張曉紅,周祎隆,杜學(xué)軍

(1.中國船舶與海洋設(shè)計研究院，上海 200011；2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

管弄位于船舶底部中間位置，為從船頭到船尾的一段狹長空間。當(dāng)集裝箱船的動力系統(tǒng)采用雙燃料時，輪機(jī)專業(yè)的壓載總管、艙底總管、燃油駁運(yùn)總管，以及雙燃料的燃?xì)夤┙o總管布置在里面，同時電氣專業(yè)的部分傳感器、照明、插座等也安裝在里面。由于雙燃料處所為危險區(qū)域，根據(jù)危險區(qū)域劃分原則，與之相鄰的管弄應(yīng)屬于擴(kuò)大危險區(qū)域，管弄里的輪機(jī)閥門和電氣設(shè)備等需按照相應(yīng)的防爆等級來配置，增加了船東和船廠的建造成本。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，超大型集裝箱船的需求飛速增加；隨著國際社會對環(huán)保的要求越來越高，雙燃料動力系統(tǒng)船舶逐步成為主流[1-3，7-8]。超大型集裝箱船管弄尺寸大，輪機(jī)專業(yè)的雙燃料系統(tǒng)設(shè)備和電氣專業(yè)設(shè)備多，通過合理的管弄通風(fēng)設(shè)計和電氣控制設(shè)計將管弄定義為安全區(qū)域具有非常重要的意義。

1 規(guī)范要求

1.1 UI-SC79

規(guī)范中提出，當(dāng)裝載閃點(diǎn)低于23 ℃的危險品，如種類3、6.1等，封閉處所如管弄、艙底泵間等滿足6次/h的連續(xù)換氣次數(shù)時可不作為擴(kuò)大危險區(qū)域，同時其他重要設(shè)備須與風(fēng)機(jī)連鎖，當(dāng)管弄風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時，關(guān)閉設(shè)備，并提供聲光報警[1]。

1.2 IEC60092-506

IEC60092-506第7節(jié)描述，可通過如下方式將與危險處所相鄰的管弄定義為安全區(qū)域[2]。

1)當(dāng)管弄與外界連接的裝置，如門、艙口蓋等關(guān)閉時，管弄與相鄰區(qū)域始終保持不小于25 Pa的正壓。

2)提供正壓監(jiān)測系統(tǒng)。

3)在門或者其他開口設(shè)備處提供開啟報警。

4)當(dāng)管弄失壓時，需要提供聲光報警并能夠迅速恢復(fù)系統(tǒng)正壓，當(dāng)正壓系統(tǒng)在一定時間內(nèi)不能恢復(fù)或者危險氣體聚積到一定濃度時應(yīng)能夠切斷電力系統(tǒng)。

2 管弄通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

在23 000 TEU集裝箱船中，管弄位于從91～368肋位的船中位置，船寬方向有4個箱位的空間；在艏部的第一貨艙底處，寬度方向往船中收縮為一個箱位。管弄全長265.5 m，體積10 150 m3，按換氣次數(shù)6次計算，總風(fēng)量為61 000 m3/h。

2.1 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)的核心設(shè)備，雖然管弄定義為安全區(qū)域，但由于緊鄰雙燃料系統(tǒng)艙室等危險區(qū)域，當(dāng)風(fēng)機(jī)剛剛啟動時，管弄屬于潛在的危險區(qū)，從安全的角度考慮，風(fēng)機(jī)通常選取為防爆風(fēng)機(jī)，防爆等級與相鄰的危險區(qū)域處所等級保持一致，具體參考DNV.GL中chapter21節(jié)[3]要求。

在之前的項目中，管弄風(fēng)機(jī)通常直接安裝在管弄里。23 000 TEU船的管弄所需風(fēng)量大，相應(yīng)風(fēng)機(jī)尺寸大、重量大，若安裝在管弄里，維修極其不便。為此，設(shè)計時進(jìn)行優(yōu)化：將風(fēng)機(jī)移出管弄，安裝在貨艙主要的安裝維修平臺二甲板處。貨艙二甲板寬度為1 950 mm，船東要求進(jìn)出貨艙主通道的寬度不小于700 mm，結(jié)構(gòu)支撐尺寸250 mm,風(fēng)量61 000 m3/h的風(fēng)機(jī)外徑約1 200 mm，無法安裝，本船根據(jù)管弄長度方向的尺寸，配置多臺風(fēng)機(jī)，詳細(xì)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量計算見表1。

為滿足SC79規(guī)范持續(xù)通風(fēng)的要求，每根送風(fēng)管路的配置風(fēng)機(jī)2臺，二者并聯(lián)在送風(fēng)管路中，互為100%備用，當(dāng)其中1臺風(fēng)機(jī)失效時另1臺風(fēng)機(jī)立即啟動，很大程度上對于船員日常維修、更換也更為方便。為防止風(fēng)機(jī)出現(xiàn)組內(nèi)循環(huán)，在每臺風(fēng)機(jī)所在的管路配置1個電動風(fēng)閘用以控制該條管路的開閉，見圖1。

