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(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

柴油機(jī)作為艦船常用動(dòng)力之一，工作時(shí)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(wú)色無(wú)味且有較高毒性的氣體，較低濃度即可能導(dǎo)致人員窒息。各國(guó)針對(duì)艦船艙室CO濃度制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的艦船艙室空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值中，CO的90天容許濃度限值為20 ppm，24 h應(yīng)急容許濃度限值為 50 ppm，1 h 應(yīng)急容許濃度限值為 400 ppm[2]。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)盡量控制艙室CO濃度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

相比建筑等人工室內(nèi)環(huán)境，由于結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)和節(jié)能等方面需要，艦船艙室與外界的通風(fēng)存在各種制約。為保證人員作業(yè)安全，一般要求對(duì)艦船艙室的重要空氣組分進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)或定期巡檢。隨著技術(shù)的進(jìn)步，空氣污染組分監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)日益成熟。但是，由于空間、經(jīng)濟(jì)性和船用條件等制約，艦船艙室一般未配備污染實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或僅配備集中監(jiān)測(cè)設(shè)備并通過(guò)采樣管路對(duì)典型艙室部位進(jìn)行定期巡檢，就地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備配備相對(duì)較少[3 – 4]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)艦船環(huán)境領(lǐng)域的研究中，針對(duì)艙室污染物遷移規(guī)律研究較少，且主要采用集總參數(shù)模擬[5 – 6]，該方法耗時(shí)較少，可用于長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)分析，在對(duì)室內(nèi)污染物含量進(jìn)行初步分析以及了解動(dòng)態(tài)特性時(shí)非常有用[7]。然而集總參數(shù)模擬只適用于單一艙室區(qū)域，無(wú)法分析全船范圍內(nèi)的污染物擴(kuò)散遷移，因此無(wú)法分析事故工況對(duì)全船各艙室環(huán)境的影響等問(wèn)題。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究[8 – 10]，本文以某柴油機(jī)動(dòng)力艦船為研究對(duì)象，結(jié)合文獻(xiàn)給出的工況參數(shù)[8]，利用多區(qū)域模擬軟件CONTAM，模擬多種柴油機(jī)泄漏和排氣吸入工況，以確定各種工況對(duì)艦船艙室大氣的影響，并結(jié)合研究結(jié)果給出艦船艙室CO濃度監(jiān)測(cè)建議。

1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模擬方法

1.1 多區(qū)域模擬數(shù)學(xué)描述

多區(qū)域模擬從宏觀角度進(jìn)行研究，把研究對(duì)象整體看作一個(gè)系統(tǒng)，而其中的每個(gè)艙室作為一個(gè)控制體（或稱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)），各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)各種空氣流通路徑相連，利用質(zhì)量、能量守恒等方程對(duì)艦船內(nèi)的空氣流動(dòng)、壓力分布和污染物傳播情況進(jìn)行研究[11 – 12]。

在對(duì)不同區(qū)域污染物傳播規(guī)律進(jìn)行研究之前，首先應(yīng)獲得各區(qū)域之間的通風(fēng)規(guī)律，多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通風(fēng)模型能夠較好地應(yīng)用于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)之間的通風(fēng)量分析，其所依據(jù)的原理是，根據(jù)各個(gè)通風(fēng)路徑的流量-壓力關(guān)系描述以及各區(qū)域空氣質(zhì)量守恒，從而計(jì)算出不同區(qū)域之間的通風(fēng)量。對(duì)于某一通風(fēng)支路e，連接區(qū)域i和j，定義fi-je為通過(guò)支路e從i到j(luò)的質(zhì)量流量，壓差-流量關(guān)系模型可寫為下式：

對(duì)于不同的通風(fēng)路徑，式（1）有不同的表達(dá)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(tài)中，由于壓力驅(qū)動(dòng)，流入和流出區(qū)域j的空氣流量守恒，如下式：

式中：N為區(qū)域總數(shù)量；Fi-j為從區(qū)域i到區(qū)域j的總風(fēng)量。N個(gè)區(qū)域可列N個(gè)方程，采用牛頓迭代法對(duì)方程組求解，可獲得不同區(qū)域壓力值以及風(fēng)量傳播規(guī)律。

進(jìn)一步，以各區(qū)域之間通風(fēng)量為基礎(chǔ)，根據(jù)單一節(jié)點(diǎn)污染物質(zhì)量守恒規(guī)律，可列出節(jié)點(diǎn)污染物濃度平衡方程，如下式：

