客滾船通風(fēng)系統(tǒng)控制功能設(shè)計

俞 劍，徐 謙，朱靜波，張慧亮，崔寶明，顧敏敏

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

滾裝船內(nèi)裝載有很多車輛，車輛在裝卸貨過程中會排放燃油尾氣，這些尾氣會在滾裝處所內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而危害人員健康[1]。因此，相較于其他區(qū)域，滾裝處所對通風(fēng)系統(tǒng)的要求較高，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計是客滾船設(shè)計的難點和重點之一。在進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時，設(shè)計人員較為關(guān)注氣流場分析[2-3]、噪聲控制[4]、風(fēng)道壓力損失計算[5]等難題，而容易忽視系統(tǒng)控制功能的設(shè)計，進(jìn)而導(dǎo)致很多系統(tǒng)調(diào)試和使用方面的問題。近年來，電氣自動化技術(shù)發(fā)展迅速，變頻器、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)已在通風(fēng)系統(tǒng)中取得廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計人員不僅要掌握通風(fēng)系統(tǒng)的控制功能，還要懂得設(shè)計方法，這樣才能更好地完成整改系統(tǒng)的設(shè)計工作。

本文以某客滾船為例，基于節(jié)能和安全這2 個關(guān)鍵點，從通風(fēng)馬達(dá)控制中心、防火風(fēng)閘控制箱、控制網(wǎng)絡(luò)和控制邏輯等4 個方面對滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制功能設(shè)計進(jìn)行分析。

1 滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)

滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)示意圖見圖1。風(fēng)機(jī)分別布置在艉部、舯部和艏部。根據(jù)艏門和艉門開閉狀態(tài)的不同，可將船舶運(yùn)行狀態(tài)分為海上航行、艏部裝卸貨、艉部裝卸貨等3 種工況，不同工況下風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況見表1。滾裝處所在裝卸貨和海上航行時的每小時換氣次數(shù)分別為20 次和10 次。艉部風(fēng)機(jī)為可逆風(fēng)機(jī)，在艏部裝卸貨時進(jìn)行抽風(fēng)，在海上航行時進(jìn)行送風(fēng)。舯部風(fēng)機(jī)僅在裝卸貨時使用，可有效減少艏部和艉部的風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

圖1 滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

表1 不同工況下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行

在滾裝處所布置空氣質(zhì)量傳感器，每組傳感器能夠監(jiān)測一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）的質(zhì)量濃度，以及可燃?xì)怏w的爆炸下限（Lower Explosive Limited，LEL），風(fēng)機(jī)根據(jù)危險氣體的質(zhì)量濃度進(jìn)行變頻控制。根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的相關(guān)要求，CO 的質(zhì)量濃度不得超過40 mg/m3，NOx的質(zhì)量濃度不得超過 40 mg/m3，可燃?xì)怏w的LEL 不得超過10%。假設(shè)風(fēng)機(jī)的幾何比例因子為1，在風(fēng)機(jī)功率效率和空氣密度不變的情況下，風(fēng)量、壓頭、功率與頻率之間的關(guān)系分別見式（1）～式（3）[6]。

式中：f1為原風(fēng)機(jī)變頻器頻率；f2為調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)變頻器頻率；Q1為原風(fēng)機(jī)風(fēng)量；Q2為調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)風(fēng)量；H1為原風(fēng)機(jī)壓頭；H2為調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)壓頭；P1為原風(fēng)機(jī)功率；P2為調(diào)節(jié)后的風(fēng)機(jī)功率。

當(dāng)滾裝處所的風(fēng)機(jī)頻率降低10%時，風(fēng)機(jī)的功率會降低至原來的72.9%，變頻控制的節(jié)能效果非常顯著。

2 通風(fēng)馬達(dá)控制中心（VMCC）

根據(jù)風(fēng)機(jī)位置，分別在艏部、舯部和艉部布置馬達(dá)控制中心（Ventilation Motor Control Center，VMCC）（見圖2）對風(fēng)機(jī)進(jìn)行供電和控制。VMCC將主配電板中690 V 主電源的電分配給各個風(fēng)機(jī)開關(guān)，再通過變頻器和濾波器輸送給風(fēng)機(jī)馬達(dá)。應(yīng)急切斷信號（Emergency Shut Down，ESD）和來自火警系統(tǒng)的報警信號可通過控制接觸器來切斷風(fēng)機(jī)主電源。失電報警信號可通過硬線將信息反饋至綜合自動化系統(tǒng)（Integrated Automation System，IAS）。VMCC 是滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制中心，其控制回路由230 V 的不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）進(jìn)行供電。VMCC 內(nèi)安裝PLC，可獲取空氣質(zhì)量傳感器的模擬信號，并通過輸出信號來控制風(fēng)機(jī)的變頻器。PLC 通過接口連接觸摸屏，船員可通過觸摸屏控制整個通風(fēng)系統(tǒng)。

