陸瑞陽 張化南

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

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某型船鎖氣室通風(fēng)量設(shè)計(jì)研究

陸瑞陽 張化南

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］文章通過模型試驗(yàn)結(jié)合工程分析的方法，提出一套對(duì)鎖氣室風(fēng)量設(shè)計(jì)優(yōu)化選擇的流程。建立1∶1的鎖氣室模型，對(duì)不同風(fēng)量下污染物變化情況進(jìn)行試驗(yàn)，初步獲得各風(fēng)量下濃度變化情況。在試驗(yàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際情況，從造價(jià)因素、安裝因素和人員流動(dòng)三個(gè)方面進(jìn)行分析，選擇實(shí)船適用的風(fēng)量。

［關(guān)鍵詞］鎖氣室；污染物；實(shí)船設(shè)計(jì)

張化南（1980-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶空調(diào)。

引 言

鎖氣室是潔凈區(qū)域與外界污染的過渡地帶，是潔凈區(qū)域的進(jìn)出口，承擔(dān)著人員流通與污染物隔離的任務(wù)。鎖氣室是一個(gè)小的雙門隔艙，內(nèi)門開向加壓區(qū)，外門開向未加壓區(qū)。為保證進(jìn)出加壓區(qū)不損失加壓狀態(tài)，同一時(shí)間只可開一個(gè)門。鎖氣室利用潔凈正壓區(qū)過來的空氣進(jìn)行吹氣，吹除開門時(shí)可能進(jìn)入的污染物。

人員從污染區(qū)域進(jìn)入鎖氣室，關(guān)閉外門進(jìn)行吹氣，當(dāng)污染物降低到安全濃度以下時(shí)，可以打開內(nèi)門進(jìn)入潔凈區(qū)域。對(duì)一個(gè)鎖氣室而言，需要實(shí)現(xiàn)維持正壓和快速排出污染物的目標(biāo)，選擇合適的風(fēng)量是關(guān)鍵。由于鎖氣室的設(shè)計(jì)沒有系統(tǒng)性的規(guī)范文件，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)各方面進(jìn)行綜合考慮以獲得合理的解決方案。

本文通過建立1 ： 1的鎖氣室模型，比較不同風(fēng)量情況下，人員進(jìn)出時(shí)鎖氣室內(nèi)污染物濃度變化情況。下面對(duì)試驗(yàn)的內(nèi)容和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1　鎖氣室結(jié)構(gòu)與測(cè)試設(shè)備

鎖氣室殼體的構(gòu)成材料為厚度4 mm的A3鐵板，殼體內(nèi)壁面天花板鋪設(shè)80 mm厚絕熱材料，側(cè)壁面鋪設(shè)40 mm厚絕熱材料，絕熱材料采用礦物棉板，鋪設(shè)絕熱材料后內(nèi)部空間尺寸為：1 200 mm×1 200 mm×2 400 mm。鎖氣室試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。根據(jù)測(cè)試要求，需要對(duì)測(cè)試鎖氣室內(nèi)的溫度、風(fēng)速、壓力以及污染物濃度等參數(shù)進(jìn)行采集，所需測(cè)試設(shè)備如表1所示。

圖1　鎖氣室試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

表1　鎖氣室測(cè)試設(shè)備

2　試驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1開門過程污染物濃度變化規(guī)律

開門過程模擬的是人員進(jìn)出時(shí)，外界污染氣體進(jìn)入鎖氣室，以及在鎖氣室內(nèi)進(jìn)行排除的情況。通過監(jiān)測(cè)鎖氣室內(nèi)污染物濃度的變化，得出鎖氣室在不同風(fēng)量下的污染物排除效果。根據(jù)之前的資料查閱和研究結(jié)果，確定本次試驗(yàn)鎖氣室風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量分別為100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h四種，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)鎖氣室內(nèi)相對(duì)壓力為250 Pa。人員進(jìn)入的類型分為單人進(jìn)入和雙人進(jìn)入兩種。

2.1.2保壓過程污染物濃度變化規(guī)律

保壓過程模擬的是當(dāng)污染物已經(jīng)進(jìn)入艙室的情況下，維持艙內(nèi)相對(duì)壓力處于某一特定壓力，在不同的送風(fēng)量情況下，監(jiān)測(cè)污染物排出的效率。試驗(yàn)中采用的模擬污染物濃度分別為1 000×10-6和2 000×10-6，風(fēng)機(jī)送風(fēng)量分別為100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h。通過監(jiān)測(cè)保壓過程中鎖氣室內(nèi)污染物濃度變化情況，觀察污染物排除至安全區(qū)域所需要的時(shí)間。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1開門過程污染物濃度變化