圖1 23 000 TEU船管弄通風(fēng)布置

2.2 管弄通風(fēng)末端

由于管弄的結(jié)構(gòu)鋼壁支撐通常凸出在管弄內(nèi)表面，為降低施工難度，通風(fēng)末端通常在風(fēng)管對應(yīng)的位置、避開管弄頂部的主要結(jié)構(gòu)件開小孔，然后直接安裝不銹鋼絲網(wǎng)格柵，排風(fēng)管采用類似做法，見圖2a)。由于管弄水平方向呈狹長狀，這種設(shè)計方式的送風(fēng)氣流從格柵處豎直向下，到達(dá)管弄下底后再反彈向管弄頂流動，如此循環(huán)，氣流組織混亂，極大的影響管弄的通風(fēng)效果。23 000 TEU船對此作出優(yōu)化，依托結(jié)構(gòu)件在風(fēng)管末端設(shè)計1個掛頂?shù)撵o壓箱，再在靜壓箱的首尾2個方向設(shè)置送風(fēng)格柵。這種方式的施工難度相較第一種方式略大一些，但送風(fēng)氣流與管弄長度方向水平，主風(fēng)管的氣流經(jīng)過管弄頂部小孔截面到達(dá)靜壓箱的損失(漸擴(kuò))相較直接開小孔加格柵要小(突擴(kuò))，對整個通風(fēng)系統(tǒng)是有利的。

圖2 送風(fēng)末端安裝示意

通風(fēng)系統(tǒng)與外界相連的末端可為百葉窗或者風(fēng)帽。當(dāng)通風(fēng)末端在首尾位置、緊鄰著樓梯間等鋼壁時，可依托結(jié)構(gòu)件設(shè)計成百葉窗型式；當(dāng)末端位于貨艙中間位置時，通常采用風(fēng)帽型式，與貨艙通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)帽一起布置在綁扎橋下方，通過打開綁扎橋第一層平臺處的活動蓋板來操作風(fēng)帽。23 000 TEU船的管弄通風(fēng)末端位于貨艙區(qū)域，因而采用的是風(fēng)帽。在設(shè)計風(fēng)帽時，提前與舾裝專業(yè)配合，將風(fēng)帽與綁扎橋平臺合二為一，頂部作為綁扎橋平臺的一部分，操作把手放置在欄桿附近，操作維修風(fēng)帽更為方便，見圖3。

圖3 風(fēng)帽與綁扎橋配合布置

2.3 管弄通風(fēng)風(fēng)管

現(xiàn)有集裝箱船風(fēng)管設(shè)計方案主要有1送1排和1送2排2種。1送1排的風(fēng)管布置方式主要用于裝箱數(shù)約5 000 TEU的集裝箱船，這類集裝箱船體型小、管弄尺寸小，通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管可設(shè)計成艏部進(jìn)風(fēng)/艉部排風(fēng)或者艏部排風(fēng)/艉部進(jìn)風(fēng)型式。1送2排的風(fēng)管布置方式主要用于裝箱數(shù)在13 000 TEU左右的集裝箱船，這類船的管弄體積相較小箱船略大，寬度方向有3個箱位的寬度，長度方向約8個貨艙，當(dāng)采用1送1排的方式時通風(fēng)系統(tǒng)氣流管路長，故改用管弄中間送風(fēng)、艏艉排風(fēng)方式。

23 000 TEU船的管弄長度方向約11個貨艙，艏艉1送1排的風(fēng)管布置方式不再適用；由于管弄送風(fēng)風(fēng)量大，選用1臺風(fēng)機(jī)時風(fēng)機(jī)尺寸大，結(jié)構(gòu)開孔無法實現(xiàn)，因而1送2排的風(fēng)管布置方式也不適合。該船在設(shè)計時采用一種新的風(fēng)管布置方式：根據(jù)管弄長度將通風(fēng)區(qū)域分為6個體積相對均勻的部分(由于第三、五貨艙為燃油艙，不能布置管弄風(fēng)管，因而靠艏的部分體積略大于其余部分)，每相鄰的2部分設(shè)計成中間送風(fēng)/艏艉排風(fēng)方式，總共3路送風(fēng)管/4路排風(fēng)管交錯布置，如圖1所示。送風(fēng)機(jī)安裝在貨艙二甲板處，2路風(fēng)管并聯(lián)，在二甲板下方采用靜壓箱代替風(fēng)管連接，一方面可以避免風(fēng)管與貨艙梯干涉，另一方面能減小并聯(lián)管路中的彎管引起的管路阻力損失；風(fēng)帽位于主甲板綁扎橋第一層平臺處，與貨艙通風(fēng)風(fēng)帽排列一致。這種風(fēng)管布置方式雖然增加了風(fēng)管數(shù)量，但降低了系統(tǒng)壓降，減小了風(fēng)機(jī)的靜壓，對管弄的整體通風(fēng)效果有利。由于管弄與貨艙之間是水密分割，為保證貨艙密性的完整性，管弄通風(fēng)管采用10 mm厚的不銹鋼管，穿過貨艙的每層甲板處開大孔焊接。