圖2 通風(fēng)馬達(dá)控制中心（VMCC）示意圖

由于690 V 的電壓較高，故布置濾波器對風(fēng)機(jī)馬達(dá)進(jìn)行保護(hù)[7]，濾波器應(yīng)盡量靠近變頻器布置。濾波器具有如下作用：1）能對由于變頻器引起的尖峰電壓起到良好的抑制作用[8]；2）減少電動機(jī)絕緣損壞；3）減小電機(jī)噪聲和高頻電磁噪聲；4）降低軸承電流和軸電壓；5）增加變頻器和馬達(dá)之間變頻電纜的敷設(shè)距離[9]。

3 防火風(fēng)閘

風(fēng)機(jī)和風(fēng)閘之間實行邏輯連鎖，防止因人為誤操作引起的事故[10]。當(dāng)風(fēng)閘關(guān)閉時，未運(yùn)行的風(fēng)機(jī)無法啟動，已運(yùn)行的風(fēng)機(jī)會立刻關(guān)閉。

在消防控制站內(nèi)布置防火風(fēng)閘控制箱（見圖3），控制面板上包含“就地/遠(yuǎn)程”按鈕。若選擇“就地”，則可在此控制箱的面板上單個或成組控制風(fēng)閘開關(guān)；若選擇“遠(yuǎn)程”，則可在貨艙通風(fēng)VMCC 上單個或成組控制風(fēng)閘開關(guān)。通過應(yīng)急配電板和UPS 對防火風(fēng)閘控制箱進(jìn)行冗余供電，可將風(fēng)閘狀態(tài)信號通過硬線反饋至貨艙通風(fēng)VMCC 和火警系統(tǒng)，并接受相應(yīng)控制信號。

圖3 防火風(fēng)閘控制箱示意圖

4 控制網(wǎng)絡(luò)

圖4 為滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)風(fēng)機(jī)的具體位置，共布置3 臺VMCC。其中，舯部風(fēng)機(jī)VMCC 為主站，內(nèi)部安裝有網(wǎng)關(guān)，通過此網(wǎng)關(guān)將滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的信號傳遞至貨控室的供熱、通風(fēng)與空調(diào)（Heating, Entilation and Air Conditioning，HVAC）控制系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。艉部風(fēng)機(jī)VMCC 與主站的距離較近，其PLC 信號通過網(wǎng)線直接接入舯部風(fēng)機(jī)VMCC 的網(wǎng)關(guān)，而艏部風(fēng)機(jī)VMCC 與主站的距離較遠(yuǎn)，PLC 信號需要先通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)接，再用光纖進(jìn)行傳送。貨控室內(nèi)的HVAC 控制系統(tǒng)從網(wǎng)關(guān)獲取信號，并對整個滾裝處所的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)示意圖

5 控制邏輯

滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯見圖5。VMCC上包含“就地/遠(yuǎn)程”按鈕。若選擇“就地”，則通過VMCC 上的觸摸屏對系統(tǒng)進(jìn)行控制；若選擇“遠(yuǎn)程”，則可在HVAC 電腦上對系統(tǒng)進(jìn)行控制。VMCC觸摸屏和HVAC 的電腦上均有“自動/手動”按鈕。若選擇“手動”，則手動對單個風(fēng)機(jī)或風(fēng)閘進(jìn)行控制；若選擇“自動”，則風(fēng)機(jī)根據(jù)貨艙的空氣質(zhì)量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。風(fēng)機(jī)和風(fēng)閘的狀態(tài)信號，以及監(jiān)測貨艙內(nèi)空氣質(zhì)量的傳感器信號都會傳遞至VMCC 和HVAC 系統(tǒng)。

圖5 滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)控制邏輯

6 結(jié)論

通風(fēng)系統(tǒng)的控制功能對客滾船設(shè)計非常重要。本文從通風(fēng)馬達(dá)控制中心、防火風(fēng)閘控制箱、控制網(wǎng)絡(luò)和控制邏輯等4 個方面詳細(xì)分析了滾裝處所通風(fēng)系統(tǒng)的控制功能，本文的設(shè)計方案可有效減少能耗，保障安全性能。