大中型艦船柴油機排氣泄漏風險評估和監控需求研究

唐熊輝，陳 亮，余 濤，蘇洪濤

(1. 海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004；2. 武漢第二艦船設計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

柴油機作為艦船常用動力之一，工作時排出的尾氣中含有大量的有害氣體，如NOx，CO2，CH2O，CO以及氣溶膠等[1]。其中，CO是易燃、無色無味且有較高毒性的氣體，較低濃度即可能導致人員窒息。各國針對艦船艙室CO濃度制定了相關標準，如美國相關標準規定的艦船艙室空氣質量標準限值中，CO的90天容許濃度限值為20 ppm，24 h應急容許濃度限值為 50 ppm，1 h 應急容許濃度限值為 400 ppm[2]。實際使用時，應盡量控制艙室CO濃度滿足相關標準限值要求。

相比建筑等人工室內環境，由于結構自身特點和節能等方面需要，艦船艙室與外界的通風存在各種制約。為保證人員作業安全，一般要求對艦船艙室的重要空氣組分進行連續監測或定期巡檢。隨著技術的進步，空氣污染組分監測技術已經日益成熟。但是，由于空間、經濟性和船用條件等制約，艦船艙室一般未配備污染實時監測系統，或僅配備集中監測設備并通過采樣管路對典型艙室部位進行定期巡檢，就地實時監測設備配備相對較少[3 – 4]。

當前國內艦船環境領域的研究中，針對艙室污染物遷移規律研究較少，且主要采用集總參數模擬[5 – 6]，該方法耗時較少，可用于長時間動態分析，在對室內污染物含量進行初步分析以及了解動態特性時非常有用[7]。然而集總參數模擬只適用于單一艙室區域，無法分析全船范圍內的污染物擴散遷移，因此無法分析事故工況對全船各艙室環境的影響等問題。

結合國內外的相關研究[8 – 10]，本文以某柴油機動力艦船為研究對象，結合文獻給出的工況參數[8]，利用多區域模擬軟件CONTAM，模擬多種柴油機泄漏和排氣吸入工況，以確定各種工況對艦船艙室大氣的影響，并結合研究結果給出艦船艙室CO濃度監測建議。

1 多區域網絡模擬方法

1.1 多區域模擬數學描述

多區域模擬從宏觀角度進行研究，把研究對象整體看作一個系統，而其中的每個艙室作為一個控制體（或稱網絡節點），各個網絡節點之間通過各種空氣流通路徑相連，利用質量、能量守恒等方程對艦船內的空氣流動、壓力分布和污染物傳播情況進行研究[11 – 12]。

在對不同區域污染物傳播規律進行研究之前，首先應獲得各區域之間的通風規律，多區域網絡通風模型能夠較好地應用于機械通風系統的節點之間的通風量分析，其所依據的原理是，根據各個通風路徑的流量-壓力關系描述以及各區域空氣質量守恒，從而計算出不同區域之間的通風量。對于某一通風支路e，連接區域i和j，定義fi-je為通過支路e從i到j的質量流量，壓差-流量關系模型可寫為下式：

對于不同的通風路徑，式（1）有不同的表達形式，即不同的支路阻力模型。不考慮空氣可壓縮性，在平衡狀態中，由于壓力驅動，流入和流出區域j的空氣流量守恒，如下式：

式中：N為區域總數量；Fi-j為從區域i到區域j的總風量。N個區域可列N個方程，采用牛頓迭代法對方程組求解，可獲得不同區域壓力值以及風量傳播規律。

進一步，以各區域之間通風量為基礎，根據單一節點污染物質量守恒規律，可列出節點污染物濃度平衡方程，如下式：

式中：a為滲風量對節點體積的換氣次數; n為送風量對艙室體積的換氣次數; nr為回風量對艙室體積的換氣次數; Ci為 t時刻艙室內污染物濃度; C0為 t時刻艙室送風污染物濃度; P 為污染物穿透系數; t為時間; V 為艙室體積; Vsource為t時刻艙室內污染物發生源強度;h為送風過濾效率; hr為回風過濾效率。

