2 500 TEU 冰區(qū)集裝箱船邊壓載艙空氣吹泡 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與吹泡試驗(yàn)

陳育喜，金炳光，張曉軍

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

世界冰區(qū)主要分布在南北極附近水域，主要 的航行區(qū)域包括波羅的海、北極水域、鄂霍次克 海等。隨著經(jīng)濟(jì)貿(mào)易的繁榮，冰區(qū)航行的船舶數(shù) 量日益增多，船舶冰級(jí)設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)[1,2]。冰區(qū)航行的船舶處在低溫環(huán)境中，邊壓載艙內(nèi)需要采取有效的防凍措施[2]，否則艙內(nèi)位于最低冰面以上的壓載艙水面會(huì)整體結(jié)冰[3]，導(dǎo)致壓載泵會(huì)抽真空而無法正常起動(dòng)，影響船舶的操作和性能。而底壓載艙通常低于最低冰面，因此防凍可以不做考慮。

目前邊壓載艙防凍的方法有：蒸汽加熱和壓縮空氣吹泡[4]。

1）蒸汽加熱系統(tǒng)。由船上鍋爐提供蒸汽，需要增大鍋爐的蒸發(fā)量。邊壓載艙采用蒸汽加熱時(shí)，加熱管路需要持續(xù)供應(yīng)蒸汽，否則蒸汽管路將會(huì)凝水或結(jié)冰；由于邊壓載艙數(shù)量多，艙容大，勢(shì)必會(huì)極大地增大鍋爐的蒸發(fā)能力。

2）壓縮空氣吹泡系統(tǒng)。具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、耗能少的特點(diǎn)。根據(jù)規(guī)范要求，邊壓載防凍僅需確保邊壓載艙最低結(jié)冰水面（LIWL）以上的海水表面不結(jié)冰[3]，因此空氣吹泡系統(tǒng)適用于邊壓載艙防凍，且該系統(tǒng)只有在邊壓載艙水面LIWL 以上時(shí)才需要開啟，系統(tǒng)工作時(shí)間與蒸汽系統(tǒng)相比較短，耗能也比蒸汽系統(tǒng)少。

1 主要參數(shù)

2 500 TEU 冰區(qū)集裝箱船的主要參數(shù)如下。

1）主尺度：195 m×32.2 m×17 m（總長(zhǎng)×型寬×型深）。

2）船級(jí)：DNV GL。

3）防凍符號(hào)：DNV GL WINTERIZATION BASIC(SECTION 6 of TENTATIVE RULES FOR WINTERIZATION)[3]。

4）設(shè)計(jì)環(huán)境溫度：?10 ℃

5）設(shè)計(jì)最低海水溫度：?2 ℃

2 規(guī)范對(duì)于壓載艙防凍的要求

WINTERIZATION BASIC 船級(jí)符號(hào)對(duì)壓載艙防凍提出如下要求：

1）功能要求。在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，確保船舶安全壓載水能夠進(jìn)行加載、排載和調(diào)撥操作，防止壓載艙水面結(jié)冰。

2）壓載艙防凍措施。對(duì)于有Winterized Basic船級(jí)符號(hào)的船舶，當(dāng)艙室部分位于LIWL 以上時(shí)，采用空氣吹泡系統(tǒng)，或垂直蒸汽加熱盤管，能夠保持在冰面有一個(gè)足夠大的開孔即可。

根據(jù)以上分析，首選空氣吹泡防凍系統(tǒng)用于壓載艙的水面防凍。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)（優(yōu)化前）

3.1 吹泡壓縮空氣原理圖（優(yōu)化前）

吹泡壓縮空氣系統(tǒng)包括1 臺(tái)吹泡空壓機(jī)（排量為200 m3/h；工作壓力為0.8 MPa，壓力為0.5 MPa時(shí)啟動(dòng)，壓力為0.8 MPa 時(shí)停止），1 臺(tái)空氣干燥器、1 個(gè)吹泡空氣瓶（體積為1 m3）、2 套減壓閥組（進(jìn)口工作壓力0.8 MPa，出口工作壓力0.2 MPa）、安全閥（起跳壓力0.22 MPa）及總管（DN50）組成，將壓縮空氣（工作壓力≤0.2 MPa）輸送到各艙室?？偣芘c主空氣系統(tǒng)也有一路DN40 的管路連接，ALV15 常閉，僅作為吹泡空壓機(jī)故障時(shí)備用。如圖1 所示。

