙防凍措施。對于有Winterized Basic船級符號的船舶，當艙室部分位于LIWL 以上時，采用空氣吹泡系統，或垂直蒸汽加熱盤管，能夠保持在冰面有一個足夠大的開孔即可。

根據以上分析，首選空氣吹泡防凍系統用于壓載艙的水面防凍。

3 系統設計（優化前）

3.1 吹泡壓縮空氣原理圖（優化前）

吹泡壓縮空氣系統包括1 臺吹泡空壓機（排量為200 m3/h；工作壓力為0.8 MPa，壓力為0.5 MPa時啟動，壓力為0.8 MPa 時停止），1 臺空氣干燥器、1 個吹泡空氣瓶（體積為1 m3）、2 套減壓閥組（進口工作壓力0.8 MPa，出口工作壓力0.2 MPa）、安全閥（起跳壓力0.22 MPa）及總管（DN50）組成，將壓縮空氣（工作壓力≤0.2 MPa）輸送到各艙室。總管與主空氣系統也有一路DN40 的管路連接，ALV15 常閉，僅作為吹泡空壓機故障時備用。如圖1 所示。

圖1 吹泡壓縮空氣原理圖（優化前）

為了延長空壓機的使用時間，通常需配備容量夠大的空氣瓶，以實現空壓機的自動起停。根據空壓機的規格書要求，在空壓機自動起停的操作中，為保護空壓機，空氣瓶壓力達到設定壓力后，空壓機先卸載，再空載運行120 s。同時，空壓機的頻繁啟停對其電子器件產生危害，空壓機廠家（Sauer SC31）推薦1 h 內最大起停次數不超過5 次，即起停間隔不小于12 min。空壓機的起停由機器自帶的壓力傳感器控制，由于空氣瓶進口有1 個止回閥，當空壓機壓力為0.8 MPa 停機時，空氣瓶的實際壓力只有0.75 MPa。

3.2 吹泡壓縮空氣原理圖（優化前）

到各個艙室的管路系統一路支管（DN25），由截止閥和延伸到各艙室距艙底200 mm的盤管組成，盤管每隔500 mm開1個直徑為3 mm的孔，由于間隔距離小，每個艙室的開孔數量少則幾十個，多則約200個。如圖2所示。

圖2 吹泡管艙室布置原理圖（優化前）

3.3 系統設計存在的問題

3.3.1 壓載條件

首次報驗邊壓載艙壓載條件如表1 所示。

表1 首次報驗壓載艙壓載條件

續表1：

3.3.2 吹泡結果

1）試驗1（僅開啟吹泡空壓機）。開啟到每個壓載艙的吹泡支管，起動吹泡空壓機，空氣瓶充滿后（壓力為0.75 MPa，此時空壓機壓力傳感器為0.8 MPa），開啟吹泡總管截止閥，在總管截止閥開啟后，短時間內（不超過3 s）空壓機壓力下降到0.5 MPa 以下，吹泡空壓機起動后一直工作，無法實現起停功能。見表2。

2）試驗2（接入主空氣系統，并連接吹泡空壓機）。開啟每個壓載艙的吹泡支管，起動吹泡空壓機，空氣瓶充滿后（壓力0.8 MPa，此時空壓機壓力傳感器的壓力為0.8 MPa），開啟主空氣瓶到吹泡系統截止閥，并開啟吹泡總管截止閥，在總管截止閥開啟后，主空氣瓶壓力下降，3 臺主空壓機（每臺排量為180 m3/h）依次啟動，最后吹泡空壓機也起動，壓力下降到0.5 MPa 左右后，壓力穩定。見表3。

表2 試驗1 吹泡結果

3.3.3 原因分析

1）空壓機的排量和空氣瓶的容量太小。吹泡空壓機的排量與吹泡所需額定空氣量一致，沒有余量則無法實現空壓機的自動起停。空氣瓶容積僅為1 m3（最大壓力0.75 MPa），而吹泡管路容積為5 m3～6 m3（自由空氣量），吹泡總管閥門第一次開啟時，空壓機停止到起動的空氣量僅為4 m3（自由空氣量）。由此，導致總閥的開啟瞬間，空氣瓶被瞬時泄壓，空壓機馬上起動，而空壓機排量和吹泡系統耗氣速度相同，吹泡工作時無法將空氣瓶充滿。

