客滾船空調系統電氣設計建造

劉海鎮

（廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361021）

1.客滾船空調系統特點概述

我司為維京航運建造的2800 客郵輪型客滾船是專門服務于芬蘭圖爾庫至瑞典斯德哥爾摩的定點航線，其主要特點是安全、舒適、設備先進、低耗環保、高速平穩；其中空調系統是其關鍵的設備之一，法規要求系統冗余提高安全性，乘客對舒適度要求高，船東要求運行成本盡量低，藝術設計要求空調附件與客艙、公共區域整體風格一致，因此，空調系統對于船廠客滾船設計建造是一個重要項目。

2.2800 客郵輪型客滾船空調系統構架

2.1 空調系統構架介紹

2.1.1 空調系統概述

依據航線氣候條件空調系統設計了3 個模式：夏季模式、中間季節模式和冬季模式。3 種季節模式主要是通過換熱器、大功率冷水機、阿拉斯加熱交換器等設備運行，調節輸送到全船各處空氣處理單元的冷媒水溫度進行控制。

2.1.2 主空調水系統

考慮到本項目空調覆蓋范圍大，且不同功能區域對于溫度的需求不同，合理劃分區域能夠節能降低運行成本，經過綜合考慮本項目劃分為32 個大區域，每個大區域再劃分為3 ～8 個子區域，進行2 級溫度控制以達到節能目的（即預熱系統和再熱系統）。每個大區域配置一臺空氣處理單元，每個子區域配置再加熱器，溫控閥對送風溫度進行調節。空調的不同模式通過預熱系統控制閥的開閉，控制冷媒水的制冷/加熱功能。處于制冷模式時，控制系統總共分為4 個階段，逐級增加制冷功率確保舒適度，同時達到節能目的。當海水溫度低時，只使用阿拉斯加冷卻器提供系統所需制冷量，如達不到所需制冷量則起動2 號冷水機組，此時，冷水機由于阿拉斯加冷卻器工作，壓縮機處于低負載輸出模式，如此時所需制冷量還達不到，則2 號冷水機組處于高負載模式同時判斷海水溫度是否適宜阿拉斯加冷卻器工作；最后一階段是2 臺水冷機組壓縮機處于高負載狀態提供預熱系統所需制冷量[1]。

2.1.3 主空調風系統

本項目為了滿足安全返港相關安全區域通風獨立，冗余要求，不同甲板、主豎區空氣處理單元，抽風，送風管路相互獨立，同時，考慮逃生相關要求，各主豎區主梯道通風由單獨空氣處理單元進行空調溫度濕度控制與其他住艙，公共區域獨立；另外，考慮為乘客提供一個舒適環境，同一層甲板的廚房與其他區域通風管路，空氣處理單元相互獨立。比如四主豎區6-13 甲板通風系統布置如圖1 所示。

2.1.4 自動化系統

考慮到本項目空調系統的復雜性（僅風機單元就有32 臺，水系統，風系統，特殊區域冷卻系統電控箱、變頻器超過200 臺/套），傳統上，在集控室，駕駛室僅布置帶監測功能的工作站，無法滿足日常維護、操作需求且需要人力資源巨大。因此，本項目采用了分布式網絡構架。每一電控箱內布置網絡交換機，采集本控制箱內PLC模塊所有監測、控制的現場儀表信息，變頻器以及附近其他通風系統發送過來串口通訊信息，再通過空調專用網絡傳輸給集控室/駕駛室的網絡交換機。同時，為了節省成本，本項目布置在全船各處的尋址式布風器數據，通過船東提供局域網采集后再傳輸給空調系統，如圖2 所示。工況下梯道送風強制開啟功能。

圖2 空調系統網絡構架示意圖

（3）控制系統冗余設計：如前所述基于分布式網絡的空調監控系統，任意一個地方故障不會影響工作站對其他正常運行設備的監控功能，即使所有工作站出現故障，也可以在就地對單個控制箱相關參數，設備進行監控。

2.2 空調系統電氣在安全、節能、成本控制方面采取措施

2.2.1 安全方面采取措施

為確保空調系統的安全性，空調電氣系統設計時采取了如下措施。

（1）電源設計：由于本項目艏艉機艙全部布置在三號主豎區，因此，艉部（一至三主豎區）任意一區域失火時，為確保艏部安全區域通風供電不受影響，所有服務于艏部安全區域的風機單元全部采用雙路主電源輸入，兩路電源分別來自船艏艉配電板，經過路徑完全分開，確保全船任一區域失火不會同時影響船艏艉安全區域的風機單元供電[2]。

（2）緊急切斷設計：考慮到失火時快速響應以及避免故障擴大，全船通風系統緊急切斷按照主豎區為原則進行切斷，在集控室，駕駛室控制位置配置切斷按鈕；同時，為確保失火時梯道內有毒煙氣順利排出，提供了緊急切斷

2.2.2 節能方面采取措施

（1）全船風機采用變頻控制。由于全船空調通風相關風機、泵浦安裝功率超過1500kW，為考慮降低日常運營成本，空調系統所有超過5kW 的風機泵浦均采用變頻控制，同時，為了減輕船員日常操作工作量，所有變頻控制的設備均采用閉環自動控制的模式，比如，風機單元送風機頻率會根據出風口壓力進行自動調節保持送風壓力恒定。