圖1 吹泡壓縮空氣原理圖（優(yōu)化前）

為了延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用時(shí)間，通常需配備容量夠大的空氣瓶，以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)起停。根據(jù)空壓機(jī)的規(guī)格書要求，在空壓機(jī)自動(dòng)起停的操作中，為保護(hù)空壓機(jī)，空氣瓶壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，空壓機(jī)先卸載，再空載運(yùn)行120 s。同時(shí)，空壓機(jī)的頻繁啟停對(duì)其電子器件產(chǎn)生危害，空壓機(jī)廠家（Sauer SC31）推薦1 h 內(nèi)最大起停次數(shù)不超過5 次，即起停間隔不小于12 min。空壓機(jī)的起停由機(jī)器自帶的壓力傳感器控制，由于空氣瓶進(jìn)口有1 個(gè)止回閥，當(dāng)空壓機(jī)壓力為0.8 MPa 停機(jī)時(shí)，空氣瓶的實(shí)際壓力只有0.75 MPa。

3.2 吹泡壓縮空氣原理圖（優(yōu)化前）

到各個(gè)艙室的管路系統(tǒng)一路支管（DN25），由截止閥和延伸到各艙室距艙底200 mm的盤管組成，盤管每隔500 mm開1個(gè)直徑為3 mm的孔，由于間隔距離小，每個(gè)艙室的開孔數(shù)量少則幾十個(gè)，多則約200個(gè)。如圖2所示。

圖2 吹泡管艙室布置原理圖（優(yōu)化前）

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題

3.3.1 壓載條件

首次報(bào)驗(yàn)邊壓載艙壓載條件如表1 所示。

表1 首次報(bào)驗(yàn)壓載艙壓載條件

續(xù)表1：

3.3.2 吹泡結(jié)果

1）試驗(yàn)1（僅開啟吹泡空壓機(jī)）。開啟到每個(gè)壓載艙的吹泡支管，起動(dòng)吹泡空壓機(jī)，空氣瓶充滿后（壓力為0.75 MPa，此時(shí)空壓機(jī)壓力傳感器為0.8 MPa），開啟吹泡總管截止閥，在總管截止閥開啟后，短時(shí)間內(nèi)（不超過3 s）空壓機(jī)壓力下降到0.5 MPa 以下，吹泡空壓機(jī)起動(dòng)后一直工作，無法實(shí)現(xiàn)起停功能。見表2。

2）試驗(yàn)2（接入主空氣系統(tǒng)，并連接吹泡空壓機(jī)）。開啟每個(gè)壓載艙的吹泡支管，起動(dòng)吹泡空壓機(jī)，空氣瓶充滿后（壓力0.8 MPa，此時(shí)空壓機(jī)壓力傳感器的壓力為0.8 MPa），開啟主空氣瓶到吹泡系統(tǒng)截止閥，并開啟吹泡總管截止閥，在總管截止閥開啟后，主空氣瓶壓力下降，3 臺(tái)主空壓機(jī)（每臺(tái)排量為180 m3/h）依次啟動(dòng)，最后吹泡空壓機(jī)也起動(dòng)，壓力下降到0.5 MPa 左右后，壓力穩(wěn)定。見表3。

表2 試驗(yàn)1 吹泡結(jié)果

3.3.3 原因分析

1）空壓機(jī)的排量和空氣瓶的容量太小。吹泡空壓機(jī)的排量與吹泡所需額定空氣量一致，沒有余量則無法實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)的自動(dòng)起停?？諝馄咳莘e僅為1 m3（最大壓力0.75 MPa），而吹泡管路容積為5 m3～6 m3（自由空氣量），吹泡總管閥門第一次開啟時(shí)，空壓機(jī)停止到起動(dòng)的空氣量?jī)H為4 m3（自由空氣量）。由此，導(dǎo)致總閥的開啟瞬間，空氣瓶被瞬時(shí)泄壓，空壓機(jī)馬上起動(dòng)，而空壓機(jī)排量和吹泡系統(tǒng)耗氣速度相同，吹泡工作時(shí)無法將空氣瓶充滿。

