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(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

DNVGL船級(jí)社要求最低室外作業(yè)溫度-10 ℃，最大風(fēng)速20 m/s的環(huán)境工況下，保證全船露天甲板的機(jī)械和電氣通訊設(shè)備不結(jié)冰并保持正常工作狀態(tài)。特別是氣溫在零下并發(fā)雨雪天氣時(shí)，各室外設(shè)備和管路容易結(jié)冰和被雪封住，對(duì)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),管路的通暢和人員的安全防護(hù)等造成了極大的影響[1]。室外的壓載艙透氣頭一旦結(jié)冰，泵將無(wú)法加注和抽取艙內(nèi)海水，將使壓載艙失去調(diào)載功能，對(duì)船舶的穩(wěn)性帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患；通風(fēng)百葉窗一旦被雨雪封住將導(dǎo)致室內(nèi)外失去通風(fēng)換熱功能，主機(jī)艙可能因氧氣不足而導(dǎo)致主機(jī)停機(jī)，人因氧氣不足就會(huì)造成生命受威脅；逃生通道、扶手、樓梯踏步、緊急逃生艙口蓋凍住了，將導(dǎo)致逃生設(shè)施無(wú)法提供逃生功能，對(duì)人的生命安全造成嚴(yán)重威脅；消防管道被凍住則會(huì)導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)時(shí)無(wú)法噴水滅火；如果直升機(jī)平臺(tái)結(jié)冰造成飛機(jī)無(wú)法著陸或打滑，會(huì)給飛機(jī)和人員營(yíng)救造成極大威脅[2]；起重設(shè)備、航行系統(tǒng)、錨機(jī)、雷達(dá)、駕駛室窗戶等都將因結(jié)冰凍住而導(dǎo)致其功能失效，這些設(shè)備的功能失效將導(dǎo)致整船陷入癱瘓狀態(tài)，特別是在遠(yuǎn)離大陸離岸作業(yè)時(shí)陷入癱船狀態(tài)，將給船舶和船上人員造成極大威脅[3]。為防范上述安全隱患和影響，所有露天設(shè)備和管路等都需要安裝自動(dòng)伴熱保溫防凍措施。為此，提出一種伴熱保溫防凍系統(tǒng)原理及模擬框架，并通過(guò)解析其具體工藝，計(jì)算方法和參數(shù)配置來(lái)分析其可執(zhí)行性[4]。

1 系統(tǒng)原理及模擬框架

自動(dòng)伴熱保溫防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過(guò)在各設(shè)備伴熱終端內(nèi)置或外置自動(dòng)溫控伴熱帶，并在室外設(shè)置溫度傳感器探測(cè)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，低溫時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，達(dá)到高于冰點(diǎn)溫度若干度后自動(dòng)切斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防結(jié)冰功能。因?yàn)樯婕叭短煸O(shè)備的伴熱保溫，相關(guān)的各類伴熱終端點(diǎn)接近千個(gè),一般船舶只做室外消防管道的伴熱保溫的簡(jiǎn)單原理和框架已不適用于在寒冷地區(qū)作業(yè)的某型潛水支持船的要求。經(jīng)多方分析和研究國(guó)外類似船舶的相關(guān)設(shè)計(jì)，提出了一種適用的系統(tǒng)原理模擬框架和各節(jié)點(diǎn)工藝。系統(tǒng)原理和模擬框架見(jiàn)圖1, 擬定該系統(tǒng)由相關(guān)設(shè)備伴熱回路、溫度傳感器、接線盒、除冰變壓器、伴熱控制配電箱等組成,最終接入中央控制室。

考慮到全船需伴熱終端眾多，系統(tǒng)較大，擬定分成4個(gè)或更多配電箱來(lái)分別控制，每個(gè)配電箱內(nèi)置控制板和各支路開關(guān)，各支路開關(guān)通過(guò)接線盒接至各個(gè)伴熱終端。通過(guò)溫度傳感器信號(hào)來(lái)控制伴熱回路的開關(guān)，除冰變壓器輔助工作。另外，船舶控制系統(tǒng)中央控制室也可根據(jù)實(shí)際溫度及特殊情況集中控制各伴熱供電開關(guān)閉合從而控制伴熱終端工作[5]。

