船舶艙室正負(fù)壓控制技術(shù)

許戀斯，劉嘉倬，邰 洋，李和薇，衣 穎，張宗興

（1.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913；2.天津航海儀器研究所，天津 300131；3.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津 300161）

0 引 言

當(dāng)前，全球新冠肺炎疫情的發(fā)展態(tài)勢(shì)依舊嚴(yán)峻，我國(guó)的常態(tài)化疫情防控體制機(jī)制不斷完善，疫情防控裝備得到了長(zhǎng)足發(fā)展。在這些裝備中：有的通過(guò)在其內(nèi)部形成正壓環(huán)境達(dá)到防護(hù)的目的，如移動(dòng)式正壓潔凈艙和便攜式正壓診斷艙等；有的通過(guò)在其內(nèi)部形成負(fù)壓環(huán)境達(dá)到隔離的目的，如移動(dòng)式負(fù)壓實(shí)驗(yàn)室、負(fù)壓隔離艙和負(fù)壓帳篷等。［1］這些裝備大多應(yīng)用于陸地上，對(duì)迫切需建立防疫機(jī)制的船舶艙室缺少較好的應(yīng)用方案。

在人員密集的船舶艙室中，當(dāng)出現(xiàn)傳染性極強(qiáng)的新冠肺炎病毒時(shí)，極易引發(fā)群體性疫情。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)船舶艙室防疫機(jī)制的研究還屬于起步階段，只能借鑒建筑醫(yī)療防疫室的標(biāo)準(zhǔn)和部分船級(jí)社的最新指導(dǎo)性文件開(kāi)展［2-5］。就船舶艙室的醫(yī)療環(huán)境而言，目前大部分不具備及時(shí)處理類似傳染性疫情的能力。因此，在船舶艙室內(nèi)建立有效的防疫機(jī)制是很有必要的。由于船舶內(nèi)部空間有限，在建立防控機(jī)制時(shí)，往往要求各船舶艙室同時(shí)具有正壓防護(hù)和負(fù)壓隔離功能，當(dāng)有艙室出現(xiàn)感染人群和密切接觸人群時(shí)，可將該艙室切換負(fù)壓狀態(tài)對(duì)這些人員進(jìn)行就地隔離，將其他艙室切換至正壓狀態(tài)進(jìn)行就地防護(hù)，這樣能極大地減少人員流動(dòng)，達(dá)到針對(duì)疫情發(fā)生情況靈活劃分隔離區(qū)和防護(hù)區(qū)的目的［6］。

在船舶艙室內(nèi)形成正壓環(huán)境和負(fù)壓環(huán)境是實(shí)現(xiàn)隔離和防護(hù)功能的基礎(chǔ)。本文以利用現(xiàn)有船舶艙室建造的正負(fù)壓控制艙室為基礎(chǔ)，對(duì)船舶艙室正負(fù)壓控制技術(shù)進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹正負(fù)壓控制艙室的建造方案，設(shè)計(jì)并分析正負(fù)壓控制原理，闡述艙室正負(fù)壓控制試驗(yàn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出船舶艙室內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境的建立和切換的結(jié)論，證明船舶艙室同時(shí)具備正壓防控與負(fù)壓隔離功能的可行性。

1 正負(fù)壓控制艙室設(shè)計(jì)

用于建立和切換正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境的艙室應(yīng)具有不同的功能分區(qū)，艙室內(nèi)部無(wú)論是處于正壓狀態(tài)還是負(fù)壓狀態(tài)，各功能分區(qū)之間均具有一定的壓差梯度［4］。為實(shí)現(xiàn)該功能，一般會(huì)在各功能分區(qū)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，從進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口流通的是定向氣流，調(diào)節(jié)各功能分區(qū)之間的壓差梯度即可調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口定向氣流流量與排風(fēng)口定向氣流流量的相對(duì)大小?，F(xiàn)有的調(diào)節(jié)方式是在各功能分區(qū)的進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口安裝變頻風(fēng)機(jī)，通過(guò)主控系統(tǒng)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口變頻風(fēng)機(jī)的相對(duì)開(kāi)度，由此間接調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口定向氣流流量的大小。該方式的弊端在于隨著功能分區(qū)的增多，主控系統(tǒng)需控制的風(fēng)機(jī)數(shù)量增多，系統(tǒng)的復(fù)雜度增加，調(diào)試效率下降。因此，合理配置各功能分區(qū)之間定向氣流的流動(dòng)方式，有助于降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高調(diào)試效率。