1.2 CONTAM介紹

CONTAM是由美國國家標準技術研究院（NIST,National Institute of Standards and Technology）研發的多區域氣流和污染物傳播分析軟件，可以幫助用戶研究：①流場和壓力：如滲透，由機械通風引起的區間氣流和壓差，作用于建筑物外表面的風壓，室內外壓差導致的浮力作用；②濃度場：由上述流動引起的污染物傳播，化學元素及放射性化學元素的反應，建筑物材料的吸附、解吸附作用，過濾，建筑物表面沉積；③個人暴露：即預測建筑物內人暴露于污染物中感染的風險概率[14]。從1989年開發的軟件雛形AIRNET至今，已經發展到3.2版本[15]。

2 研究方法

本文以某艦船為研究對象，該艦船的柴油機艙及相鄰艙室配有獨立通風系統。其中送風機將外界新風分別送入風機室、蓄電池艙和柴油機艙。柴油機組從柴油機艙直接吸入空氣，通過柴油機排氣管路將燃燒后的廢氣排出舷外。在柴油機運行過程中，可能由于密封等原因導致排氣在柴油機艙內泄漏，另外排氣排出舷外后，還可能由于風向等原因又被送風機吸入艙室，造成艙室污染物濃度升高。

其中柴油機艙用來放置柴油機及相關配套設備，蓄電池艙用來儲備電力作為全船用電設備應急電源，風機室放置風機及相關設備，生活區為船員主要活動區域，包含船員工作、生活等功能。

船舶艙室通風工況示意圖如圖1所示。

船上未設置CO凈化裝置，假定：

1）艙室及外界環境初始CO濃度為0，除了排氣泄漏或二次吸入導致的CO濃度增加外，艙室不存在其他CO散發源；

2）CO在傳播過程中不發生二次轉化反應；

3）柴油機運行時工況穩定，排氣中CO濃度保持恒定；

圖1 柴油機工作時艙室通風示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the compartment ventilation during diesel generator working

4）艦船艙室環境溫度保持恒定。

基于艙室結構及通風系統特征，建立艙室CONTAM模型如圖2所示，依據該船舶設計參數，模型參數設置如表1所示。

圖2 船舶艙室 CONTAM 模型Fig. 2 CONTAM model diagram of the ship

3 計算結果

3.1 柴油機排氣泄漏的影響分析

根據相關文獻，艦船柴油機排氣中的CO濃度受柴油機燃燒狀態影響，一般在380～1 700 ppm[17]，研究假定柴油機排氣中CO濃度為600 ppm。為了研究柴油機排氣泄漏的影響，對該事故工況進行風險評估，本文進行一系列仿真分析（泄漏率從2%～100%），以確定不同排氣泄漏率下的CO濃度增長速率及艙室平衡濃度。仿真將監測柴油機組運行10 min內柴油機艙CO濃度變化，計算結果如圖3所示。

圖3 不同排氣泄漏率下柴油機艙CO濃度變化曲線Fig. 3 Variation curve of CO concentration in diesel generatorcompartment under different exhaust leakage rate

可以看出，柴油機工作期間，在不同泄漏率工況下，柴油機艙CO濃度在初始階段急劇升高，之后逐漸達到平衡濃度。當排氣泄漏率超過4%時，平衡濃度將超過20 ppm（90 d容許濃度限值）；如果泄漏率大于9%，平衡濃度將超過50 ppm（24 h應急容許濃度限值）；如果排氣泄漏率超過78%，平衡濃度將超過400 ppm（60 min 應急容許濃度限值）。

表2比較了不同泄漏率下超過容許限值的時間。可以看出，極短時間內的排氣泄漏就會導致超過標準規定的濃度限值。

表2 柴油機艙超過容許濃度限值所需時間Tab. 2 Times taken for diesel generator compartment to breach allowable concentration limits

