超大型集裝箱船管弄通風設計

張曉紅,周祎隆,杜學軍

(1.中國船舶與海洋設計研究院，上海 200011；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

管弄位于船舶底部中間位置，為從船頭到船尾的一段狹長空間。當集裝箱船的動力系統采用雙燃料時，輪機專業的壓載總管、艙底總管、燃油駁運總管，以及雙燃料的燃氣供給總管布置在里面，同時電氣專業的部分傳感器、照明、插座等也安裝在里面。由于雙燃料處所為危險區域，根據危險區域劃分原則，與之相鄰的管弄應屬于擴大危險區域，管弄里的輪機閥門和電氣設備等需按照相應的防爆等級來配置，增加了船東和船廠的建造成本。

隨著世界經濟的發展，超大型集裝箱船的需求飛速增加；隨著國際社會對環保的要求越來越高，雙燃料動力系統船舶逐步成為主流[1-3，7-8]。超大型集裝箱船管弄尺寸大，輪機專業的雙燃料系統設備和電氣專業設備多，通過合理的管弄通風設計和電氣控制設計將管弄定義為安全區域具有非常重要的意義。

1 規范要求

1.1 UI-SC79

規范中提出，當裝載閃點低于23 ℃的危險品，如種類3、6.1等，封閉處所如管弄、艙底泵間等滿足6次/h的連續換氣次數時可不作為擴大危險區域，同時其他重要設備須與風機連鎖，當管弄風機停止運轉時，關閉設備，并提供聲光報警[1]。

1.2 IEC60092-506

IEC60092-506第7節描述，可通過如下方式將與危險處所相鄰的管弄定義為安全區域[2]。

1)當管弄與外界連接的裝置，如門、艙口蓋等關閉時，管弄與相鄰區域始終保持不小于25 Pa的正壓。

2)提供正壓監測系統。

3)在門或者其他開口設備處提供開啟報警。

4)當管弄失壓時，需要提供聲光報警并能夠迅速恢復系統正壓，當正壓系統在一定時間內不能恢復或者危險氣體聚積到一定濃度時應能夠切斷電力系統。

2 管弄通風系統優化設計

在23 000 TEU集裝箱船中，管弄位于從91～368肋位的船中位置，船寬方向有4個箱位的空間；在艏部的第一貨艙底處，寬度方向往船中收縮為一個箱位。管弄全長265.5 m，體積10 150 m3，按換氣次數6次計算，總風量為61 000 m3/h。

2.1 風機

風機是通風系統的核心設備，雖然管弄定義為安全區域，但由于緊鄰雙燃料系統艙室等危險區域，當風機剛剛啟動時，管弄屬于潛在的危險區，從安全的角度考慮，風機通常選取為防爆風機，防爆等級與相鄰的危險區域處所等級保持一致，具體參考DNV.GL中chapter21節[3]要求。

在之前的項目中，管弄風機通常直接安裝在管弄里。23 000 TEU船的管弄所需風量大，相應風機尺寸大、重量大，若安裝在管弄里，維修極其不便。為此，設計時進行優化：將風機移出管弄，安裝在貨艙主要的安裝維修平臺二甲板處。貨艙二甲板寬度為1 950 mm，船東要求進出貨艙主通道的寬度不小于700 mm，結構支撐尺寸250 mm,風量61 000 m3/h的風機外徑約1 200 mm，無法安裝，本船根據管弄長度方向的尺寸，配置多臺風機，詳細的風機風量計算見表1。

為滿足SC79規范持續通風的要求，每根送風管路的配置風機2臺，二者并聯在送風管路中，互為100%備用，當其中1臺風機失效時另1臺風機立即啟動，很大程度上對于船員日常維修、更換也更為方便。為防止風機出現組內循環，在每臺風機所在的管路配置1個電動風閘用以控制該條管路的開閉，見圖1。

圖1 23 000 TEU船管弄通風布置

2.2 管弄通風末端

由于管弄的結構鋼壁支撐通常凸出在管弄內表面，為降低施工難度，通風末端通常在風管對應的位置、避開管弄頂部的主要結構件開小孔，然后直接安裝不銹鋼絲網格柵，排風管采用類似做法，見圖2a)。由于管弄水平方向呈狹長狀，這種設計方式的送風氣流從格柵處豎直向下，到達管弄下底后再反彈向管弄頂流動，如此循環，氣流組織混亂，極大的影響管弄的通風效果。23 000 TEU船對此作出優化，依托結構件在風管末端設計1個掛頂的靜壓箱，再在靜壓箱的首尾2個方向設置送風格柵。這種方式的施工難度相較第一種方式略大一些，但送風氣流與管弄長度方向水平，主風管的氣流經過管弄頂部小孔截面到達靜壓箱的損失(漸擴)相較直接開小孔加格柵要小(突擴)，對整個通風系統是有利的。

圖2 送風末端安裝示意

通風系統與外界相連的末端可為百葉窗或者風帽。當通風末端在首尾位置、緊鄰著樓梯間等鋼壁時，可依托結構件設計成百葉窗型式；當末端位于貨艙中間位置時，通常采用風帽型式，與貨艙通風系統的風帽一起布置在綁扎橋下方，通過打開綁扎橋第一層平臺處的活動蓋板來操作風帽。23 000 TEU船的管弄通風末端位于貨艙區域，因而采用的是風帽。在設計風帽時，提前與舾裝專業配合，將風帽與綁扎橋平臺合二為一，頂部作為綁扎橋平臺的一部分，操作把手放置在欄桿附近，操作維修風帽更為方便，見圖3。