2 伴熱線布置節(jié)點(diǎn)分析和長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)原理，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架和參數(shù)配置都要圍繞總功率來(lái)展開，要計(jì)算總功率，就要確定每個(gè)接線盒對(duì)應(yīng)的支路功率，而支路功率由伴熱帶的熱補(bǔ)償功率和伴熱帶長(zhǎng)度來(lái)決定，熱補(bǔ)償功率與伴熱帶型號(hào)有關(guān)，而伴熱帶長(zhǎng)度與伴熱線布置節(jié)點(diǎn)相關(guān)，根據(jù)具體節(jié)點(diǎn)分析伴熱帶布置。

1)逃生通道是全船人員日常使用和緊急撤離的通道，是實(shí)施逃生和救援的重要設(shè)施，對(duì)其進(jìn)行伴熱是非常必要的，常見(jiàn)的伴熱方式為做成鋼模塊內(nèi)置加熱，然后把各模塊用螺栓固定在甲板面上組合成一個(gè)完整的通道，這里使用一種新的方式即環(huán)氧地坪敷設(shè)，其相對(duì)于鋼模塊具有重量輕，熱效率高，鋪設(shè)簡(jiǎn)易，成型后壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，其平面布置和截面見(jiàn)圖2、3。

先在甲板敷設(shè)混凝土，然后在上面鋪上細(xì)鋼絲網(wǎng)，伴熱帶按S形鋪設(shè), 設(shè)計(jì)最小伴熱功率要求按800 w/m2計(jì)算，按最長(zhǎng)90 m伴熱帶為一個(gè)回路或供電點(diǎn)連到一個(gè)接線盒上為一個(gè)環(huán)氧模塊，伴熱帶鋪完后即可澆筑環(huán)氧并找平，各環(huán)氧模塊間留熱脹冷縮間隙，也可以作為流水通道使用。

2)斜梯一般布置在上下甲板的地方用來(lái)連接逃生通道，所以斜梯上的踏步和扶手都要內(nèi)置伴熱帶，設(shè)計(jì)最小伴熱功率要求按800 W/m2計(jì)算，扶手可以直接將伴熱帶置于扶手用的圓管內(nèi)，并在終端通過(guò)密封葛蘭引出圓管并設(shè)置終端接頭，注意做好防水。每階踏步需要內(nèi)置伴熱外包絕緣巖棉并用鐵皮封閉避免進(jìn)水，然后串聯(lián)起來(lái), 其布置見(jiàn)圖4, 斜梯和扶手都使用了內(nèi)置伴熱帶的工藝，相對(duì)于外置方式，內(nèi)置優(yōu)點(diǎn)是熱量損失少，節(jié)省伴熱帶，整體尺寸??；缺點(diǎn)是不如外置伴熱帶維護(hù)方便。

3)管路的伴熱是船舶上最常用的形式，主要是保護(hù)管內(nèi)的液體在-10 ℃時(shí)不結(jié)冰，也避免了因結(jié)冰體積增大造成的管路破壞。設(shè)計(jì)最小伴熱功率要求按29.1 W/m計(jì)算，管路伴熱就是要將伴熱帶均勻的排布在管子、三通、彎頭和閥門等表面，可以考慮在閥門、三通等表面積較大的位置適當(dāng)多次纏繞，給予這些地方更多加熱[6]。其典型多管路串聯(lián)伴熱形式見(jiàn)圖5。

伴熱帶敷設(shè)后用膠布綁在管外壁上,然后包扎一層30 mm厚的巖棉絕緣保溫，用0.3 mm厚不銹鋼皮把巖棉包扎起來(lái)，用鉚釘鉚接，防撞防水，結(jié)實(shí)耐看。