2）各壓載艙背壓差別較大。試驗1 表明，背壓大的艙無空氣吹泡會少量空氣吹泡，背壓大的吹泡空氣量較大，超過額定吹泡空氣量要求，導致空氣量分配不均。

表3 吹泡結果（接入主空氣系統、起動吹泡空壓機）

3）總管和各艙支管的背壓小于計算額定背壓要求，導致進艙空氣流速過快。計算是基于0.2 MPa的艙內背壓，然而實際壓載艙的背壓最大也就0.1 MPa 左右，需要安裝流量調節閥或節流孔板進行空氣流量調節，以控制到各邊壓載艙的支管的背壓加上沿程阻力相同，使每個艙室均能正常吹泡。

4）吹泡盤管只有靠近總管處才有吹泡空氣排出。試驗1 中只有靠近總管處的人孔有空氣吹出，而離總管較遠的人孔，沒有空氣吹出的，所以只能在總管處才能看到明顯的吹泡效果。

4 吹泡系統原理圖（優化后）

4.1 吹泡壓縮空氣原理圖（優化后）

針對系統中存在的問題，對其進行了優化，優化后的圖紙見圖3。

圖3 吹泡壓縮空氣原理圖（優化后）

4.1.1 優化的目的 空壓機實現自動起停，控制總管的空氣流量，保證每路總管背壓約0.2 MPa。

4.1.2 優化點

1）空壓機1 臺，排量由200 m3增大為300 m3，起動壓力值從0.5 MPa 變更為0.3 MPa。

2）空氣瓶由1 個1 m3優化為2 個2 m3。

3）增加了ALV09/ALV13 流量調節閥。

4.1.3 優化原因

1）所選空壓機排量太小，通過增大空壓機，達到約40%的余量；

2）所選空氣瓶容量太小，通過增大空壓機排量，使空壓機起停間隔時間不小于12 min/次。

3）通過增加流量調節閥，通過控制吹泡總管的流速，進而控制總吹泡空氣耗量盡可能接近額定計算值。增加流量調節閥，控制總管背壓，使總管的空氣流速接近于20 m/s，將總管流速控制在吹泡的額定流速范圍內。流量調節閥一旦調節好后需鎖定，如圖4所示。

圖4 流量調節閥的鎖定

4.2.1 系統優化的目的

優化的目的即控制每個艙的背壓，增加吹泡管數量（每個艙由1根增加為2根），調整吹泡管的位置盡量靠近人孔位置，增加吹泡系統的冗余度，與透氣管一一對應，可提高系統安全性，同時方便系統報驗；取消艙底吹泡盤管，降低系統成本。

4.2.2 優化點

1）增加到各艙支路增加節流孔板，開孔大小根據試驗確定；

2）各艙支路的支管由1路改成2路（每個壓載艙有兩根透氣管），同時調整吹泡位置盡量靠近人孔位置；

3）艙底的盤管取消，管子最低點距艙底高度從200 mm，提高到500 mm。

4.2 吹泡管艙室布置原理圖（優化后）

吹泡管艙室布置原理如圖5 所示。

圖5 吹泡管艙室布置原理圖（優化后）

4.2.3 優化原因

1）吹泡時，邊壓載艙的水位最高約11 m，背壓遠小于0.2 MPa。如若沒有節流孔板調節流量，流速遠大于20 m/s的計算流速會導致空氣瓶初期速度過快，使得空壓機無法實現起停；同時，如果沒有節流孔板，離總管遠的位置空氣壓力將遠低于離總管近的位置，從而導致離總管遠的艙室吹泡失敗。

2）根據船級社規范要求，每個艙室需布置的吹泡管數量不少于1根。優化后每個艙室布置2根吹泡管，布置在透氣管附近并一一對應，保證艙室不會超壓，提高了系統的冗余性。此外，考慮到船碼頭處于試驗階段，該系統報驗方便，將吹泡管布置在盡量靠近人孔的位置，便于觀察。由于吹泡管經過2道以上橫縱蕩艙壁時的吹泡效果很難觀察，因此管子距離人孔不能超過2道橫縱蕩艙壁。

3）由于盤管內的氣壓隨著壓縮空氣釋放泄壓，加上管路的沿程阻力及壓載艙水面背壓的影響，實際試驗時只有靠近總管的孔有空氣吹出，所以可取消盤管。抬高管子距離艙底的位置（200 mm提高為500 mm）不會影響吹泡效果，且可以防止壓載艙底部的污泥堵塞管路。

