滿足安全返港的客滾船空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 晶，徐 謙，朱靜波，吳 林

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200041）

0 引言

客船或客滾船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)非常龐大的系統(tǒng)，主要包括服務(wù)于居住處所的空調(diào)系統(tǒng)和服務(wù)于機(jī)械處所的通風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于具有安全返港要求的客船，其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也需滿足安全返港的要求。在進(jìn)行空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要通過分隔和冗余的方法，使得單一處所失效時(shí)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)依舊能在安全返港的設(shè)計(jì)要求下進(jìn)行工作。

1 客滾船通風(fēng)特點(diǎn)

1.1 客滾船通風(fēng)的復(fù)雜性

普通貨船上的空調(diào)由壓縮機(jī)組、空氣處理單元和空調(diào)的控制板組成，空調(diào)僅能通過主控板進(jìn)行簡單的邏輯控制。

客滾船存在多個(gè)主豎區(qū)，風(fēng)機(jī)和空調(diào)單元的數(shù)量也較多，通過船上電力配電箱供電不便于控制。因此，通常由空調(diào)廠家自己提供通風(fēng)電機(jī)控制箱（Ventilation Motor Control Cabinet，VMCC）給不同區(qū)域的空調(diào)單元和風(fēng)機(jī)供電。

根據(jù)《國際海上人命安全公約》（，SOLAS）的要求，客滾船駕駛室的安全中心需具有所有動(dòng)力通風(fēng)系統(tǒng)的全部功能。常規(guī)的做法是在安全臺(tái)上設(shè)置數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）電腦。通過各區(qū) VMCC中的網(wǎng)關(guān)，將所有空調(diào)單元、風(fēng)機(jī)和風(fēng)閘的控制和顯示信號(hào)串成環(huán)路，并將信號(hào)傳送至SCADA電腦中。

相較于普通貨船，客滾船上空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯比較復(fù)雜，空調(diào)單元（Air Handling Unit，AHU）和 VMCC中均設(shè)有可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），需進(jìn)行自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)。自動(dòng)化控制功能主要包括：1）顯示所有風(fēng)機(jī)和風(fēng)閘開閉狀態(tài)；2）必要情況下，對(duì)分組進(jìn)行應(yīng)急切斷；3）在風(fēng)閘和風(fēng)機(jī)之間形成聯(lián)鎖；4）針對(duì)靠港和航行等不同工況，選擇相應(yīng)的控制邏輯；5）根據(jù)房間里的溫度傳感器，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并改變風(fēng)量。

1.2 安全返港要求

建造日期在2010年7月1日之后，長度在120 m以上或具有3個(gè)及以上主豎區(qū)的客船需符合安全返港的要求。安全返港對(duì)空調(diào)通風(fēng)的需求主要表現(xiàn)在2方面：1）安全區(qū)的服務(wù)。在安全返港場景下，乘客集合的安全區(qū)域要保證一定量的通風(fēng)。安全區(qū)是在發(fā)生客船事故后用以服務(wù)乘客的區(qū)域，是保證乘客最低生存和舒適度體驗(yàn)的重要基礎(chǔ)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需保證安全區(qū)的環(huán)境要求。在安全返港時(shí)，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需保證4.5 m/h的新風(fēng)要求，保證安全區(qū)的溫度在10～30 ℃。2）在安全返港工況下，工作區(qū)域需保證一定量的通風(fēng)，以保證相關(guān)設(shè)備的正常工作，如機(jī)艙里的主機(jī)、發(fā)電機(jī)和舵機(jī)等。

2 安全返港對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的要求

2.1 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)由冷媒水系統(tǒng)、預(yù)熱水系統(tǒng)和再熱水系統(tǒng)組成，主要包含冷水機(jī)組（冷源）、加熱器（熱源）、水泵、管路和閥門?？照{(diào)水系統(tǒng)的主要作用是保證安全區(qū)的溫度。

為簡化空調(diào)水系統(tǒng)的安全返港設(shè)計(jì)，冷媒水系統(tǒng)和預(yù)熱水系統(tǒng)需在安全返港時(shí)提供足夠的熱量和制冷量，而再熱水系統(tǒng)無須考慮安全返港的設(shè)計(jì)要求。