（2）制熱/制冷來源的優化。為減少主空調冷水制冷功率以及各加熱盤管的熱功率，空調設計時制冷/制熱回路能量來源也進行了優化。

主空調系統處于制熱模式時，優先采用主機工作產生廢熱經過熱交換器加熱熱水，再經過三通閥連接至空調預加熱/再加熱系統加熱器，三通閥可以依據空調系統加熱器次級冷媒水溫度自動調節經過加熱器的熱水流量。

特殊區域冷卻系統制冷優先采用LNG 產生的冷能，LNG 罐艙連接處所冷媒水（水乙二醇）直接連接到特殊區域冷卻系統冷卻器，經過的冷媒流量也是用三通溫控閥基于特殊區域冷卻系統冷媒的出口溫度進行調節。

2.2.3 成本控制方面采取措施

（1）將艙室小風機起動器集成到風機單元控制箱內：由于本項目上建區域有眾多機械處所，餐飲區域等通風需要與主空調系統獨立，配置了超過50 臺軸流/管道風機，如按照傳統方案每臺風機配置一個起動器，單獨從配電系統取電會導致船廠設備布置困難，電纜敷設工作量增加，因此經綜合考慮，所有小風機控制電路集成到相應區域風機單元控制箱內，電源直接從風機單元總電源取，只是配置獨立的過載/短路保護裝置。該方案大大減少船廠電氣控制箱數量，電纜敷設工作也大為減少[3]。

（2）一個變頻器驅動2 個風機：由于部分艙室/公共區域面積大，如采用1×100%容量的送風機/抽風機，會導致風機尺寸過大，風機單元布置困難。因此，采用2×50%風機的布置方案，在控制邏輯上兩臺風機同步控制共用一個變頻器，節省了電纜敷設工作量，極大地方便了風機單元的布置。

3.船廠空調設計建造經驗分享

3.1 設計方面經驗分享

3.1.1 空調EMC 控制問題

由于本項目部分風機單元采用一臺變頻器控制2 臺風機，設計之初對于EMC 控制沒有很好地注意，將每個馬達熱繼電器、斷路器布置在風機單元內部，導致變頻器輸出至馬達的變頻電纜在控制箱沒有屏蔽保護，會影響控制箱內PLC 采集傳感器信號穩定，同時也會對電網諧波控制不利，經過與廠家、船東多次討論，最終決定將所有變頻器輸出端至馬達的所有電氣元器件布置在一個單獨控制箱內。

3.1.2 防火風閘監控

本項目出于節省船員操作工作量以及成本控制考慮，主空調通風系統防火風閘采用工作站遠程監測狀態，可以在相應區域風機開啟時自動打開所有該區域防火風閘，在緊急情況下可以在防火風閘服務區域，風機單元控制箱所在處所以及集控室駕駛室緊急切斷。同時，為了方便船東防火安全管理，防火風閘狀態也能在火警工作站監測[4]。

3.2 建造方面經驗分享

3.2.1 自動控制程序修改影響建造周期

由于該空調系統龐大且自動化程度高，因此，空調供應商將空調數據采集及監控系統外包，實際安裝調試中遇到較多的修改無法及時修訂調試，加上前期設計不成熟，直接導致系統調試滯后嚴重。

3.2.2 局域網系統相關接口影響調試

本項目空調部分數據（比如艙室單元布風器監控，與廚房能量管理系統接口，與訂房系統接口等）需要依賴于船東提供的局域網，而局域網的完整性及調試同樣受到各方面的影響，進而更大程度影響到空調系統調試。

4.總結

綜合空調系統整個設計、建造流程，為避免因為空調系統問題影響整個客滾船項目成本，建造周期船廠應注意以下幾個方面。

（1）技術協議要求明確：由于客滾船空調項目復雜，技術協議談判時很多設備項目信息不明確，供貨數量，要求不準確，這個就會導致后期船廠，打包商在項目執行過程中因為額外費用承擔方產生巨大分歧，應盡可能在早期將所有要求明確，尤其是控制系統，需要明確系統能夠實現功能，軟件平臺，參考界面，包含輸入輸出點與其他系統接口形式等。

（2）防火風閘系統優化：后期空調電氣部分系統修改絕大多數是防火風閘的增減，同時，防火風閘監控模塊可以采購帶船級社證書的模塊單獨布置在一個電控箱內與主空調電控箱獨立，這樣能避免由于個別防火風閘修改導致整個空調系統電氣圖紙更新，同時也能將防火風閘信息通過串口通訊形式發給其他系統減少船廠電纜敷設工作量。

（3）建造周期需要給空調控制系統預留足夠周期：由于客滾船項目空調系統包含輸入輸出點有大幾千個，比一般商船中控系統還要復雜且控制系統必須在風量平衡，各獨立的系統控制功能完成后才能開始，因此，必須充分考慮到這些因素合理安排相關艙室部分，空調水系統、空調風系統的工作，避免因為控制系統工作未完成影響交付。