式中：a為滲風(fēng)量對(duì)節(jié)點(diǎn)體積的換氣次數(shù); n為送風(fēng)量對(duì)艙室體積的換氣次數(shù); nr為回風(fēng)量對(duì)艙室體積的換氣次數(shù); Ci為 t時(shí)刻艙室內(nèi)污染物濃度; C0為 t時(shí)刻艙室送風(fēng)污染物濃度; P 為污染物穿透系數(shù); t為時(shí)間; V 為艙室體積; Vsource為t時(shí)刻艙室內(nèi)污染物發(fā)生源強(qiáng)度;h為送風(fēng)過(guò)濾效率; hr為回風(fēng)過(guò)濾效率。

1.2 CONTAM介紹

CONTAM是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST,National Institute of Standards and Technology）研發(fā)的多區(qū)域氣流和污染物傳播分析軟件，可以幫助用戶研究：①流場(chǎng)和壓力：如滲透，由機(jī)械通風(fēng)引起的區(qū)間氣流和壓差，作用于建筑物外表面的風(fēng)壓，室內(nèi)外壓差導(dǎo)致的浮力作用；②濃度場(chǎng)：由上述流動(dòng)引起的污染物傳播，化學(xué)元素及放射性化學(xué)元素的反應(yīng)，建筑物材料的吸附、解吸附作用，過(guò)濾，建筑物表面沉積；③個(gè)人暴露：即預(yù)測(cè)建筑物內(nèi)人暴露于污染物中感染的風(fēng)險(xiǎn)概率[14]。從1989年開發(fā)的軟件雛形AIRNET至今，已經(jīng)發(fā)展到3.2版本[15]。

2 研究方法

本文以某艦船為研究對(duì)象，該艦船的柴油機(jī)艙及相鄰艙室配有獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)。其中送風(fēng)機(jī)將外界新風(fēng)分別送入風(fēng)機(jī)室、蓄電池艙和柴油機(jī)艙。柴油機(jī)組從柴油機(jī)艙直接吸入空氣，通過(guò)柴油機(jī)排氣管路將燃燒后的廢氣排出舷外。在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可能由于密封等原因?qū)е屡艢庠诓裼蜋C(jī)艙內(nèi)泄漏，另外排氣排出舷外后，還可能由于風(fēng)向等原因又被送風(fēng)機(jī)吸入艙室，造成艙室污染物濃度升高。

其中柴油機(jī)艙用來(lái)放置柴油機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備，蓄電池艙用來(lái)儲(chǔ)備電力作為全船用電設(shè)備應(yīng)急電源，風(fēng)機(jī)室放置風(fēng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備，生活區(qū)為船員主要活動(dòng)區(qū)域，包含船員工作、生活等功能。

船舶艙室通風(fēng)工況示意圖如圖1所示。

船上未設(shè)置CO凈化裝置，假定：

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

2）CO在傳播過(guò)程中不發(fā)生二次轉(zhuǎn)化反應(yīng)；

3）柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)工況穩(wěn)定，排氣中CO濃度保持恒定；

圖1 柴油機(jī)工作時(shí)艙室通風(fēng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the compartment ventilation during diesel generator working

4）艦船艙室環(huán)境溫度保持恒定。

基于艙室結(jié)構(gòu)及通風(fēng)系統(tǒng)特征，建立艙室CONTAM模型如圖2所示，依據(jù)該船舶設(shè)計(jì)參數(shù)，模型參數(shù)設(shè)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(jì)算結(jié)果

3.1 柴油機(jī)排氣泄漏的影響分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，艦船柴油機(jī)排氣中的CO濃度受柴油機(jī)燃燒狀態(tài)影響，一般在380～1 700 ppm[17]，研究假定柴油機(jī)排氣中CO濃度為600 ppm。為了研究柴油機(jī)排氣泄漏的影響，對(duì)該事故工況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，本文進(jìn)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(zhǎng)速率及艙室平衡濃度。仿真將監(jiān)測(cè)柴油機(jī)組運(yùn)行10 min內(nèi)柴油機(jī)艙CO濃度變化，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同排氣泄漏率下柴油機(jī)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(jī)工作期間，在不同泄漏率工況下，柴油機(jī)艙CO濃度在初始階段急劇升高，之后逐漸達(dá)到平衡濃度。當(dāng)排氣泄漏率超過(guò)4%時(shí)，平衡濃度將超過(guò)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(guò)50 ppm（24 h應(yīng)急容許濃度限值）；如果排氣泄漏率超過(guò)78%，平衡濃度將超過(guò)400 ppm（60 min 應(yīng)急容許濃度限值）。

表2比較了不同泄漏率下超過(guò)容許限值的時(shí)間?？梢钥闯?，極短時(shí)間內(nèi)的排氣泄漏就會(huì)導(dǎo)致超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度限值。

表2 柴油機(jī)艙超過(guò)容許濃度限值所需時(shí)間Tab. 2 Times taken for diesel generator compartment to breach allowable concentration limits