為滿足安全返港的需要，在前泵艙和后泵艙分別隔離布置空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備（見圖1）。后泵艙的設(shè)備由前機(jī)艙供電，前泵艙的設(shè)備由后機(jī)艙供電，電纜穿過不同的滾裝處所，可保證在一個(gè)泵艙空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)問題的情況下，整個(gè)空調(diào)水系統(tǒng)可正常工作。此外，考慮到失去蒸汽系統(tǒng)的情況，在前泵艙布置電加熱器，用電加熱水，為上層建筑的空調(diào)提供熱量。

圖1 前泵艙和后泵艙空調(diào)水系統(tǒng)布置和供電情況示意

2.2 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

上層建筑布置有3個(gè)安全區(qū)，分布在1號(hào)～3號(hào)主豎區(qū)。不同主豎區(qū)的空調(diào)箱完全獨(dú)立，當(dāng)其中 1個(gè)故障時(shí)，其他2個(gè)能夠正常使用。通過變頻器或調(diào)風(fēng)門來減少風(fēng)量，以降低安全返港電加熱器的功率。

安全返港設(shè)計(jì)要求：在任意主豎區(qū)失效的情況下，垂直管弄均可正常使用。因此，在進(jìn)行垂直管弄的通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了冗余因素，分別從相鄰的2個(gè)主豎區(qū)的中央空調(diào)箱給予送風(fēng)，自然排風(fēng)。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)電氣控制系統(tǒng)為空調(diào)和風(fēng)機(jī)供電，并對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化控制。

3.1 供電

考慮到安全返港的要求，以及客船空調(diào)和風(fēng)機(jī)的數(shù)量，在設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，為各個(gè)風(fēng)機(jī)和空調(diào)單元配置了11個(gè)VMCC用于供電。2個(gè)機(jī)艙各布置1個(gè)，貨艙艏艉各布置1個(gè)，3個(gè)機(jī)械區(qū)域各布置1個(gè)，4個(gè)主豎區(qū)域各布置1個(gè)。

各區(qū)域的風(fēng)機(jī)和AHU分別由該區(qū)域的VMCC獨(dú)立供電。通常情況下，AHU僅需1路主電源進(jìn)行供電。然而，有安全返港要求AHU則需2路主電源供電?？照{(diào)單元設(shè)計(jì)示意圖見圖2，AC1.2.1、AC1.2.2、AC2.1.1和AC2.2.2等所在區(qū)域?qū)儆诎踩蹈蹠r(shí)的安全區(qū)，因此，這些空調(diào)單元均由2路主電源供電。2路主電源分別從2個(gè)配電板間里連接到 VMCC，然后連接至 AHU，2路主電源可在VMCC中自動(dòng)切換。

圖2 空調(diào)單元設(shè)計(jì)示意

對(duì)于帶有風(fēng)閘控制的VMCC，為了避免電源切換時(shí)風(fēng)閘的關(guān)斷，會(huì)專門為風(fēng)閘控制的PLC電源提供1路UPS電源。當(dāng)主電源失電切換時(shí)，控制電源不斷電，以保證對(duì)風(fēng)機(jī)和風(fēng)閘的控制不會(huì)間斷。

對(duì)于包含應(yīng)急風(fēng)機(jī)的VMCC（如機(jī)艙應(yīng)急風(fēng)機(jī)、集控室應(yīng)急通風(fēng)供風(fēng)機(jī)和駕駛室應(yīng)急供風(fēng)機(jī)所在的VMCC），需再增加1路應(yīng)急電源。

3.2 應(yīng)急切斷

船舶配電系統(tǒng)風(fēng)油切斷會(huì)按照不同區(qū)域進(jìn)行分組，在本例中，ES1和ES2為機(jī)艙油泵等設(shè)備的應(yīng)急切斷，ES3～ES16為不同區(qū)域的風(fēng)機(jī)應(yīng)急切斷。當(dāng)不同區(qū)域探測到火警信號(hào)時(shí)，火警系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的切斷信號(hào)到風(fēng)閘控制箱，對(duì)風(fēng)閘進(jìn)行及時(shí)切斷。在配電板接收火警信號(hào)后，風(fēng)機(jī)發(fā)出相應(yīng)的風(fēng)油切斷信號(hào)到VMCC，切斷相應(yīng)的風(fēng)機(jī)電源。

