寒區(qū)作業(yè)船舶的自動伴熱防凍系統(tǒng)設計

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(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

DNVGL船級社要求最低室外作業(yè)溫度-10 ℃，最大風速20 m/s的環(huán)境工況下，保證全船露天甲板的機械和電氣通訊設備不結(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，各室外設備和管路容易結(jié)冰和被雪封住，對設備的運轉(zhuǎn),管路的通暢和人員的安全防護等造成了極大的影響[1]。室外的壓載艙透氣頭一旦結(jié)冰，泵將無法加注和抽取艙內(nèi)海水，將使壓載艙失去調(diào)載功能，對船舶的穩(wěn)性帶來嚴重安全隱患；通風百葉窗一旦被雨雪封住將導致室內(nèi)外失去通風換熱功能，主機艙可能因氧氣不足而導致主機停機，人因氧氣不足就會造成生命受威脅；逃生通道、扶手、樓梯踏步、緊急逃生艙口蓋凍住了，將導致逃生設施無法提供逃生功能，對人的生命安全造成嚴重威脅；消防管道被凍住則會導致發(fā)生火災時無法噴水滅火；如果直升機平臺結(jié)冰造成飛機無法著陸或打滑，會給飛機和人員營救造成極大威脅[2]；起重設備、航行系統(tǒng)、錨機、雷達、駕駛室窗戶等都將因結(jié)冰凍住而導致其功能失效，這些設備的功能失效將導致整船陷入癱瘓狀態(tài)，特別是在遠離大陸離岸作業(yè)時陷入癱船狀態(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，所有露天設備和管路等都需要安裝自動伴熱保溫防凍措施。為此，提出一種伴熱保溫防凍系統(tǒng)原理及模擬框架，并通過解析其具體工藝，計算方法和參數(shù)配置來分析其可執(zhí)行性[4]。

1 系統(tǒng)原理及模擬框架

自動伴熱保溫防凍系統(tǒng)設計的目標是通過在各設備伴熱終端內(nèi)置或外置自動溫控伴熱帶，并在室外設置溫度傳感器探測而實現(xiàn)自動監(jiān)控，低溫時自動啟動，達到高于冰點溫度若干度后自動切斷，實現(xiàn)自動防結(jié)冰功能。因為涉及全船露天設備的伴熱保溫，相關的各類伴熱終端點接近千個,一般船舶只做室外消防管道的伴熱保溫的簡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)多方分析和研究國外類似船舶的相關設計，提出了一種適用的系統(tǒng)原理模擬框架和各節(jié)點工藝。系統(tǒng)原理和模擬框架見圖1, 擬定該系統(tǒng)由相關設備伴熱回路、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個或更多配電箱來分別控制，每個配電箱內(nèi)置控制板和各支路開關，各支路開關通過接線盒接至各個伴熱終端。通過溫度傳感器信號來控制伴熱回路的開關，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)實際溫度及特殊情況集中控制各伴熱供電開關閉合從而控制伴熱終端工作[5]。

2 伴熱線布置節(jié)點分析和長度計算

根據(jù)系統(tǒng)原理，整個系統(tǒng)的設計框架和參數(shù)配置都要圍繞總功率來展開，要計算總功率，就要確定每個接線盒對應的支路功率，而支路功率由伴熱帶的熱補償功率和伴熱帶長度來決定，熱補償功率與伴熱帶型號有關，而伴熱帶長度與伴熱線布置節(jié)點相關，根據(jù)具體節(jié)點分析伴熱帶布置。

1)逃生通道是全船人員日常使用和緊急撤離的通道，是實施逃生和救援的重要設施，對其進行伴熱是非常必要的，常見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完整的通道，這里使用一種新的方式即環(huán)氧地坪敷設，其相對于鋼模塊具有重量輕，熱效率高，鋪設簡易，成型后壽命長，維護方便的優(yōu)點，其平面布置和截面見圖2、3。

先在甲板敷設混凝土，然后在上面鋪上細鋼絲網(wǎng)，伴熱帶按S形鋪設, 設計最小伴熱功率要求按800 w/m2計算，按最長90 m伴熱帶為一個回路或供電點連到一個接線盒上為一個環(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，設計最小伴熱功率要求按800 W/m2計算，扶手可以直接將伴熱帶置于扶手用的圓管內(nèi)，并在終端通過密封葛蘭引出圓管并設置終端接頭，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水，然后串聯(lián)起來, 其布置見圖4, 斜梯和扶手都使用了內(nèi)置伴熱帶的工藝，相對于外置方式，內(nèi)置優(yōu)點是熱量損失少，節(jié)省伴熱帶，整體尺寸??；缺點是不如外置伴熱帶維護方便。