4)直升飛機(jī)平臺(tái)伴熱形式是跟平臺(tái)結(jié)構(gòu)息息相關(guān)的，因?yàn)轱w機(jī)要在平臺(tái)面起飛和著陸，所以不能在上表面敷設(shè)伴熱帶，只能在下面結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設(shè)伴熱帶，設(shè)計(jì)最小伴熱功率要求按300 W/m2計(jì)算，同樣采用S形布線，伴熱帶緊貼平臺(tái)下表面，同時(shí)用巖棉做絕緣，保持熱量不散失，給平臺(tái)面保溫防凍，讓其干爽不濕滑，從而保證直升機(jī)起飛和著陸的安全,其典型敷設(shè)圖見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，所有的接線盒都布置在平臺(tái)左側(cè)，這是考慮到直升機(jī)平臺(tái)下方為懸空，施工困難，布置在左側(cè)，靠近主船體結(jié)構(gòu)，有利于工人操作，也有利于到接線盒的電纜布置，相對(duì)于常見(jiàn)平臺(tái)的隨意布置接線盒位置有很大的優(yōu)化,雖然伴熱帶用量較多，但整體可操作性高。

5)艙口蓋、室外門、逃生直梯可采用類似外置伴熱線方法來(lái)保證其開關(guān)逃生功能正常使用；一些復(fù)雜和成型設(shè)備，如錨機(jī)、雷達(dá)、消防箱、救生設(shè)備、起重設(shè)備、航行系統(tǒng)、電氣設(shè)備、百葉窗、救生艇、駕駛室窗戶等適宜采用設(shè)備自帶集成內(nèi)置加熱的方式，船廠只需要接入控制配電箱即可。

以上各節(jié)點(diǎn)伴熱帶布置工藝確認(rèn)后， 即可繪制全船的伴熱線布置圖，再根據(jù)圖紙統(tǒng)計(jì)出各型伴熱帶數(shù)量。

3 伴熱帶選型和熱平衡計(jì)算

伴熱帶型號(hào)是根據(jù)不同伴熱終端所需熱補(bǔ)償功率以及熱損來(lái)選型的，表面溫度和某品牌各種型號(hào)伴熱帶功率對(duì)比見(jiàn)圖7,有3種型號(hào)可供選擇：A. 20QTVR2-CT；B. 15QTVR2-CT；C. 10QTVR2-CT。

根據(jù)實(shí)際的需要從圖7中選用不同型號(hào)伴熱帶, 如熱損和熱補(bǔ)償功率較大的逃生通道就選用發(fā)熱功率大的20QTVR2-CT型號(hào)，而熱損和熱補(bǔ)償功率需求較小的管子就選用發(fā)熱功率小的10QTVR2-CT型號(hào)，如果是在防爆區(qū)域，還需要特別選擇帶有防爆認(rèn)證的伴熱帶型號(hào)[7-8]。

伴熱帶型號(hào)和長(zhǎng)度都確定完畢后，即可進(jìn)行熱負(fù)荷平衡計(jì)算,考慮最小環(huán)境溫度: -10 ℃, 設(shè)計(jì)風(fēng)速: 20 m/s,設(shè)備終端維持溫度5℃, 保溫材料: 高密度巖棉,厚度30mm, 盤柜進(jìn)線電壓:230 V,參考導(dǎo)熱系數(shù):< 0.053 2 W/(m·K), 同時(shí)考慮DNVGL規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)最小伴熱功率要求，熱平衡計(jì)算見(jiàn)表1。