同一風(fēng)路上的風(fēng)閘和風(fēng)管具有聯(lián)鎖功能，當(dāng)風(fēng)閘切斷時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)也會(huì)聯(lián)鎖切斷。

3.3 自動(dòng)化

客船空調(diào)配有一套SCADA電腦系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過VMCC內(nèi)的網(wǎng)關(guān)形成閉合環(huán)路，可將各AHU和所有風(fēng)機(jī)的狀態(tài)和控制信號(hào)傳送至SCADA電腦中，見圖3。

圖3 SCADA電腦系統(tǒng)連接示意

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 安全區(qū)域的通風(fēng)

根據(jù) MSC.1/Circ.1369要求，當(dāng)安全返港航程超過12 h時(shí)，需為每個(gè)乘客提供至少2 m的安全區(qū)域面積。本例中，客滾船返港航程為36 h，船上人員共1 000人。因此，選取的安全區(qū)域面積應(yīng)不少于2 000 m。

由于每個(gè)主豎區(qū)中可提供作為安全區(qū)域的面積有限，本例中采取2個(gè)主豎區(qū)組合作為安全區(qū)域的方式來滿足規(guī)范的要求：1）若1號(hào)主豎區(qū)失火，2號(hào)主豎區(qū)和3號(hào)主豎區(qū)作為安全區(qū)域；2）若2號(hào)主豎區(qū)失火，1號(hào)主豎區(qū)和3號(hào)主豎區(qū)作為安全區(qū)域；3）若3號(hào)主豎區(qū)失火，1號(hào)主豎區(qū)和2號(hào)主豎區(qū)作為安全區(qū)域。保證在單個(gè)主豎區(qū)失火時(shí)，安全區(qū)域的通風(fēng)可滿足要求。

4.2 滿足安全返港要求的電纜路徑

圖4為滿足安全返港要求的電纜路徑，以2號(hào)配電板室的風(fēng)機(jī)起動(dòng)器為例，2個(gè)配電板室的2個(gè)配電板分別給風(fēng)機(jī)起動(dòng)器提供2路電。當(dāng)失去1號(hào)機(jī)艙時(shí)，由2號(hào)配電板為風(fēng)機(jī)起動(dòng)器供電；當(dāng)失去2號(hào)機(jī)艙時(shí)，由1號(hào)配電板為風(fēng)機(jī)起動(dòng)器供電。由于1號(hào)配電板室接出的電纜（電纜①）經(jīng)過2號(hào)機(jī)艙，該電纜需繞過2號(hào)機(jī)艙，可從2號(hào)機(jī)艙上面的貨艙區(qū)域或者2號(hào)機(jī)艙下面的空艙穿過。

圖4 滿足安全返港要求的電纜路徑示意

原本配電板間和集控室的風(fēng)機(jī)是接在VMCC10上的，之所以在2號(hào)配電板室增設(shè)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)起動(dòng)器，是因?yàn)榭紤]到失去艉部機(jī)械區(qū)域時(shí)，配電板和集控室的風(fēng)機(jī)仍能運(yùn)行，且集控室可正常顯示水密門的開閉狀態(tài)。

4.3 水密風(fēng)閘

除空調(diào)單元風(fēng)管里的關(guān)閉風(fēng)閘和防火隔壁上的防火風(fēng)閘外，船舶在水線以下還會(huì)有幾個(gè)比較特殊的水密風(fēng)閘。水密風(fēng)閘是風(fēng)管穿過水密艙壁時(shí)裝在水密艙壁上的水密閥，以免當(dāng)水密艙進(jìn)水時(shí)，水通過風(fēng)管延伸到相鄰水密艙。水密風(fēng)閘與火災(zāi)時(shí)的應(yīng)急切斷無關(guān)，但會(huì)在風(fēng)閘控制板上單獨(dú)做幾組切斷，當(dāng)進(jìn)水時(shí)關(guān)閉相應(yīng)區(qū)域的水密風(fēng)閘。

5 結(jié)論

本文結(jié)合客滾船的特點(diǎn)，對(duì)空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)和電氣自動(dòng)化控制各要素進(jìn)行分析，通過優(yōu)化配置來實(shí)現(xiàn)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的合理控制、滿足安全返港的要求，對(duì)需要滿足安全返港要求的客滾船設(shè)計(jì)有一定參考意義。