圖3 風帽與綁扎橋配合布置

2.3 管弄通風風管

現有集裝箱船風管設計方案主要有1送1排和1送2排2種。1送1排的風管布置方式主要用于裝箱數約5 000 TEU的集裝箱船，這類集裝箱船體型小、管弄尺寸小，通風系統的風管可設計成艏部進風/艉部排風或者艏部排風/艉部進風型式。1送2排的風管布置方式主要用于裝箱數在13 000 TEU左右的集裝箱船，這類船的管弄體積相較小箱船略大，寬度方向有3個箱位的寬度，長度方向約8個貨艙，當采用1送1排的方式時通風系統氣流管路長，故改用管弄中間送風、艏艉排風方式。

23 000 TEU船的管弄長度方向約11個貨艙，艏艉1送1排的風管布置方式不再適用；由于管弄送風風量大，選用1臺風機時風機尺寸大，結構開孔無法實現，因而1送2排的風管布置方式也不適合。該船在設計時采用一種新的風管布置方式：根據管弄長度將通風區域分為6個體積相對均勻的部分(由于第三、五貨艙為燃油艙，不能布置管弄風管，因而靠艏的部分體積略大于其余部分)，每相鄰的2部分設計成中間送風/艏艉排風方式，總共3路送風管/4路排風管交錯布置，如圖1所示。送風機安裝在貨艙二甲板處，2路風管并聯，在二甲板下方采用靜壓箱代替風管連接，一方面可以避免風管與貨艙梯干涉，另一方面能減小并聯管路中的彎管引起的管路阻力損失；風帽位于主甲板綁扎橋第一層平臺處，與貨艙通風風帽排列一致。這種風管布置方式雖然增加了風管數量，但降低了系統壓降，減小了風機的靜壓，對管弄的整體通風效果有利。由于管弄與貨艙之間是水密分割，為保證貨艙密性的完整性，管弄通風管采用10 mm厚的不銹鋼管，穿過貨艙的每層甲板處開大孔焊接。

2.4 系統CFD計算

雙燃料系統管路的閥等設備要求附近有充分的氣體流動，在完成詳細設計后，對管弄進行流場分析，采用計算軟件FLUENT，模型忽略結構件的影響，管路尺寸及初始邊界條件見表2，管弄CFD模型見圖4。

表2 管弄通風系統計算參數表

圖4 管弄CFD物理模型

該計算采用雙方程模型，計算收斂后分別截取Z=0.5 m/1.8 m/2.5 m方向的截面(沿管弄的高度方向)分析管弄內氣流的分布情況,速度云圖如見圖5。由于考核的是管弄內是否存在氣流死角，當速度范圍大時，圖形顯示不利于觀測，故僅考慮速度為0～2 m/s的云圖情況。

圖5 管弄Z=0.5 m/1.8 m/2.5 m平面速度云圖

由圖5可見，優化設計后的管弄氣體整體流動性好，在艏部FR348往前處出現了氣流死角，此處由于與貨艙有安全艙室隔離，當安全門開啟時可視為局部自然通風。由于送風管布置在左舷，氣流左舷相對右舷流動性好，因而在布置設備時可將重要設備往左舷布置。此外，在風口對應的右舷位置和艏部T型角落處氣流存在死角情況，布置設備時需要避開。

3 管弄電氣設計方案

為保證管弄正壓，電氣控制設計與通風設計密不可分。在通風系統中，風機按照一用一備配置，為實現持續通風，電氣控制系統需要作出相應的設計：當其中一臺風機發生故障時，立即關閉該風機，并關閉該風機所在管路的電動風閘，同時啟動備用風機管路的風閘，當備用管路風閘開啟后再自動啟動備用風機。與此同時，故障風機的報警也將傳輸至監測報警系統，通過延伸報警板將報警信號送至相關船員值守處所。

根據前述規范的要求，在配備有2組管弄風機之后，為確保電氣設備工作安全可靠，還需要將管弄風機與管弄區域內電氣設備運行聯鎖的設計，該船具體設計方案如下。

當使用管弄區域電液遙控閥、液位傳感器和照明等設備時，這些設備的電力分電箱將向管弄風機啟動器發出問詢信號，自動檢測其中1組管弄風機是否正常運行；當1組管弄風機已經正常運行后，閉鎖自檢信號，并在艏和艉管弄出風口各設置1個壓差傳感器用于實時檢測管弄區域的壓力值，當壓差傳感器檢測到管弄區域的正壓不能滿足規范要求的大于25 Pa時，壓差傳感器立即送出故障報警至監測報警系統，此系統在駕駛室、集控室和全船延伸報警板區域發出聲光報警，船員接收到報警信號后，根據設置在集控室和管弄入口處的管弄風機故障聯鎖操作流程警示銘牌，手動切除電液遙控閥、液位傳感器、照明等設備電源開關。

4 結論

通過合適的通風設計和電氣控制設計將管弄定義為安全區域能提高船舶處所的安全性、減少危險氣體擴散、降低建造成本，意義重大。超大型集裝箱船的管弄空間大，雙燃料設備對氣流組織要求嚴格，管弄通風系統的風機設計、末端風口布置、風帽安裝方式和風管布置均需要進行優化設計。管弄通風風機通常設計成一用一備的型式、送風口布置應保證管弄氣流順暢、末端風帽應保證操作維修方便、風管需根據管弄尺寸和結構情況靈活設計，同時電氣控制系統要滿足相應的規范要求。在實船交付使用時，管弄里面布置了大量設備，經驗證，通風效果能夠滿足各項需求。