建造正負(fù)壓控制艙室是研究正負(fù)壓控制技術(shù)的基礎(chǔ)，本文在已有船舶艙室的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并建造正負(fù)壓控制艙室，用2臺(tái)變頻風(fēng)機(jī)配合回風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各功能區(qū)定向氣流的流動(dòng)。該正負(fù)壓控制艙室的組成見(jiàn)圖1，其功能區(qū)包括走廊、緩沖區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)、設(shè)備區(qū)和操控區(qū)，其中走廊、緩沖區(qū)、半污染區(qū)和污染區(qū)屬于空氣環(huán)境試驗(yàn)區(qū)。該艙室的子系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、回風(fēng)系統(tǒng)和壓差檢測(cè)系統(tǒng)［7］。正負(fù)壓控制艙室的功能區(qū)劃分見(jiàn)圖2，其中：操控區(qū)布置有主控系統(tǒng)；設(shè)備區(qū)布置有送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)，該區(qū)域內(nèi)安裝有正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境建立和切換所必需的設(shè)備；回風(fēng)系統(tǒng)布置在各功能區(qū)內(nèi)，主要由通風(fēng)裝置組成；壓差檢測(cè)系統(tǒng)布置在各功能區(qū)內(nèi)，包括壓差傳感器DP1、DP2、DP3和DP4。

圖1 正負(fù)壓控制艙室的組成

圖2 正負(fù)壓控制艙室的功能區(qū)劃分

送風(fēng)系統(tǒng)用于為走廊、緩沖區(qū)、半污染區(qū)和污染區(qū)的空氣流動(dòng)提供新風(fēng)，與排風(fēng)系統(tǒng)配合使用，是艙室內(nèi)用于進(jìn)行正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境建立和切換的重要系統(tǒng)。排風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將走廊、緩沖區(qū)、半污染區(qū)和污染區(qū)的氣流排出，配合送風(fēng)系統(tǒng)，使各功能區(qū)的空氣流動(dòng)，達(dá)到換氣的目的；同時(shí)，根據(jù)壓差檢測(cè)系統(tǒng)反饋到主控系統(tǒng)的艙室內(nèi)與各功能區(qū)之間的壓差參數(shù)，調(diào)節(jié)排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量，達(dá)到控制壓差的目的?；仫L(fēng)系統(tǒng)為送風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)的組成部分，是各功能區(qū)之間氣流流動(dòng)的通道。

2 定向氣流流動(dòng)設(shè)計(jì)

正負(fù)壓控制艙室的污染區(qū)內(nèi)設(shè)置有送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口、排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)口和回風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)口，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)量差，使污染區(qū)內(nèi)形成正壓環(huán)境或負(fù)壓環(huán)境，達(dá)到驅(qū)動(dòng)各功能區(qū)定向氣流流動(dòng)的目的。當(dāng)污染區(qū)內(nèi)形成正壓環(huán)境或負(fù)壓環(huán)境時(shí)，定向氣流會(huì)在正壓或負(fù)壓的作用下，通過(guò)回風(fēng)系統(tǒng)在各功能區(qū)內(nèi)流動(dòng)。

具體而言，正負(fù)壓控制艙室的各功能區(qū)在正壓環(huán)境下的氣流流向見(jiàn)圖3，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)使排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量小于送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量，進(jìn)而使污染區(qū)內(nèi)形成正壓環(huán)境，定向氣流通過(guò)回風(fēng)系統(tǒng)依次流向半污染區(qū)、緩沖區(qū)和走廊。