2）各壓載艙背壓差別較大。試驗(yàn)1 表明，背壓大的艙無空氣吹泡會(huì)少量空氣吹泡，背壓大的吹泡空氣量較大，超過額定吹泡空氣量要求，導(dǎo)致空氣量分配不均。

表3 吹泡結(jié)果（接入主空氣系統(tǒng)、起動(dòng)吹泡空壓機(jī)）

3）總管和各艙支管的背壓小于計(jì)算額定背壓要求，導(dǎo)致進(jìn)艙空氣流速過快。計(jì)算是基于0.2 MPa的艙內(nèi)背壓，然而實(shí)際壓載艙的背壓最大也就0.1 MPa 左右，需要安裝流量調(diào)節(jié)閥或節(jié)流孔板進(jìn)行空氣流量調(diào)節(jié)，以控制到各邊壓載艙的支管的背壓加上沿程阻力相同，使每個(gè)艙室均能正常吹泡。

4）吹泡盤管只有靠近總管處才有吹泡空氣排出。試驗(yàn)1 中只有靠近總管處的人孔有空氣吹出，而離總管較遠(yuǎn)的人孔，沒有空氣吹出的，所以只能在總管處才能看到明顯的吹泡效果。

4 吹泡系統(tǒng)原理圖（優(yōu)化后）

4.1 吹泡壓縮空氣原理圖（優(yōu)化后）

針對(duì)系統(tǒng)中存在的問題，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的圖紙見圖3。

圖3 吹泡壓縮空氣原理圖（優(yōu)化后）

4.1.1 優(yōu)化的目的 空壓機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停，控制總管的空氣流量，保證每路總管背壓約0.2 MPa。

4.1.2 優(yōu)化點(diǎn)

1）空壓機(jī)1 臺(tái)，排量由200 m3增大為300 m3，起動(dòng)壓力值從0.5 MPa 變更為0.3 MPa。

2）空氣瓶由1 個(gè)1 m3優(yōu)化為2 個(gè)2 m3。

3）增加了ALV09/ALV13 流量調(diào)節(jié)閥。

4.1.3 優(yōu)化原因

1）所選空壓機(jī)排量太小，通過增大空壓機(jī)，達(dá)到約40%的余量；

2）所選空氣瓶容量太小，通過增大空壓機(jī)排量，使空壓機(jī)起停間隔時(shí)間不小于12 min/次。

3）通過增加流量調(diào)節(jié)閥，通過控制吹泡總管的流速，進(jìn)而控制總吹泡空氣耗量盡可能接近額定計(jì)算值。增加流量調(diào)節(jié)閥，控制總管背壓，使總管的空氣流速接近于20 m/s，將總管流速控制在吹泡的額定流速范圍內(nèi)。流量調(diào)節(jié)閥一旦調(diào)節(jié)好后需鎖定，如圖4所示。

圖4 流量調(diào)節(jié)閥的鎖定

4.2.1 系統(tǒng)優(yōu)化的目的

優(yōu)化的目的即控制每個(gè)艙的背壓，增加吹泡管數(shù)量（每個(gè)艙由1根增加為2根），調(diào)整吹泡管的位置盡量靠近人孔位置，增加吹泡系統(tǒng)的冗余度，與透氣管一一對(duì)應(yīng)，可提高系統(tǒng)安全性，同時(shí)方便系統(tǒng)報(bào)驗(yàn)；取消艙底吹泡盤管，降低系統(tǒng)成本。

4.2.2 優(yōu)化點(diǎn)