柴油機(jī)排氣泄漏會(huì)對(duì)艙室環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而艙室環(huán)境的監(jiān)測(cè)依賴于艙室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間決定了人員反應(yīng)時(shí)間。然而一般艦船不配備空氣成分監(jiān)測(cè)裝置，少量艦船使用集中大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行空氣成分濃度監(jiān)測(cè)[18 – 19]，通過(guò)多通道采樣和質(zhì)譜儀進(jìn)行分析。該類系統(tǒng)具有較高的精度和較快的響應(yīng)時(shí)間，但檢測(cè)頻次受監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)影響，點(diǎn)數(shù)多時(shí)單個(gè)部位巡檢時(shí)間可能需要數(shù)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(jī)艙內(nèi)安裝可快速響應(yīng)的CO監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)CO實(shí)時(shí)檢測(cè)，在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)警告艙室人員，以便采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

3.2 柴油機(jī)排氣二次吸入的影響分析

在一定的條件下，柴油機(jī)排氣會(huì)通過(guò)送風(fēng)管路吸入艙室。吸入率主要取決于外界風(fēng)向、風(fēng)速和船舶航向。一般而言，船舶會(huì)按照要求保持一定的航向，使排氣遠(yuǎn)離送風(fēng)管進(jìn)風(fēng)口。但在風(fēng)向多變的實(shí)際情況下，并不能排除二次吸入的可能性。

結(jié)合圖1的送風(fēng)工況示意圖，排氣二次吸入時(shí)，將經(jīng)由送風(fēng)系統(tǒng)送至全船各個(gè)艙室。為了評(píng)估排氣二次吸入對(duì)艙室環(huán)境的影響程度，本文模擬了不同吸入率下的艙室通風(fēng)工況。

根據(jù)仿真結(jié)果，不同排氣吸入率下柴油機(jī)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(jī)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(jī)艙的CO濃度迅速達(dá)到平衡濃度的70%左右，并在之后隨著換氣的持續(xù)進(jìn)行逐漸達(dá)到平衡濃度。即使排氣吸入率很低，CO濃度也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)上升到一個(gè)較高的水平。進(jìn)一步驗(yàn)證在柴油機(jī)艙內(nèi)安裝可快速響應(yīng)的CO監(jiān)測(cè)設(shè)備的必要性。

艦船上的生活區(qū)是人員活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域，因此，該區(qū)域的空氣質(zhì)量也需重點(diǎn)關(guān)注。圖5為不同排氣吸入率下生活區(qū)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(shù)降低，CO濃度上升速率相較于柴油機(jī)艙較為緩慢，但最終平衡濃度依然會(huì)達(dá)到送風(fēng)濃度，因此可能會(huì)超過(guò)容許濃度限值。如果排氣吸入量大于4%，將超過(guò)90 d允許濃度限值；如果排氣吸入量大于9%，將超過(guò)24 h容許濃度限值；如果排氣吸入量超過(guò)67%，將超過(guò)1 h應(yīng)急容許濃度限值。

圖5 不同排氣吸入率下生活區(qū)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(fā)生時(shí)，艙室CO濃度升高到容許濃度需要時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，配備定期巡檢類設(shè)備即可滿足監(jiān)測(cè)需求。

此外，合理布置送、排風(fēng)口位置，將會(huì)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(fēng)方式，直接通過(guò)通風(fēng)機(jī)供給柴油機(jī)舷外新風(fēng)，而不是通過(guò)柴油機(jī)艙供給空氣，可以在柴油機(jī)工作時(shí)停止開啟或者間歇啟用艙室通風(fēng)工況，將會(huì)在一定程度上降低排氣二次吸入對(duì)于艙室的污染。

4 結(jié) 語(yǔ)

艦船柴油機(jī)運(yùn)行工程中，無(wú)論是尾氣泄漏至艙內(nèi)，還是經(jīng)由二次吸入進(jìn)入艙內(nèi)，都可能導(dǎo)致艙室CO濃度在短時(shí)間內(nèi)急劇升高到危險(xiǎn)水平。針對(duì)此類工程問(wèn)題，可以利用多區(qū)域模擬仿真分析，對(duì)艙室污染物濃度變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果給出事故預(yù)警，指導(dǎo)凈化系統(tǒng)及通風(fēng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)。該研究方法不僅適用于本文研究對(duì)象，針對(duì)所有采用柴油機(jī)作為動(dòng)力的水面艦船及通氣管狀態(tài)下使用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組給蓄電池充電的潛艇，都是適用的。

同時(shí)結(jié)合分析結(jié)果，建議在艦船柴油機(jī)艙內(nèi)增設(shè)CO濃度監(jiān)測(cè)裝置，以提高船員作業(yè)安全。