PCTC船貨艙通風系統三種設計方案對比

徐謙,歐書博,孫彥剛,趙自兵,呂明廣

(1.招商局郵輪研究院(上海)有限公司,上海 2001371;2.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200)

汽車運輸船(pure car truck carrier,PCTC)安裝有艉門、坡道等通道設備,是大規模海上汽車運輸的專用運輸船[1]。在封閉的PCTC船貨艙內,汽車在上下船時會產生尾氣,使得貨艙內空氣中含有一氧化碳等有害氣體,即使在汽車靜置時,汽車燃料系統也可能揮發出可燃氣體。為了保證貨艙內工作人員的健康,貨艙通風系統通過注入外部新鮮空氣來維持貨艙內的空氣品質[2]。PCTC船貨艙的甲板層數多,容積大,其通風換氣次數多,因而貨艙通風系統很龐大。某9 000車PCTC船有10多層貨艙,貨艙通風系統布置有68臺風機,總風量達到400萬m3/h。貨艙通風系統是PCTC船設計建造的關鍵技術和主要難點之一,一方面通風系統的設計需要盡量少地占用貨艙空間,保證車輛的裝載空間,另一方面風機運行會產生很大的電力消耗和噪聲,直接影響船舶的運營和交付。目前對PCTC船貨艙通風系統的研究主要有：①CFD模擬計算在設計中的運用,比如運用CFD計算對通風設計進行優化,達到提高通風效率的目的[3];對PCTC船貨艙風道的阻力進行CFD計算,并通過設計優化減少風道總阻力[4]。②對設計要點進行歸納和分析,對這些年來建造的 PCTC 船貨艙通風系統的設計要點進行總結和分析[5];結合船舶建造的規范要求及設計經驗,從風道設計、風量計算/噪聲/壓降的計算及控制方面上進行闡述[6]。對于PCTC船貨艙通風這樣龐大的復雜系統,選擇系統設計方案是第一步,也是最重要的一步。為此,對PCTC船貨艙通風系統的3種設計方案,通過貨艙內通風流場的CFD模擬,風機電力消耗的數值計算和風道占用空間的分析,對比各方案的優缺點,探索最優的PCTC船貨艙通風設計方案。

1 系統設計方案

PCTC船貨艙通風系統的風機房通常布置在最上層甲板的艏艉部,通過布置在兩舷的結構風道實現各貨艙的機械通風。通風模式分為裝卸貨和海上航行,裝卸貨時,艏艉風機都進行機械送風,達到20次/h的換氣次數,并通過坡道和艉門進行自然排風;海上航行時需要達到10次/h換氣次數,由于在海上航行時坡道和艉門是關閉的,需要考慮不同的排風方式,考慮3種不同的設計方案,分別是完全自然排風、部分自然排風和完全機械排風,見表1。

表1 不同貨艙通風系統的設計方案

表2 不同貨艙風機的相關參數和性能

1.1 完全自然排風設計方案

完全自然排風設計方案在海上航行的通風示意圖見圖1,為一層貨艙的俯視圖,貨艙的艏艉部的兩舷分別布置有雙速送風機,風機低速運行送風,舯部布置有自然通風口進行排風。

圖1 完全自然排風的布置及氣流示意

裝卸貨時,風機均高速運行進行送風,從舯部自然通風口和坡道的甲板開孔進行排風。

1.2 部分自然排風設計方案

貨艙艉部布置可逆風機,裝卸貨時送風,海上航行時逆轉抽風,抽風量是送風量的50%,另外的50%風量由舯部通風口進行自然排風,見圖2。

圖2 部分自然排風布置及氣流示意

1.3 完全機械排風設計方案

在貨艙的艏部和艉部分別布置風機,海上航行時艏部送風,全部風量由艉部風機排出,沒有自然通風口,見圖3。

艉部的逆轉風機,在送風時和排風時的風量需要是一致的,可以采用50%可逆風機,通過部分正轉和部分逆轉來實現裝卸貨時的送風量和海上航行時的抽風量是一致的,也可以采用抽風量和正轉送風量是一樣的100%可逆風機。