圖3 正負(fù)壓控制艙室的各功能區(qū)在正壓環(huán)境下的氣流流向

正負(fù)壓控制艙室的空氣環(huán)境試驗(yàn)區(qū)在負(fù)壓環(huán)境下的氣流流向見(jiàn)圖4，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)使排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量大于送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量，進(jìn)而使污染區(qū)內(nèi)形成負(fù)壓環(huán)境，定向氣流通過(guò)回風(fēng)系統(tǒng)順次通過(guò)走廊、緩沖區(qū)和半污染區(qū)流向污染區(qū)，并通過(guò)排風(fēng)系統(tǒng)排出。

圖4 正負(fù)壓控制艙室的空氣環(huán)境試驗(yàn)區(qū)在負(fù)壓環(huán)境下的氣流流向

3 正負(fù)壓控制原理分析

正負(fù)壓控制艙室以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心主控系統(tǒng)，采用變頻控制送風(fēng)量和排風(fēng)量的原理實(shí)現(xiàn)壓差控制，見(jiàn)圖5。送風(fēng)系統(tǒng)主要包括送風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和生物安全閥等；排風(fēng)系統(tǒng)主要包括排風(fēng)機(jī)、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和生物安全閥等；回風(fēng)系統(tǒng)由3個(gè)通風(fēng)面積可調(diào)的通風(fēng)裝置組成。送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)均為變頻風(fēng)機(jī)，可通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)行頻率達(dá)到調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)量或排風(fēng)風(fēng)量的目的。當(dāng)艙室內(nèi)被設(shè)定為正壓環(huán)境或負(fù)壓環(huán)境時(shí)，艙室與外界的壓差值由壓差傳感器DP1采集，用以反映艙室內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)（正壓或負(fù)壓），各功能區(qū)的壓差值分別由壓差傳感器DP2、DP3和DP4采集，所有壓差傳感器采集的數(shù)值都反饋給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)艙室內(nèi)設(shè)定的環(huán)境狀態(tài)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量和排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，進(jìn)而維持各功能區(qū)的壓力環(huán)境和各功能區(qū)之間的壓差梯度，形成閉環(huán)控制。

圖5 正負(fù)壓控制原理

正負(fù)壓控制艙室的壓差控制流程見(jiàn)圖6。具體的，在設(shè)置艙室需達(dá)到的環(huán)境狀態(tài)并預(yù)置風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和通風(fēng)裝置的開(kāi)度之后，啟動(dòng)系統(tǒng)，依次打開(kāi)排風(fēng)系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)的生物密閉閥，若在此期間反饋生物密閉閥未打開(kāi)，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警提示并關(guān)停系統(tǒng)。在排風(fēng)系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)的生物密閉閥打開(kāi)之后，依次打開(kāi)排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)，4臺(tái)壓差傳感器開(kāi)始工作，主控系統(tǒng)根據(jù)壓差傳感器采集并反饋的數(shù)值分別控制2臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)量與排風(fēng)風(fēng)量的相對(duì)差值。當(dāng)設(shè)置艙室環(huán)境為正壓狀態(tài)時(shí)，主控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)使送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率高于排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，此時(shí)送風(fēng)風(fēng)量大于排風(fēng)風(fēng)量，艙室內(nèi)部形成正壓環(huán)境，4臺(tái)壓差傳感器采集的數(shù)值為正值；當(dāng)設(shè)置艙室環(huán)境為負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，主控系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)使送風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率低于排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，此時(shí)送風(fēng)風(fēng)量小于排風(fēng)風(fēng)量，艙室內(nèi)部形成負(fù)壓環(huán)境，4臺(tái)壓差傳感器采集的數(shù)值為正值。［8］

圖6 正負(fù)壓控制艙室的壓差控制流程

4 正負(fù)壓控制試驗(yàn)

