章葉川，冷文軍，余 濤,2，趙俊濤，施紅旗，蘇洪濤

(1. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430205；2. 北京航空航天大學(xué)，北京 100083)

0 引 言

船舶系統(tǒng)存在著大量的機(jī)械設(shè)備，如主機(jī)系統(tǒng)、汽輪機(jī)、水泵等設(shè)備，需要應(yīng)用機(jī)油對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑、冷卻和調(diào)速。在高溫環(huán)境和高速旋轉(zhuǎn)工況下，機(jī)油會(huì)釋放出大量的油氣，在船舶狹小的機(jī)艙內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)艙內(nèi)的空氣品質(zhì)[1]。隨著船舶設(shè)計(jì)、建造和使用水平的不斷提高，對(duì)船舶機(jī)艙的油氣污染控制提出了更高的要求，需要對(duì)機(jī)艙的油氣釋放特性和凈化方法進(jìn)行深入研究[2–3]。

近年來(lái)，我國(guó)的研究人員針對(duì)船舶機(jī)艙的油氣污染開(kāi)展了一些研究工作，如組織了機(jī)艙空氣組分定性定量實(shí)測(cè)[1–2]，研究了船舶汽輪機(jī)油揮發(fā)物的組成特征[3]，分析了油氣污染的傳播特性[4]等。但是，針對(duì)機(jī)艙內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備在運(yùn)行時(shí)釋放油氣的特性研究相對(duì)較為薄弱，尤其是對(duì)不同運(yùn)行工況下，油氣釋放速率變化規(guī)律的研究。

船舶機(jī)艙中的油氣主要是以氣溶膠形式存在，本文采用環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，對(duì)某船主機(jī)艙空氣中油氣濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析不同轉(zhuǎn)速工況下的艙室環(huán)境油氣濃度變化規(guī)律，再根據(jù)艙室油氣質(zhì)量平衡方程和凈化系統(tǒng)配置，推算主機(jī)的油氣釋放速率，研究不同轉(zhuǎn)速工況下的油氣釋放速率。

1 研究方法

1.1 測(cè)量原理

由于船舶機(jī)艙內(nèi)存在著相應(yīng)的空氣凈化裝置和通風(fēng)管，其氣溶膠監(jiān)測(cè)儀所測(cè)定的油氣濃度是油氣釋放、二次反應(yīng)、凈化和通風(fēng)等因素共同作用后的油氣濃度，假定系統(tǒng)運(yùn)行期間，機(jī)艙油氣呈均勻分布狀態(tài)，艙室污染控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。

圖 1 船舶機(jī)艙油氣控制簡(jiǎn)化模型Fig. 1 Simplified model of oil and gas control in ship engine room

圖中，C0為外界大氣污染物濃度，mg/m3；C（t）為t 時(shí)刻艙室污染物濃度，mg/m3；V 為艙室空氣凈容積，m3；Q 為送風(fēng)（排風(fēng)）風(fēng)量，m3/h；M 為給定工況下艙室污染源單位體積釋放強(qiáng)度，m g/h/m3；CADR 為凈化設(shè)備潔凈空氣量，m3/h。

機(jī)艙油氣濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2 所示，當(dāng)主齒輪機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，油氣釋放強(qiáng)度恒定，整個(gè)機(jī)艙油氣濃度會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)；在油氣的釋放過(guò)程中，各粒徑范圍內(nèi)的油氣濃度保持穩(wěn)定，說(shuō)明油氣在機(jī)艙中并不發(fā)生二次反應(yīng)和轉(zhuǎn)化。

圖 2 船舶主機(jī)艙油氣實(shí)測(cè)濃度分布Fig. 2 Oil and gas measured concentration distribution in the main engine compartment of the ship

據(jù)上述推論和船舶機(jī)艙環(huán)境實(shí)際特點(diǎn)，可對(duì)油氣控制模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：1）機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，油氣釋放強(qiáng)度恒定；2）除設(shè)備凈化和通風(fēng)排出外，不發(fā)生二次反應(yīng)、轉(zhuǎn)化；3）艙室內(nèi)的油氣分布均勻；4）外界大氣為潔凈大氣，即C0=0。根據(jù)質(zhì)量守恒，艙室油氣濃度變化量等于釋放量減去消除量，可得集總參數(shù)模型：

對(duì)微分方程積分后得到：

當(dāng)艙室處于通風(fēng)工況時(shí)，機(jī)械設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)保持

工況不變，此時(shí)平衡濃度C、油氣釋放強(qiáng)度M 分別為：

故在通風(fēng)工況下，根據(jù)通風(fēng)風(fēng)量、凈化設(shè)備潔凈空氣量和機(jī)艙污染物平衡濃度，可得到主齒輪機(jī)組的油氣釋放速率。

1.2 測(cè)量方法

本文以交付船東使用1 年后的某型船主機(jī)艙室為研究對(duì)象，該主機(jī)艙內(nèi)的主齒輪機(jī)組是艙室內(nèi)唯一的油氣釋放源。風(fēng)機(jī)盤管送排風(fēng)口位于艙室內(nèi)且分布均勻，在通風(fēng)工況下，僅用于該艙室的降溫除濕，盤管內(nèi)不含空氣凈化模塊，但是可以保證艙室的油氣擴(kuò)散處于均勻狀態(tài)，艙室內(nèi)的新風(fēng)系統(tǒng)在通風(fēng)工況下打開(kāi)，其凈化風(fēng)量為3 000 m3/h。