2 貨艙內通風流場

運用CFD軟件Airpak對不同的PCTC船貨艙3種通風設計方案進行通風流場的模擬計算,對比分析不同方案在裝卸貨和海上航行時貨艙內的風速云圖和平均空氣齡(mean age of air)云圖。CFD 計算可將看不到的風進行“可視化”,通過不同的云圖來清楚地表現通風流場,是通風設計的有效方法[7]。空氣齡是外部空氣到達室內某確定點的平均時間,反映了氣流分布的好壞和空氣的新鮮程度,是評價通風流場效果的重要指標。空氣齡越小,空氣越新鮮,空氣品質越好[8]。

PCTC船的貨艙層數眾多,但各層的形狀基本一致,選用某PCTC船的一層貨艙進行分析,容積15 000 m3,裝卸貨時是30萬m3/h的通風量,海上航行時是15萬m3/h的通風量。每臺風機的風量是5萬m3/h,共配置6臺風機。運用airpak進行建模和計算,按照貨艙的尺寸(長185 m、寬37 m、高2.2 m)建立ROOM,建立OPEN來表示機械通風和自然通風的風口,選用indoor方程進行CFD計算。

2.1 裝卸貨時的CFD計算

裝卸貨時,按照表1,設計方案1～3的風速云圖見圖4,平均空氣齡云圖見圖5。

圖4 裝卸貨時風速云圖

圖5 裝卸貨時平均空氣齡云圖

3種設計方案在裝卸貨時的速度云圖和平均空氣齡云圖出現多方面相似,貨艙艏艉區域的風速高且平均空氣齡小,貨艙舯部區域的風速較低且平均空氣齡較大。但3種設計方案也存在很多不同。對比風速云圖,方案3的舯部區域的風速相對較高且均勻,而在方案1和2中,舯部明顯出現了較大區域的低風速區域;對比平均空氣齡云圖,方案1和2的貨艙舯部出現較大的高平均空氣齡的區域,方案3的舯部平均空氣齡最為均勻且小。分析發現,當舯部存在自然風口時,由于貨艙艏部送風從從坡道甲板開口排出,艉部送風從自然風口排出,從而導致舯部從坡道甲板開口到自然排風口的區域的通風流場較差。但是這些自然通風口的存在可以減少艉門處的風速,且有助于低密度的污染空氣排放,所以在裝卸的時候不考慮關閉這些自然風口。

對比3個方案,在裝卸貨時,完全機械排風的貨艙內通風流場最佳,而部分自然排風和完全自然排風的貨艙內通風流場一般。

2.2 海上航行時的CFD計算

海上航行時,設計方案1～3的風速云圖見圖6,平均空氣齡云圖見圖7。

圖6 海上航行時風速云圖

圖7 海上航行時平均空氣齡云圖

方案1,風從艏艉進入貨艙,舯部排出,貨艙內舯部區域的風速較低,且平均空氣齡比較均勻;由于貨艙舯部區域離艏艉部送風口的距離較近,雖然風速較低,但是并沒有引起平均空氣齡的明顯增加。

方案2,艏部區域的風速高且平均空氣齡小,但是艉部較大面積區域的風速很低,且平均空氣齡很大。分析發現,方案2中從艏部風機送入貨艙的新鮮空氣,一部分從舯部的自然風口排出,剩余部分空氣繼續向艉部運動,由于風量的減少,此時風速會明顯降低,平均空氣齡增加。

方案3,新鮮空氣從艏部進入貨艙,然后全部從艉部排出,風速普遍達到0.5 m/s,平均空氣齡從船艏到船艉逐步增加,絕大部分區域不超過600 s,艉部有部分區域的通風流場較差,但是面積很小。

對比分析表明,在海上航行時,完全自然排風和完全機械排風的通風效果比較好,而部分自然排風的通風效果一般。

3 風機電力消耗

PCTC船貨艙通風系統的電力消耗很大,為了降低船舶的運營成本和建造成本,設計時需要充分考慮貨艙通風系統風機運行的能耗問題。

仍以上述PCTC船貨艙為例,選用的貨艙風機有3款,不防爆的送風機、防爆的50%可逆風機和100%可逆風機相關參數和性能見表3。僅有送風功能的風機不防爆,需要逆轉抽風的風機需要防爆,50%可逆風機是普通風機,逆轉時的效率很低,由于需要防爆而導致正轉時效率有所降低。100%可逆風機的正轉和逆轉有相同的特性,風機效率要低于正轉時的普通風機。