圖2　各風(fēng)量下單人出艙試驗(yàn)艙內(nèi)顆粒濃度變化曲線

開門過程中，煙霧探測(cè)器實(shí)時(shí)記錄艙內(nèi)污染物濃度情況，獲得污染物濃度變化曲線。圖2顯示四種風(fēng)量下，單人出艙試驗(yàn)艙內(nèi)顆粒濃度變化。經(jīng)多組測(cè)試，各工況下不同風(fēng)量的污染物最高濃度見表2。 根據(jù)測(cè)試得到數(shù)據(jù)，可由式（1）求得進(jìn)入艙室內(nèi)的污染空氣體積，計(jì)算結(jié)果見表3，各工況下污染物體積差異如圖3所示。

表2　不同工況下艙內(nèi)污染物最高濃度

表3　各工況下進(jìn)入艙室內(nèi)污染空氣體積

圖3　各工況下進(jìn)入艙室內(nèi)污染空氣體積

式中：Cmax為艙內(nèi)最大顆粒濃度；C0為艙內(nèi)初始顆粒濃度；C外為艙外顆粒濃度；V艙為艙內(nèi)體積。

2.2.2保壓過程污染物濃度變化

通過煙霧探測(cè)器實(shí)時(shí)記錄艙內(nèi)污染物濃度情況，獲得污染物濃度變化曲線。污染物用CO2進(jìn)行模擬，艙內(nèi)CO2初始濃度分別為1 000×10-6和2 000×10-6。如圖4所示為各風(fēng)量下，1 000×10-6CO2污染物濃度變化曲線圖。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過130 s左右時(shí)間，艙室內(nèi)的污染物濃度達(dá)到穩(wěn)定水平。經(jīng)過多組測(cè)試，不同風(fēng)量排除污染物所需時(shí)間如表4所示。取均值后，各風(fēng)量下排除污染物所需時(shí)間如圖5所示。

圖4　1 000×10-6CO2污染物濃度變化曲線圖

表4　各種風(fēng)量下排除污染物所需時(shí)間

圖5　各風(fēng)量下排除污染物所需時(shí)間

3　試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）相同風(fēng)量時(shí)，單人開門和雙人開門情況下，進(jìn)入鎖氣室內(nèi)的顆粒物濃度稍有增加，但增加程度有限，考慮效率時(shí)可以采用雙人進(jìn)入模式。

（2）進(jìn)入鎖氣室的顆粒物濃度峰值隨著鎖氣室風(fēng)量的增大而減小，進(jìn)入鎖氣室的污染空氣體積的規(guī)律與其一致。

（3）風(fēng)量越大對(duì)污染物排除越有利，時(shí)間在30 s ～3 min之間。污染物濃度增加一倍時(shí)，所需的凈化時(shí)間增量在20%～70%之間。

從結(jié)論可以分析，當(dāng)風(fēng)量越大時(shí)，對(duì)鎖氣室內(nèi)部的污染物控制越有利，因此在選擇鎖氣室風(fēng)量時(shí)，在滿足實(shí)際條件約束下應(yīng)盡量提高鎖氣室風(fēng)量。

3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)因素分析與風(fēng)量選擇

在設(shè)計(jì)工作中，試驗(yàn)的結(jié)果作為設(shè)計(jì)的一個(gè)依據(jù)，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行合理化取舍和設(shè)計(jì)，從而獲得比較可行的方案。在本項(xiàng)目的鎖氣室設(shè)計(jì)中，選擇采用風(fēng)量時(shí)考慮造價(jià)因素、安裝因素、人員流動(dòng)等三個(gè)方面。

3.2.1造價(jià)因素

當(dāng)選擇風(fēng)量增大時(shí)，所需要的配套設(shè)備均需擴(kuò)大，在涉及的設(shè)備中，空氣過濾單元的造價(jià)占整個(gè)系統(tǒng)的比例最大。常見的空氣過濾單元結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要包括風(fēng)機(jī)、過濾裝置、加熱裝置等。其中過濾裝置包括微粒過濾、碳過濾和氣溶膠過濾裝置，構(gòu)造較為復(fù)雜，隨著風(fēng)量的增加造價(jià)增長(zhǎng)顯著，導(dǎo)致設(shè)備成本顯著增加。因此在滿足任務(wù)要求的前提下應(yīng)盡量減小風(fēng)量，限制造價(jià)。

圖6　空氣過濾單元結(jié)構(gòu)

3.2.2安裝因素

鎖氣室中對(duì)安裝條件要求較高的設(shè)備為壓差控制閥。如圖7所示，壓差控制閥通過多個(gè)螺栓安裝在垂直壁面上，外部采用格柵防止風(fēng)雨，壓差控制閥的上下都需要預(yù)留安裝空間。鎖氣室通常位于走廊末端，留給壓差控制閥的空間比較有限，因此需要控制設(shè)備的尺寸保證順利安裝。從圖1可以看出，鎖氣室門口上方安裝空間相當(dāng)有限。針對(duì)試驗(yàn)鎖氣室模型，艙室氣密門尺寸為1 860 mm×750 mm，氣密門上部剩余空間為500 mm，考慮頂部預(yù)留的安裝空間，選用的壓差控制閥尺寸應(yīng)小于350 mm。壓差控制閥風(fēng)量調(diào)節(jié)的方法有以下兩種。