1）增加到各艙支路增加節(jié)流孔板，開孔大小根據(jù)試驗(yàn)確定；

2）各艙支路的支管由1路改成2路（每個(gè)壓載艙有兩根透氣管），同時(shí)調(diào)整吹泡位置盡量靠近人孔位置；

3）艙底的盤管取消，管子最低點(diǎn)距艙底高度從200 mm，提高到500 mm。

4.2 吹泡管艙室布置原理圖（優(yōu)化后）

吹泡管艙室布置原理如圖5 所示。

圖5 吹泡管艙室布置原理圖（優(yōu)化后）

4.2.3 優(yōu)化原因

1）吹泡時(shí)，邊壓載艙的水位最高約11 m，背壓遠(yuǎn)小于0.2 MPa。如若沒有節(jié)流孔板調(diào)節(jié)流量，流速遠(yuǎn)大于20 m/s的計(jì)算流速會(huì)導(dǎo)致空氣瓶初期速度過快，使得空壓機(jī)無法實(shí)現(xiàn)起停；同時(shí)，如果沒有節(jié)流孔板，離總管遠(yuǎn)的位置空氣壓力將遠(yuǎn)低于離總管近的位置，從而導(dǎo)致離總管遠(yuǎn)的艙室吹泡失敗。

2）根據(jù)船級(jí)社規(guī)范要求，每個(gè)艙室需布置的吹泡管數(shù)量不少于1根。優(yōu)化后每個(gè)艙室布置2根吹泡管，布置在透氣管附近并一一對(duì)應(yīng)，保證艙室不會(huì)超壓，提高了系統(tǒng)的冗余性。此外，考慮到船碼頭處于試驗(yàn)階段，該系統(tǒng)報(bào)驗(yàn)方便，將吹泡管布置在盡量靠近人孔的位置，便于觀察。由于吹泡管經(jīng)過2道以上橫縱蕩艙壁時(shí)的吹泡效果很難觀察，因此管子距離人孔不能超過2道橫縱蕩艙壁。

3）由于盤管內(nèi)的氣壓隨著壓縮空氣釋放泄壓，加上管路的沿程阻力及壓載艙水面背壓的影響，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)只有靠近總管的孔有空氣吹出，所以可取消盤管。抬高管子距離艙底的位置（200 mm提高為500 mm）不會(huì)影響吹泡效果，且可以防止壓載艙底部的污泥堵塞管路。

5 理論計(jì)算

5.1 空壓機(jī)排量

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，防冰的單位空氣耗量為Vt＝5 L/(m2·min)。

防冰所需總耗氣量見（1）

式中：A1, A2, A3, …, An為各壓載艙水面面積，m2；a 為耗氣量裕度，a＝20%，考慮壓縮空氣的泄漏，以及壓載艙從艏部到艉部的不均勻分配等。

根據(jù)式（1），可以計(jì)算各壓載艙空氣耗量及整船空氣總耗量，詳見表4 為壓載艙吹泡空氣量計(jì)算書。

其中，空壓機(jī)的最小排量為190.7 m3/h（C1＝0.424 m3/h@0.75 MPa）。由此可知，與選定的初始排量要求200 m3/h相比，幾乎沒有余量，因而空壓機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)正常起停。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化參數(shù)初步選取空壓機(jī)和空氣瓶的參數(shù)，見表5設(shè)備參數(shù)（優(yōu)化）。

表4 壓載艙吹泡空氣量計(jì)算書

表5 設(shè)備參數(shù)（優(yōu)化后）

5.2 空壓機(jī)啟停時(shí)間的驗(yàn)證

1）空壓機(jī)和空氣瓶的壓力設(shè)置

優(yōu)化后的空壓機(jī)和空氣瓶壓力設(shè)置參數(shù)如表6所示。

表6 空壓機(jī)和空氣瓶的壓力設(shè)置（優(yōu)化后）

2）空壓機(jī)停止到起動(dòng)期間，空氣瓶的空氣釋放量見式（2）

式中：V＝2.67 m3@0.75 MPa

3）空壓機(jī)起動(dòng)到停止時(shí)間

4）空壓機(jī)停止到起動(dòng)時(shí)間

5）空壓機(jī)起停周期

由此可見，目前的設(shè)備配置滿足設(shè)計(jì)要求。

5.3 壓縮空氣管徑的選取

壓縮空氣鋼管內(nèi)流速：20 m/s[6]（由輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)表7.2.1.1 可知）