3)管路的伴熱是船舶上最常用的形式，主要是保護管內(nèi)的液體在-10 ℃時不結(jié)冰，也避免了因結(jié)冰體積增大造成的管路破壞。設計最小伴熱功率要求按29.1 W/m計算，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)伴熱形式見圖5。

伴熱帶敷設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，用鉚釘鉚接，防撞防水，結(jié)實耐看。

4)直升飛機平臺伴熱形式是跟平臺結(jié)構(gòu)息息相關的，因為飛機要在平臺面起飛和著陸，所以不能在上表面敷設伴熱帶，只能在下面結(jié)構(gòu)內(nèi)敷設伴熱帶，設計最小伴熱功率要求按300 W/m2計算，同樣采用S形布線，伴熱帶緊貼平臺下表面，同時用巖棉做絕緣，保持熱量不散失，給平臺面保溫防凍，讓其干爽不濕滑，從而保證直升機起飛和著陸的安全,其典型敷設圖見圖6。

由圖6可見，所有的接線盒都布置在平臺左側(cè)，這是考慮到直升機平臺下方為懸空，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，相對于常見平臺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保證其開關逃生功能正常使用；一些復雜和成型設備，如錨機、雷達、消防箱、救生設備、起重設備、航行系統(tǒng)、電氣設備、百葉窗、救生艇、駕駛室窗戶等適宜采用設備自帶集成內(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)點伴熱帶布置工藝確認后， 即可繪制全船的伴熱線布置圖，再根據(jù)圖紙統(tǒng)計出各型伴熱帶數(shù)量。

3 伴熱帶選型和熱平衡計算

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

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

伴熱帶型號和長度都確定完畢后，即可進行熱負荷平衡計算,考慮最小環(huán)境溫度: -10 ℃, 設計風速: 20 m/s,設備終端維持溫度5℃, 保溫材料: 高密度巖棉,厚度30mm, 盤柜進線電壓:230 V,參考導熱系數(shù):< 0.053 2 W/(m·K), 同時考慮DNVGL規(guī)范要求和經(jīng)驗數(shù)據(jù)總結(jié)出來的設計最小伴熱功率要求，熱平衡計算見表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%裕量后擬定設計功率1 280 kW，如果此總功率只做一個總的控制配電箱，那么箱子總體尺寸預計會是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。如果按照圖1原理和模型，將各伴熱終端分解成不同類型，分別接入4個較小的控制配電箱,單個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)的其他相關參數(shù)和配置也可相應確定。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 熱平衡計算表

4 結(jié)論

1)通過分析和計算，全船露天設備考慮采用自動化伴熱設計雖然是繁雜的工程，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和布置工藝，分別接入分解后的較小的若干個控制配電箱，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)省相當數(shù)量的伴熱帶和電源線。按照這種設計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備伴熱源的整體解決方案，不同于常見船舶只有單一類型伴熱終端，也不同于只是簡單的組合，而是把各種單一伴熱終端的伴熱方式和工藝相對常見方案做最優(yōu)化，再把所有優(yōu)化過的終端糅合在一起，就近接入對應的控制配電箱,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)熱功率計算是一個受外界環(huán)境影響較大的可變量，在原理設計和模擬時只能考慮相對有限的條件來做模擬，雖然DNVGL將設計天氣工況分成了Basic(基本)、Cold(較冷)、Polar(極地)3種工況來作為指導，但是氣候環(huán)境是瞬息萬變的，如何做到在各種氣候工況都能伴熱防結(jié)冰來給予船舶和操作人員足夠的安全防護，是一個需要在實踐中不斷深入研究和解決的問題。

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和布置工藝，形成一個可執(zhí)行整體方案, 提供了重要的借鑒性和模型分解方法，對有同類型需求的船舶或?qū)砀蟾鼜碗s的船舶具有指導意義。

5)自動伴熱防凍系統(tǒng)設計關乎到船舶運營安全性、可靠性和舒適性，給寒區(qū)作業(yè)船舶配置自動伴熱防凍系統(tǒng)成了一個越來越重要的工程，國際海事組織、船東和船級社對這些設備管道的防凍保溫要求也越來越高和精細化，進一步結(jié)合詳實全面的船舶作業(yè)區(qū)域氣候條件來研究是未來發(fā)展的方向。