為驗(yàn)證壓差控制原理的可行性，在已建設(shè)完成的正負(fù)壓控制艙室內(nèi)進(jìn)行正負(fù)壓控制試驗(yàn)，以開(kāi)度表示風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，風(fēng)機(jī)滿頻運(yùn)行時(shí)的開(kāi)度為100%，風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)的運(yùn)行頻率為0。在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定試驗(yàn)條件：空氣環(huán)境試驗(yàn)區(qū)的所有門(mén)都處于關(guān)閉狀態(tài)，半污染區(qū)至污染區(qū)的通風(fēng)裝置全開(kāi)，其余通風(fēng)裝置關(guān)閉；將風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的通風(fēng)量設(shè)置為1 200 m3／h。在送風(fēng)機(jī)的開(kāi)度為60%，排風(fēng)機(jī)的開(kāi)度按梯度規(guī)律變化的情況下，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 送風(fēng)機(jī)的開(kāi)度為60%，排風(fēng)機(jī)的開(kāi)度按梯度規(guī)律變化情況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)排風(fēng)機(jī)的開(kāi)度按由小到大的梯度變化時(shí)，排風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量由小于送風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量變?yōu)榇笥谒惋L(fēng)機(jī)的送風(fēng)量，能表示艙室與外界壓差的DP1的壓差數(shù)值采集結(jié)果由正值變?yōu)樨?fù)值，能表示各功能區(qū)壓差的DP2、DP3和DP4的壓差數(shù)值采集結(jié)果也由正值變?yōu)樨?fù)值，因此可得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)控制送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，可在正負(fù)壓控制艙室內(nèi)形成正壓環(huán)境和負(fù)壓環(huán)境，證明本文提出的正負(fù)壓控制原理是可行的；

2）無(wú)論正負(fù)壓控制艙室內(nèi)的環(huán)境是正壓環(huán)境還是負(fù)壓環(huán)境，各功能區(qū)都可形成壓差梯度；

3）在送風(fēng)機(jī)定頻運(yùn)行、排風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行過(guò)程中，艙室內(nèi)的環(huán)境由正壓環(huán)境變?yōu)榱素?fù)壓環(huán)境，說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)系統(tǒng)與排風(fēng)系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)量差，可實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓控制艙室內(nèi)正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境的切換。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以建立船舶艙室防疫機(jī)制為背景，以根據(jù)現(xiàn)有船舶艙室建造的正負(fù)壓控制艙室為基礎(chǔ)，對(duì)船舶艙室正負(fù)壓控制技術(shù)進(jìn)行研究，提出了正負(fù)壓控制原理并進(jìn)行了正負(fù)壓控制試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)的相對(duì)開(kāi)度，可在正負(fù)壓控制艙室內(nèi)實(shí)現(xiàn)正壓環(huán)境與負(fù)壓環(huán)境的建立和切換，并在各功能區(qū)形成壓差梯度，進(jìn)一步證明了船舶艙室同時(shí)具備正壓防護(hù)和負(fù)壓隔離功能的可行性。由于正負(fù)壓控制艙室內(nèi)可調(diào)節(jié)的單一試驗(yàn)變量較多，如送風(fēng)機(jī)的開(kāi)度、排風(fēng)機(jī)的開(kāi)度、通風(fēng)裝置的開(kāi)度和風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度等，本文開(kāi)展的正負(fù)壓控制試驗(yàn)的內(nèi)容仍有限，例如：并未進(jìn)行2個(gè)及以上試驗(yàn)變量變化的正負(fù)壓控制試驗(yàn)；并未討論艙室內(nèi)部體積和換氣次數(shù)差異對(duì)艙室內(nèi)部壓差的影響；并未討論送風(fēng)風(fēng)量具體值與排風(fēng)風(fēng)量具體值的差值與艙室內(nèi)壓差變化的關(guān)系。可以肯定的是，在后續(xù)試驗(yàn)中還會(huì)積累大量數(shù)據(jù)，所得結(jié)論可供船舶艙室防疫機(jī)制的建立參考。