2.4 系統(tǒng)CFD計算

雙燃料系統(tǒng)管路的閥等設(shè)備要求附近有充分的氣體流動，在完成詳細(xì)設(shè)計后，對管弄進(jìn)行流場分析，采用計算軟件FLUENT，模型忽略結(jié)構(gòu)件的影響，管路尺寸及初始邊界條件見表2，管弄CFD模型見圖4。

表2 管弄通風(fēng)系統(tǒng)計算參數(shù)表

圖4 管弄CFD物理模型

該計算采用雙方程模型，計算收斂后分別截取Z=0.5 m/1.8 m/2.5 m方向的截面(沿管弄的高度方向)分析管弄內(nèi)氣流的分布情況,速度云圖如見圖5。由于考核的是管弄內(nèi)是否存在氣流死角，當(dāng)速度范圍大時，圖形顯示不利于觀測，故僅考慮速度為0～2 m/s的云圖情況。

圖5 管弄Z=0.5 m/1.8 m/2.5 m平面速度云圖

由圖5可見，優(yōu)化設(shè)計后的管弄?dú)怏w整體流動性好，在艏部FR348往前處出現(xiàn)了氣流死角，此處由于與貨艙有安全艙室隔離，當(dāng)安全門開啟時可視為局部自然通風(fēng)。由于送風(fēng)管布置在左舷，氣流左舷相對右舷流動性好，因而在布置設(shè)備時可將重要設(shè)備往左舷布置。此外，在風(fēng)口對應(yīng)的右舷位置和艏部T型角落處氣流存在死角情況，布置設(shè)備時需要避開。

3 管弄電氣設(shè)計方案

為保證管弄正壓，電氣控制設(shè)計與通風(fēng)設(shè)計密不可分。在通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)按照一用一備配置，為實現(xiàn)持續(xù)通風(fēng)，電氣控制系統(tǒng)需要作出相應(yīng)的設(shè)計：當(dāng)其中一臺風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時，立即關(guān)閉該風(fēng)機(jī)，并關(guān)閉該風(fēng)機(jī)所在管路的電動風(fēng)閘，同時啟動備用風(fēng)機(jī)管路的風(fēng)閘，當(dāng)備用管路風(fēng)閘開啟后再自動啟動備用風(fēng)機(jī)。與此同時，故障風(fēng)機(jī)的報警也將傳輸至監(jiān)測報警系統(tǒng)，通過延伸報警板將報警信號送至相關(guān)船員值守處所。

根據(jù)前述規(guī)范的要求，在配備有2組管弄風(fēng)機(jī)之后，為確保電氣設(shè)備工作安全可靠，還需要將管弄風(fēng)機(jī)與管弄區(qū)域內(nèi)電氣設(shè)備運(yùn)行聯(lián)鎖的設(shè)計，該船具體設(shè)計方案如下。

當(dāng)使用管弄區(qū)域電液遙控閥、液位傳感器和照明等設(shè)備時，這些設(shè)備的電力分電箱將向管弄風(fēng)機(jī)啟動器發(fā)出問詢信號，自動檢測其中1組管弄風(fēng)機(jī)是否正常運(yùn)行；當(dāng)1組管弄風(fēng)機(jī)已經(jīng)正常運(yùn)行后，閉鎖自檢信號，并在艏和艉管弄出風(fēng)口各設(shè)置1個壓差傳感器用于實時檢測管弄區(qū)域的壓力值，當(dāng)壓差傳感器檢測到管弄區(qū)域的正壓不能滿足規(guī)范要求的大于25 Pa時，壓差傳感器立即送出故障報警至監(jiān)測報警系統(tǒng)，此系統(tǒng)在駕駛室、集控室和全船延伸報警板區(qū)域發(fā)出聲光報警，船員接收到報警信號后，根據(jù)設(shè)置在集控室和管弄入口處的管弄風(fēng)機(jī)故障聯(lián)鎖操作流程警示銘牌，手動切除電液遙控閥、液位傳感器、照明等設(shè)備電源開關(guān)。

4 結(jié)論

通過合適的通風(fēng)設(shè)計和電氣控制設(shè)計將管弄定義為安全區(qū)域能提高船舶處所的安全性、減少危險氣體擴(kuò)散、降低建造成本，意義重大。超大型集裝箱船的管弄空間大，雙燃料設(shè)備對氣流組織要求嚴(yán)格，管弄通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計、末端風(fēng)口布置、風(fēng)帽安裝方式和風(fēng)管布置均需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。管弄通風(fēng)風(fēng)機(jī)通常設(shè)計成一用一備的型式、送風(fēng)口布置應(yīng)保證管弄?dú)饬黜槙场⒛┒孙L(fēng)帽應(yīng)保證操作維修方便、風(fēng)管需根據(jù)管弄尺寸和結(jié)構(gòu)情況靈活設(shè)計，同時電氣控制系統(tǒng)要滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。在實船交付使用時，管弄里面布置了大量設(shè)備，經(jīng)驗證，通風(fēng)效果能夠滿足各項需求。