表3 不同貨艙通風方案的電力消耗

風機的軸功率按照公式1計算,風機壓力和風量的變化關系見式(2)[9]。

N=Q/3 600·p·ρ/η

(1)

式中：N為風機軸功率;Q為風量;p為風機壓力;ρ為空氣的密度;η為風機效率。

p1/p2=(Q1/Q2)2

(2)

Q1是原風機風量;Q2是調節后的風機風量;p1是原風機壓力;p2是調節后的風機壓力。

按照不同貨艙通風方案,共配置有6臺風機,其電力消耗見表3。裝卸貨時,所有的風機都在滿負荷進行送風,各方案電力消耗的差別取決于風機效率,完全自然排風設計原則下的方案1采用的風機是不防爆的普通風機,其風機效率最高,電力消耗最小,為80 kW; 完全機械排風設計原則下的方案2采用了防爆的100%可逆風機,其風機效率最低,所以電力消耗最大,為90 kW。不同于在裝卸貨時各個設計方案的電力消耗相差不大,在海上航行時,3個方案的風機功率差別很大,方案1明顯小于其他方案,僅13 kW,是方案2的22%,是方案3的14%。

方案1海上航行時,貨艙內的所有空氣通過舯部風口進行自然排風,不需要消耗任何的風機電能,且所有的風機都是50%風量下的低速運行,按照公式2,風機的壓力降低為原來的25%,結合公式1,風機的功率大幅降低。

方案2海上航行時,艏部送風機的運行工況和裝卸貨時一樣,進行滿負荷送風,而艉部風機逆轉低速抽風,風機的風量和壓力都減少,雖然風機此時的運行效率很低,但是其電力消耗也明顯小于裝卸貨時的電力消耗。

方案3,100%可逆風機在海上航行時的運行工況和裝卸貨時完全一致,所有風機滿負荷運行,其電力消耗最大。

4 風道占用空間

在PCTC船貨艙通風系統設計中,貨艙通風的風道一般是利用兩舷的強結構來構造結構風管,有利于保證足夠的貨艙內裝載空間,也有利于控制船舶的重量和重心。

利用自然排風的設計方案,由于PCTC船總體穩性的要求,舷側的自然通風口需要布置在破損傾斜水線以上,位置較高,對于位置較低的貨艙,需要構建自然排風風道來連接貨艙和外部通風口。自然排風風道內的通風阻力,需要用貨艙內壓力來克服,而貨艙內的壓力不能太大,一般控制在100 Pa以內。由于貨艙風道內的風速一般小于10 m/s,沿程阻力較小,風道壓力損失主要來自局部阻力,即風道內甲板開孔、結構構件等產生的壓降,與風速密切相關,見公式3。自然排風風道內的風速不能夠取大,且當結構風道越長,則風道內的設計風速越低,這就意味著需要在貨艙舯部布置大量的大尺寸結構風量來實現自然排風。

p=0.5ρξv2

(3)

式中：ξ為局部阻力系數;v為風速;p為風道壓降。

PCTC船一般有10多層甲板,對于底部的貨艙,風道的長度很長,難以全面采用自然排風。

對于不同高度位置的貨艙,需要考慮采用不同的設計方案。對于破損水線以上的貨艙可以采用完全自然排風,而對于破損水線以下的貨艙,需要考慮船上可以被風道利用的空間,以及相應的重量問題等綜合因素。貨艙機械通風風道一般以8 m/s的風速為設計基準,而自然排風風道可以取是4 m/s,自然排風風道的壓降小于100 Pa的選擇部分自然排風,大于100 Pa的選擇完全機械排風。

5 結論

1)完全自然排風具有最少的電力消耗,且通風流場較好,但是在風道占用空間面對較大限制;完全機械排風的風道占用空間最小,且通風流場最優,但在海上航行時電力消耗最大。對于不同的設計方案,呈現風道占用空間越大則風機電力消耗越小的規律。

2)裝卸貨時,坡道甲板開口和自然通風口的位置會對貨艙內通風流場產生較大影響。

3)海上航行時,自然排風運用的越多則風機電力消耗越小。

4)建議采用高層貨艙采用完全自然排風,中部貨艙采用部分自然排風和低層貨艙采用完全機械排風的組合方案。