圖7　壓差控制閥安裝方式

（1）通過改變閥內(nèi)的彈簧型號(hào)，調(diào)整工作時(shí)閥門開度來調(diào)整風(fēng)量；

（2）當(dāng)風(fēng)量增量較多，改變彈簧型號(hào)無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要增加整個(gè)閥門尺寸保證風(fēng)量。根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，風(fēng)量在100～500 m3/h范圍內(nèi)時(shí)，壓差控制閥的直徑尺寸310 mm，通過改變彈簧型號(hào)調(diào)整風(fēng)量；當(dāng)風(fēng)量達(dá)到1 000 m3/h及以上時(shí)，壓差控制閥直徑增加，不利于安裝工作。

3.2.3人員流動(dòng)

外部人員進(jìn)入鎖氣室時(shí)會(huì)帶入污染氣體，鎖氣室的吹氣過程需要一定的時(shí)間，當(dāng)外部人員不多時(shí)，能夠按照設(shè)計(jì)工況正常進(jìn)入。當(dāng)外部人員數(shù)量增加，超過鎖氣室的處理能力時(shí)，剩余人員會(huì)在鎖氣室外形成擁堵。針對(duì)這種情況，在承載大量人員流動(dòng)的主要通道末端，鎖氣室的性能要求應(yīng)該高于其他地方的鎖氣室，加大鎖氣室的送風(fēng)量，減少吹氣時(shí)間和建壓時(shí)間，加快處理能力，以緩解擁堵現(xiàn)象。另外，根據(jù)鎖氣室后續(xù)工序的要求，鎖氣室處理能力應(yīng)與后續(xù)工序的處理能力相匹配，鎖氣室能力過大、過小都會(huì)在不同的地方造成擁堵，因此考慮人員流動(dòng)時(shí)宜采用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的風(fēng)量。

以2 000×10-6污染物濃度為例，100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h的風(fēng)量下清除污染物的時(shí)間分別為168 s、123 s、53 s、31 s。根據(jù)實(shí)船的人員進(jìn)入情況進(jìn)行分析，當(dāng)外界人員進(jìn)入較多時(shí)，采用的風(fēng)量越多，有利于減少排污時(shí)間，加速外界人員進(jìn)入鎖氣室。另外，考慮后續(xù)工序時(shí)間，實(shí)船鎖氣室的后續(xù)工序平均時(shí)間為128.9 s，這段時(shí)間為人員在鎖氣室中需要等待的必須時(shí)間。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鎖氣室采用200 m3/h風(fēng)量清除污染物所需時(shí)間與后續(xù)工序時(shí)間相近，當(dāng)風(fēng)量小于200 m3/h時(shí)，后續(xù)工序容易形成空轉(zhuǎn)；當(dāng)風(fēng)量大于200 m3/h時(shí)，人員容易在鎖氣室中形成滯留。因此鑒于本船的實(shí)際情況，200 m3/h的風(fēng)量較為合適。

3.2.4風(fēng)量選擇

綜合上述幾方面的分析，對(duì)于實(shí)船設(shè)計(jì)情況而言，在不同因素的考量下，各風(fēng)量的表現(xiàn)差別較大。如以污染物控制角度而言，風(fēng)量越大越好；從造價(jià)及安裝空間而言，風(fēng)量小更有利。采用1-4四個(gè)級(jí)別來大致評(píng)價(jià)各因素下不同風(fēng)量的適宜程度，1為最好、4為最差，結(jié)果如表5所示。

表5　各因素不同風(fēng)量的適宜程度

4　結(jié) 論

本文經(jīng)過鎖氣室模型試驗(yàn)，比較了不同風(fēng)量情況下鎖氣室的運(yùn)行情況。針對(duì)實(shí)船設(shè)計(jì)情況，本文探討了合理風(fēng)量選擇的思路，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合考慮污染控制、造價(jià)、安裝和人員疏散四方面因素，提出針對(duì)本船綜合最優(yōu)的鎖氣室風(fēng)量確定方案，作為后續(xù)鎖氣室實(shí)船設(shè)計(jì)流程的參考。

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On design of ventilation for ship's airlock room

LU Rui-yang ZHANG Hua-nan
（Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China）

Abstract：A procedure for the optimization design of the ventilation for an airlock room is proposed based on the model experiments combined with engineering analysis. A full scale model of an airlock room is built to monitor the contamination under different airflow rates， resulting in the different variation of concentration. Based on the experimental results， the appropriate airflow rate for a full scale ship is determined by the analysis of the cost of construction， installation and people mobility combined with the engineering practice.

Keywords：airlock； contamination； engineering design

［中圖分類號(hào)］U664.86

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2016）03-0067-06

［收稿日期］2016-02-18

［作者簡(jiǎn)介］陸瑞陽（1989-），男，助理工程師，研究方向：船舶空調(diào)。