5 理論計算

5.1 空壓機排量

根據相關經驗可知，防冰的單位空氣耗量為Vt＝5 L/(m2·min)。

防冰所需總耗氣量見（1）

式中：A1, A2, A3, …, An為各壓載艙水面面積，m2；a 為耗氣量裕度，a＝20%，考慮壓縮空氣的泄漏，以及壓載艙從艏部到艉部的不均勻分配等。

根據式（1），可以計算各壓載艙空氣耗量及整船空氣總耗量，詳見表4 為壓載艙吹泡空氣量計算書。

其中，空壓機的最小排量為190.7 m3/h（C1＝0.424 m3/h@0.75 MPa）。由此可知，與選定的初始排量要求200 m3/h相比，幾乎沒有余量，因而空壓機不可能實現正常起停。

根據經驗，優化參數初步選取空壓機和空氣瓶的參數，見表5設備參數（優化）。

表4 壓載艙吹泡空氣量計算書

表5 設備參數（優化后）

5.2 空壓機啟停時間的驗證

1）空壓機和空氣瓶的壓力設置

優化后的空壓機和空氣瓶壓力設置參數如表6所示。

表6 空壓機和空氣瓶的壓力設置（優化后）

2）空壓機停止到起動期間，空氣瓶的空氣釋放量見式（2）

式中：V＝2.67 m3@0.75 MPa

3）空壓機起動到停止時間

4）空壓機停止到起動時間

5）空壓機起停周期

由此可見，目前的設備配置滿足設計要求。

5.3 壓縮空氣管徑的選取

壓縮空氣鋼管內流速：20 m/s[6]（由輪機設計手冊表7.2.1.1 可知）

壓縮空氣管的內徑見式（6）

式中：di為管子內徑，m；qv為體積流量，m3/h；V 為管內流體流速，m/h。

根據式（6）計算后確定：

1）空氣瓶到各邊壓載艙總管，其管徑型號為DN50。

2）到各邊壓載艙支管，管徑型號為DN25；分為2路，每路管徑型號為DN15。

6 系統的調試

以上系統問題均是在系統初次報驗時發現的。由于設備訂貨周期長且目前船上布置已經較為艱難，因此設計優化僅供理論討論。現有項目系統試驗的優化只增加各艙室支管增加節流孔板，不完美之處在于所有艙同時吹泡時，空壓機需要連續工作，無法實現起停。

6.1 試驗條件

6.1.1 試驗位置

1）試航開始或結束后在錨地進行。此處試驗位置最佳，但觀察吹泡效果通常需要將壓載艙頂部艙室的人孔蓋打開，危險性很大。

2）在碼頭進行。此處試驗位置較佳，但由于碼頭水質較差，為了確保吹泡效果的觀察，需要通過壓載泵調節壓載艙的壓載水。

為了保證人員的安全性，縮短試航周期，船廠最后選定試航后在碼頭進行吹泡系統試驗。

6.1.2 試驗水位高度

1）由于吹泡管布置在艙底位置，為了確保實際吹泡效果，試驗水位高度不低于從上部人孔便于直接觀察到的水位。

2）盡量接近船舶冰區運行時裝載條件最惡劣的壓載工況。

3）考慮船舶的穩定要求，尾傾適中，防止螺旋槳觸底。

根據以上3點原則，最終確定了試驗水位高度，詳見表7。

6.2 試驗程序

具體試驗程序流程圖如圖6 所示。

圖6 吹泡試驗流程

7 試驗結果

1）各艙室通過各邊壓載艙的上部人孔，可以明顯觀察到吹泡效果良好，但空壓機無法實現起停功能。

2）節流孔板的孔徑大小見表8。

表7 試驗水位高

表8 節流孔板大小

8 結論

本文對2 500 TEU集裝箱船空氣吹泡系統中吹泡效果不好，空壓機無法實現自動起停的原因進行了分析，給出了設計和試驗的優化方案。

1）設計的優化方案。

（1）空壓機排量從1×200 m3/h 優化為1×300 m3/h；

（2）空氣瓶由1×1 m3優化為2×2 m3。

（3）總管增加流量調節閥，各支管增加節流孔板。

2）試驗的優化方案

基于現有的系統，在設備不做任何改動條件下，對管路進行了小改，每路管路增加節流孔板，并通過試驗確定節流孔板的開孔大小，各壓載艙吹泡系統良好；但不足的地方是空壓機無法實現自動起停。

吹泡空氣系統，由于計算都是經驗性的，最終的效果只能通過實際觀察吹泡效果確定，因此在前期詳細設計時，空壓機的排量和空氣瓶的容積一定要考慮足夠的余量，同時前期生產設計進艙管路的布置一定要考慮試驗觀察的需要，才能真正實現系統的相對完美。