壓縮空氣管的內(nèi)徑見式（6）

式中：di為管子內(nèi)徑，m；qv為體積流量，m3/h；V 為管內(nèi)流體流速，m/h。

根據(jù)式（6）計(jì)算后確定：

1）空氣瓶到各邊壓載艙總管，其管徑型號(hào)為DN50。

2）到各邊壓載艙支管，管徑型號(hào)為DN25；分為2路，每路管徑型號(hào)為DN15。

6 系統(tǒng)的調(diào)試

以上系統(tǒng)問題均是在系統(tǒng)初次報(bào)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。由于設(shè)備訂貨周期長(zhǎng)且目前船上布置已經(jīng)較為艱難，因此設(shè)計(jì)優(yōu)化僅供理論討論。現(xiàn)有項(xiàng)目系統(tǒng)試驗(yàn)的優(yōu)化只增加各艙室支管增加節(jié)流孔板，不完美之處在于所有艙同時(shí)吹泡時(shí)，空壓機(jī)需要連續(xù)工作，無法實(shí)現(xiàn)起停。

6.1 試驗(yàn)條件

6.1.1 試驗(yàn)位置

1）試航開始或結(jié)束后在錨地進(jìn)行。此處試驗(yàn)位置最佳，但觀察吹泡效果通常需要將壓載艙頂部艙室的人孔蓋打開，危險(xiǎn)性很大。

2）在碼頭進(jìn)行。此處試驗(yàn)位置較佳，但由于碼頭水質(zhì)較差，為了確保吹泡效果的觀察，需要通過壓載泵調(diào)節(jié)壓載艙的壓載水。

為了保證人員的安全性，縮短試航周期，船廠最后選定試航后在碼頭進(jìn)行吹泡系統(tǒng)試驗(yàn)。

6.1.2 試驗(yàn)水位高度

1）由于吹泡管布置在艙底位置，為了確保實(shí)際吹泡效果，試驗(yàn)水位高度不低于從上部人孔便于直接觀察到的水位。

2）盡量接近船舶冰區(qū)運(yùn)行時(shí)裝載條件最惡劣的壓載工況。

3）考慮船舶的穩(wěn)定要求，尾傾適中，防止螺旋槳觸底。

根據(jù)以上3點(diǎn)原則，最終確定了試驗(yàn)水位高度，詳見表7。

6.2 試驗(yàn)程序

具體試驗(yàn)程序流程圖如圖6 所示。

圖6 吹泡試驗(yàn)流程

7 試驗(yàn)結(jié)果

1）各艙室通過各邊壓載艙的上部人孔，可以明顯觀察到吹泡效果良好，但空壓機(jī)無法實(shí)現(xiàn)起停功能。

2）節(jié)流孔板的孔徑大小見表8。

表7 試驗(yàn)水位高

表8 節(jié)流孔板大小

8 結(jié)論

本文對(duì)2 500 TEU集裝箱船空氣吹泡系統(tǒng)中吹泡效果不好，空壓機(jī)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停的原因進(jìn)行了分析，給出了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的優(yōu)化方案。

1）設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。

（1）空壓機(jī)排量從1×200 m3/h 優(yōu)化為1×300 m3/h；

（2）空氣瓶由1×1 m3優(yōu)化為2×2 m3。

（3）總管增加流量調(diào)節(jié)閥，各支管增加節(jié)流孔板。

2）試驗(yàn)的優(yōu)化方案

基于現(xiàn)有的系統(tǒng)，在設(shè)備不做任何改動(dòng)條件下，對(duì)管路進(jìn)行了小改，每路管路增加節(jié)流孔板，并通過試驗(yàn)確定節(jié)流孔板的開孔大小，各壓載艙吹泡系統(tǒng)良好；但不足的地方是空壓機(jī)無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起停。

吹泡空氣系統(tǒng)，由于計(jì)算都是經(jīng)驗(yàn)性的，最終的效果只能通過實(shí)際觀察吹泡效果確定，因此在前期詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，空壓機(jī)的排量和空氣瓶的容積一定要考慮足夠的余量，同時(shí)前期生產(chǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)艙管路的布置一定要考慮試驗(yàn)觀察的需要，才能真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相對(duì)完美。