袁瑞軍，張 雷，楊立楠，周 兵，陳方紅

（廣州文沖船廠有限責任公司，廣州 510727）

1 概述

傳統(tǒng)船舶的動力設備主要集中于機艙?；诖安裼蜋C的燃燒需求，機艙配置定量通風系統(tǒng)，其需滿足主柴油機、柴油發(fā)電機組、鍋爐等設備的燃燒空氣需求；同時，通過機艙通風保證機艙溫度的相對穩(wěn)定。由于在柴油機組非滿負荷運行和低溫的冬季時節(jié)，尤其是極地區(qū)域環(huán)境溫度常年低于-10 ℃，常規(guī)的機艙通風系統(tǒng)容易造成機艙溫度過低，影響船舶運行安全，并浪費通風系統(tǒng)的能源消耗。因此，為了確保極地船舶設備安全運行和節(jié)能，其機艙通風系統(tǒng)采用智能控制是非常必要的。

2 極地船舶機艙智能通風系統(tǒng)簡介

極地船舶機艙智能通風系統(tǒng)原理：通過獲取柴油機的在線功率工況、外部環(huán)境溫度、機艙溫度等數(shù)據(jù)，根據(jù)機艙實際通風需求對機艙供風量進行控制和調(diào)整，以滿足機艙柴油機和鍋爐等設備燃燒量的需要，同時保證機艙溫度在規(guī)定值范圍內(nèi)。

極地船舶機艙智能通風系統(tǒng)的優(yōu)點：首先，通過對通風系統(tǒng)的優(yōu)化，降低通風系統(tǒng)的能耗；其次，保證機艙的安全溫度，既保證柴油機對燃燒空氣的溫度要求，同時也使機艙溫度在規(guī)定值范圍內(nèi)，保證機艙設備正常運行和人員安全；再者，對于超低溫度環(huán)境，參比機艙通風量對進風百葉窗的加熱除冰系統(tǒng)提供匹配的加熱功率，優(yōu)化節(jié)約除冰加熱系統(tǒng)的功率消耗。

3 某極地船舶機艙智能通風系統(tǒng)的設計

極地船舶機艙智能通風系統(tǒng)設計的目的是：（1）滿足機艙主要設備（柴油機組、鍋爐等）燃燒空氣需求；（2）滿足壓縮空氣系統(tǒng)對空氣的使用需求；（3）滿足風冷機艙設備散熱冷卻需求；（4）滿足機艙設備運行最低環(huán)境溫度需求，以確保機艙設備能安全運行?？傊?，根據(jù)極地船舶具體設備配置，采用合理簡潔的方法滿足覆蓋全方位的使用需求、保證船舶在極地區(qū)域的安全運行、降低船舶營運能耗、提高船舶的環(huán)保性能。

某極地船基本配置如下：2 臺4 000 kW 主機；2臺1 520 kW 輔助發(fā)電機；2 臺7.8 t/h 蒸汽鍋爐；2 臺廢氣鍋爐；4 臺20 kW 變頻器驅動風機。船舶運營航線為全球航線，覆蓋赤道及極地。

3.1 機艙主要設備所需的燃燒空氣量qc 計算

兩臺4 000 kW 推進主柴油機燃燒所需的空氣量qdp、兩臺1 520 kW 輔柴油機燃燒所需的空氣量qdg、兩臺7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺廢氣燃油鍋爐燃燒所需的空氣量qb，根據(jù)機艙通風計算標準ISO8861-1996公式計算。

3.2 機艙主要設備的散熱量φc 計算

兩臺4 000 kW 主柴油機的散熱量φdp、兩臺1 520 kW 輔柴油機散熱量φdg、兩臺7.8 t/h 燃油蒸汽鍋爐及兩臺廢氣燃油鍋爐散熱量φtp、機艙電氣設備的散熱量φei，根據(jù)機艙通風計算標準ISO8861-199公式計算。交流發(fā)電機的散熱量φg 由于本船電球均為水冷，故取值為φg=0。

3.3 機艙其他設備和系統(tǒng)的散熱量φt 計算：

其他設備和系統(tǒng)主要包括：熱的艙柜、空壓機和排氣管系。根據(jù)ISO標準計算或采用同等船的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，本船取φt = 40 kW。

船舶運行在極地環(huán)境時，外部大氣環(huán)境平均溫度約為-25 ℃，而機艙內(nèi)的理論安全溫度為不低于0 ℃，建議取安全溫度為5 ℃，以確保機艙相關輔助設備的安全運行。在此惡劣的外部環(huán)境溫度下，機艙內(nèi)的最佳通風狀態(tài)為滿足機艙設備燃燒和使用所需即可，傳統(tǒng)設計中的冷卻通風成為過量通風，-25 ℃的通風溫度和通風量將難以保證機艙的安全運營溫度。因此，極地船舶的實際通風量計算如下：

式中：P1#主機——1 號主機功率，kW；

P2#主機——2 號主機功率，kW；

P1#輔機——1 號輔機功率，kW；

P2#輔機——2 號輔機功率，kW；

T ——機艙溫度，℃；

H——時間，h。

當溫度低于-5 ℃時，在全負載工況、無進風預加熱情況下，機艙環(huán)境平均溫度最高為：

式中：T——機艙溫度 ，℃；

P——為機艙設備散熱量， kW；

G——為機艙燃燒通風散熱量， kW。

3.4 機艙智能通風系統(tǒng)設計

基于以上機艙設備對空氣的實時需求量和機艙的冷卻空氣量，機艙智能通風系統(tǒng)需要采集以下信號，以對機艙通風系統(tǒng)的動態(tài)和智能控制:

（1）柴油機的運行信號和負荷信號（即計算運行功率），用于確認柴油機燃燒空氣量的計算基礎；

（2）鍋爐的運行信號和燃燒負荷信號；

（3）配電板發(fā)電機運行狀態(tài)和負荷信號，用以計算機艙主要設備的發(fā)熱參考值；

（4）機艙溫度，用于校準通風量以及進風百葉窗的電加熱功率控制；

（5）環(huán)境溫度，用于計算即時通風量和進風百葉窗預加熱量。

3.5 控制對象以及控制裕度

（1）對機艙風機進行調(diào)速控制（變頻控制）

機艙風機多為軸流風機，軸流風機的通風量與風機轉速接近線性關系，因此可以通過對轉速的定量控制達到對風量的定量控制，風量的需求來源于上述計算；

當環(huán)境溫度低于0 ℃時，機艙通風在滿足機艙設備燃燒及保證其正常運行的基礎上，機艙溫升約15 ℃，因此不需要額外的冷卻風量來滿足機艙設備的工作散熱冷卻需求。

（2）對進風百葉窗加熱除冰功率的控制

柴油機對增壓器進風溫度限制一般不低于-5 ℃，機艙持續(xù)溫度通常不宜低于5 ℃，否則部分管路和設備內(nèi)的液態(tài)水容易結冰，造成設備和管路的損壞或系統(tǒng)的功能失效；同時，過低的機艙溫度也會造成部分系統(tǒng)額外的加熱能耗，并會影響船員的工作狀態(tài)，降低關注效率和工作安全性。因此，維持機艙溫度在一定范圍是智能機艙通風系統(tǒng)的控制目標。

眾所周知，電阻器件加熱功率P=U2/R，即加熱量與加熱器電壓成平方關系。因此對機艙進風口加熱器的加熱功量可以采用調(diào)節(jié)電壓方法加以控制，加熱原件輸入電壓采用可控電壓，通過控制加熱電源的輸出電壓來控制加熱器的輸出功率。

機艙智能通風系統(tǒng)示意圖，如圖1 所示。

（3）通風系統(tǒng)加熱器的選型和功率計算

基于主機的燃燒空氣的溫度需要高于-5 ℃和機艙設備安全環(huán)境溫度需要高于5 ℃的基本要求，以保證機艙低溫淡水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、以及其他系統(tǒng)的安全工作。因此機艙需要配置機艙通風加熱除冰系統(tǒng)和機艙暖風機，以保證機艙的環(huán)境溫度和柴油機燃燒空氣溫度限制。

通常極地船舶工作外部環(huán)境溫度可達-25 ℃，因此加熱器功率計算需要滿足燃燒空氣-5 ℃的補償溫度需求，因此通風系統(tǒng)預加熱功率為：

P=1.004*G燃燒通風*△T /t （3）

考慮進出風口、機艙混風及機艙環(huán)境溫度，溫差系數(shù)△T 取為3 ℃，t 為取樣時間，則所有進風口加熱功率P 約為48 kW，以4 個進風口為例，每個進風口約為12 kW。其他不足的溫度補償另外由機艙加熱風機提供。

（4）機艙智能通風系統(tǒng)涉及規(guī)范與處理方式

機艙通風在規(guī)范上涉及防火、CO2、非重要負荷卸載等方面，因此該系統(tǒng)設計需要滿足機艙風機應急切斷功能，提供和應急切斷系統(tǒng)的控制接口；另外，機艙通風系統(tǒng)需要滿足機艙CO2排放要求，所以通風系統(tǒng)中必須有一臺風機由應急配電板供電，且該風機需具有正反轉功能，提供機艙的CO2排出功能；再者，因為系統(tǒng)中的加熱系統(tǒng)不屬于涉及強制安全系統(tǒng)，在電站非常狀態(tài)下需要提供非重要負荷卸載功能，以保證船舶電站和電力系統(tǒng)的安全。

3.4 船舶通風系統(tǒng)功能與報警

極地船舶通風系統(tǒng)提供了基于船舶設備運行工況和環(huán)境溫度的預控制及控制修正功能。同時，該船機艙通風控制系統(tǒng)提供了與機艙自動化的通訊接口，用于將設備運行參數(shù)、設備運行故障和系統(tǒng)自診斷結果上傳至AMS 機艙自動化系統(tǒng)，或機艙設備綜合運行管理系統(tǒng)。

4 結束語

極地運營船舶在未來具有較大的市場需求，極地運營船舶航行環(huán)境的不同對船舶能耗和機艙設備的安全都有較大影響。因此根據(jù)極地營運船舶運營需求，有針對性地進行新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的研發(fā)，可有效提高船舶的運營安全性、降低船舶能耗、節(jié)約運營成本。機艙智能通風系統(tǒng)，不但可應用于極地船舶，也可應用于常規(guī)區(qū)域船舶。