由表1算出各伴熱終端的功率數(shù)疊加即為所需全船總功率，加30%裕量后擬定設(shè)計(jì)功率1 280 kW，如果此總功率只做一個(gè)總的控制配電箱，那么箱子總體尺寸預(yù)計(jì)會(huì)是3 000 mm×3 000 mm×1 500 mm，在船上很難容納, 而且內(nèi)外部電路將是非常龐大繁雜，布線難度高。如果按照?qǐng)D1原理和模型，將各伴熱終端分解成不同類型，分別接入4個(gè)較小的控制配電箱,單個(gè)配電箱的輸出功率需要320 kW，尺寸可以做到1 800×1 800×800 mm，并分放在船上不同位置，所有終端的伴熱線就近接入，可做到分區(qū)控制易布線，就近接線也能節(jié)省至少30%的伴熱帶和電源線, 終端就近分配見(jiàn)表1第2列。 配電箱功率確定后，由此反推圖1中的除冰變壓器配置為400 kVA, 控制系統(tǒng)的其他相關(guān)參數(shù)和配置也可相應(yīng)確定。經(jīng)論證和分析將擬定圖1的系統(tǒng)原理和模擬框架變成了可執(zhí)行方案。

表1 熱平衡計(jì)算表

4 結(jié)論

1)通過(guò)分析和計(jì)算，全船露天設(shè)備考慮采用自動(dòng)化伴熱設(shè)計(jì)雖然是繁雜的工程，但如果按照給出的原理和模型，將各伴熱終端分解成不同類型，并采用適宜的伴熱帶型號(hào)和布置工藝，分別接入分解后的較小的若干個(gè)控制配電箱，分放在船上合適位置，所有伴熱終端的伴熱線和電源線就近接入，做到分區(qū)控制易布線，也能節(jié)省相當(dāng)數(shù)量的伴熱帶和電源線。按照這種設(shè)計(jì)原理和擬定模型很容易做出有普遍性的可執(zhí)行方案。

2)提出的伴熱原理模型是一套適用于全船各類型設(shè)備伴熱源的整體解決方案，不同于常見(jiàn)船舶只有單一類型伴熱終端，也不同于只是簡(jiǎn)單的組合，而是把各種單一伴熱終端的伴熱方式和工藝相對(duì)常見(jiàn)方案做最優(yōu)化，再把所有優(yōu)化過(guò)的終端糅合在一起，就近接入對(duì)應(yīng)的控制配電箱,讓配電箱管理不同類型的伴熱終端又做到功率均衡,是分析原理模型的目的所在。

3)在研究中發(fā)現(xiàn)伴熱帶的熱損和發(fā)熱功率計(jì)算是一個(gè)受外界環(huán)境影響較大的可變量，在原理設(shè)計(jì)和模擬時(shí)只能考慮相對(duì)有限的條件來(lái)做模擬，雖然DNVGL將設(shè)計(jì)天氣工況分成了Basic(基本)、Cold(較冷)、Polar(極地)3種工況來(lái)作為指導(dǎo)，但是氣候環(huán)境是瞬息萬(wàn)變的，如何做到在各種氣候工況都能伴熱防結(jié)冰來(lái)給予船舶和操作人員足夠的安全防護(hù)，是一個(gè)需要在實(shí)踐中不斷深入研究和解決的問(wèn)題。

4)按照本文給出的原理和模型，將各伴熱終端分解成不同類型，采用適宜的伴熱帶型號(hào)和布置工藝，形成一個(gè)可執(zhí)行整體方案, 提供了重要的借鑒性和模型分解方法，對(duì)有同類型需求的船舶或?qū)?lái)更大更復(fù)雜的船舶具有指導(dǎo)意義。

5)自動(dòng)伴熱防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)乎到船舶運(yùn)營(yíng)安全性、可靠性和舒適性，給寒區(qū)作業(yè)船舶配置自動(dòng)伴熱防凍系統(tǒng)成了一個(gè)越來(lái)越重要的工程，國(guó)際海事組織、船東和船級(jí)社對(duì)這些設(shè)備管道的防凍保溫要求也越來(lái)越高和精細(xì)化，進(jìn)一步結(jié)合詳實(shí)全面的船舶作業(yè)區(qū)域氣候條件來(lái)研究是未來(lái)發(fā)展的方向。