柴油機排氣泄漏會對艙室環境產生嚴重影響，而艙室環境的監測依賴于艙室環境監測系統，監測系統的響應時間決定了人員反應時間。然而一般艦船不配備空氣成分監測裝置，少量艦船使用集中大氣監測系統進行空氣成分濃度監測[18 – 19]，通過多通道采樣和質譜儀進行分析。該類系統具有較高的精度和較快的響應時間，但檢測頻次受監測點數影響，點數多時單個部位巡檢時間可能需要數十分鐘，與CO濃度上升速率匹配性較差。因此，為了保障人員健康，建議在船舶柴油機艙內安裝可快速響應的CO監測設備，實現CO實時檢測，在事故發生時及時警告艙室人員，以便采取相關應對措施。

3.2 柴油機排氣二次吸入的影響分析

在一定的條件下，柴油機排氣會通過送風管路吸入艙室。吸入率主要取決于外界風向、風速和船舶航向。一般而言，船舶會按照要求保持一定的航向，使排氣遠離送風管進風口。但在風向多變的實際情況下，并不能排除二次吸入的可能性。

結合圖1的送風工況示意圖，排氣二次吸入時，將經由送風系統送至全船各個艙室。為了評估排氣二次吸入對艙室環境的影響程度，本文模擬了不同吸入率下的艙室通風工況。

根據仿真結果，不同排氣吸入率下柴油機艙CO濃度變化曲線如圖4所示。

圖4 不同排氣吸入率下柴油機艙CO濃度變化曲線Fig. 4 Variation curve of CO concentration in diesel generator compartment under different exhaust intake rate

可以看出，在不同的排氣吸入率下，柴油機艙的CO濃度迅速達到平衡濃度的70%左右，并在之后隨著換氣的持續進行逐漸達到平衡濃度。即使排氣吸入率很低，CO濃度也會在短時間內上升到一個較高的水平。進一步驗證在柴油機艙內安裝可快速響應的CO監測設備的必要性。

艦船上的生活區是人員活動的關鍵區域，因此，該區域的空氣質量也需重點關注。圖5為不同排氣吸入率下生活區CO濃度變化曲線。

如圖所示，在相同排氣吸入率下，由于換氣次數降低，CO濃度上升速率相較于柴油機艙較為緩慢，但最終平衡濃度依然會達到送風濃度，因此可能會超過容許濃度限值。如果排氣吸入量大于4%，將超過90 d允許濃度限值；如果排氣吸入量大于9%，將超過24 h容許濃度限值；如果排氣吸入量超過67%，將超過1 h應急容許濃度限值。

圖5 不同排氣吸入率下生活區CO濃度變化曲線Fig. 5 Variation curve of CO concentration in living compartments under different exhaust intake rate

由表3可知，在二次吸入發生時，艙室CO濃度升高到容許濃度需要時間相對較長，配備定期巡檢類設備即可滿足監測需求。

此外，合理布置送、排風口位置，將會降低二次吸入率，在一定程度上減小二次吸入的影響；若改變通風方式，直接通過通風機供給柴油機舷外新風，而不是通過柴油機艙供給空氣，可以在柴油機工作時停止開啟或者間歇啟用艙室通風工況，將會在一定程度上降低排氣二次吸入對于艙室的污染。

4 結 語

艦船柴油機運行工程中，無論是尾氣泄漏至艙內，還是經由二次吸入進入艙內，都可能導致艙室CO濃度在短時間內急劇升高到危險水平。針對此類工程問題，可以利用多區域模擬仿真分析，對艙室污染物濃度變化趨勢進行預測，并結合預測結果給出事故預警，指導凈化系統及通風管網設計。該研究方法不僅適用于本文研究對象，針對所有采用柴油機作為動力的水面艦船及通氣管狀態下使用柴油機發電機組給蓄電池充電的潛艇，都是適用的。

同時結合分析結果，建議在艦船柴油機艙內增設CO濃度監測裝置，以提高船員作業安全。