為獲取艙室油氣釋放速率，船舶在穩(wěn)定狀態(tài)下正常航行，主齒輪機(jī)組的輸出轉(zhuǎn)速依次穩(wěn)定在75/110/145/170/200 r/min，艙室通風(fēng)處于受控狀態(tài)，應(yīng)用氣溶膠監(jiān)測(cè)儀不間斷監(jiān)測(cè)主機(jī)艙室的油氣濃度實(shí)時(shí)變化。應(yīng)用TSI8533 型氣溶膠檢測(cè)儀對(duì)油氣濃度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，如圖3 所示，該監(jiān)測(cè)儀由數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)和光散射激光光度計(jì)組成，可以給出實(shí)時(shí)的油氣濃度讀數(shù)，可同時(shí)測(cè)量和顯示多個(gè)粒徑的油氣質(zhì)量濃度和計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。

圖 3 TSI8533 型氣溶膠監(jiān)測(cè)儀Fig. 3 TSI8533 aerosol monitor

2 結(jié)果及分析

2.1 機(jī)艙油氣釋放速率

由實(shí)際船舶設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)顯示，該型船的主機(jī)艙艙容體積為500 m3，其綜合凈化風(fēng)量Q+CADR=3 000 m3/h。測(cè)試期間，艙室內(nèi)空氣的溫度為25 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為50%±5%，壓力為102.9 kPa。根據(jù)1.1 節(jié)的測(cè)量原理可知，當(dāng)主機(jī)處于穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，可根據(jù)公式（4）計(jì)算主齒輪機(jī)組的油氣釋放速率。試驗(yàn)中依次提高主機(jī)轉(zhuǎn)速，分別在75/110/145/170/200 r/min 轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定航行，對(duì)各轉(zhuǎn)速下的油氣平衡計(jì)重濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到5 種轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的油氣釋放速率，如表1 所示。

表 1 油氣釋放速率Tab. 1 Oil and gas release rate

將不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的油氣釋放速率代入集總參數(shù)模型式（2），可得機(jī)艙油氣濃度在連續(xù)變工況下的油氣濃度實(shí)時(shí)變化規(guī)律，與實(shí)際氣溶膠監(jiān)測(cè)儀測(cè)量的油氣濃度對(duì)比，如圖4 所示?？梢钥闯?，實(shí)時(shí)油氣濃度監(jiān)測(cè)值與集總參數(shù)模型預(yù)測(cè)值的偏差在10%以內(nèi)，說(shuō)明根據(jù)船舶主機(jī)艙的油氣釋放特性和環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)用集總參數(shù)控制模型能較為準(zhǔn)確地計(jì)算主齒輪機(jī)組的實(shí)際油氣釋放速率，對(duì)機(jī)艙油氣實(shí)時(shí)濃度進(jìn)行很好的預(yù)測(cè)。

圖 4 油氣釋放速率曲線圖Fig. 4 Oil and gas release rate curve

2.2 機(jī)艙油氣釋放速率的影響因素

帶有滑油潤(rùn)滑的旋轉(zhuǎn)機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的油氣，這些油氣主要是來(lái)自于高溫蒸發(fā)、離心力作用和氣液轉(zhuǎn)化，Gunter 和Sutherland[5]對(duì)機(jī)械車削機(jī)床的油氣釋放進(jìn)行過(guò)研究，其研究表明轉(zhuǎn)速是影響油氣產(chǎn)生的主要因素。本文在試驗(yàn)期間，其主齒輪機(jī)組溫度和環(huán)境參數(shù)基本保持不變，通過(guò)測(cè)試得到不同穩(wěn)定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的油氣釋放速率，如圖5 所示，其擬合曲線表明，油氣的釋放速率與主齒輪機(jī)組輸出轉(zhuǎn)速的平方成正比，從理論上分析可知，油氣的釋放是主機(jī)內(nèi)滑油隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)微小液態(tài)油滴所需向心力大于油的粘性力時(shí)，就會(huì)被甩出進(jìn)行形成各種粒徑的液態(tài)氣溶膠，由向心力公式F=m（2πN）2r（m 為油滴質(zhì)量；N 為轉(zhuǎn)速；r 為旋轉(zhuǎn)半徑）可知，向心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，隨著轉(zhuǎn)速增加，向心力不斷增加，被甩出的油滴數(shù)量也就會(huì)相應(yīng)增加，因此油氣的釋放速率與轉(zhuǎn)速的平方成正比關(guān)系是有一定的理論依據(jù)的。

圖 5 轉(zhuǎn)速與油氣釋放速率的關(guān)系Fig. 5 Relationship between rotational speed and oil and gas release rate

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)船舶機(jī)艙主齒輪機(jī)組的油氣釋放特性和環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)用艙室環(huán)境集總參數(shù)控制模型和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下的油氣平衡濃度實(shí)際監(jiān)測(cè)值，計(jì)算得到了某典型船舶主齒輪機(jī)組在穩(wěn)定工況下的油氣釋放速率，并通過(guò)對(duì)比得到集總參數(shù)模型對(duì)連續(xù)變工況下的機(jī)艙油氣濃度預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的偏差在10%以內(nèi)，說(shuō)明該方法計(jì)算得到的油氣釋放速率和機(jī)艙油氣在連續(xù)變工況下的預(yù)測(cè)值相對(duì)準(zhǔn)確可靠。同時(shí)，初步發(fā)現(xiàn)并分析了主齒輪機(jī)組油氣釋放速率與輸出轉(zhuǎn)速的平方成正比例關(guān)系。以上內(nèi)容對(duì)船舶油氣凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和污染控制具有一定的指導(dǎo)意義，下一步將結(jié)合機(jī)械設(shè)備的幾何特性、運(yùn)行工況，進(jìn)一步研究類似旋轉(zhuǎn)機(jī)的油氣發(fā)生機(jī)理。