吳大維，王振強(qiáng)，黃雪平

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇無錫 214431）

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，人類對大洋的開發(fā)和探索不斷深入，各類大型船舶應(yīng)運而生。近年來，船員在海上作業(yè)的時間越來越長，為保證食物的新鮮和飲食的健康，某船安裝了氣調(diào)保鮮裝置。該裝置一方面可通過制造氮氣來降低氧氣含量，另一方面能起到制冷效果，可有效解決蔬果的保鮮問題。然而，該裝置在使用過程中也呈現(xiàn)出一些問題。本文分析氣調(diào)保鮮裝置的安全性并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終確定安全設(shè)計理念和執(zhí)行方案。

1 設(shè)備簡介

根據(jù)某船蔬果貯藏的實際需要，設(shè)計并安裝氣調(diào)保鮮裝置。該裝置將氣調(diào)、冷藏和控制等多種功能進(jìn)行模塊化集成，具有安裝方便、操作簡單、保鮮效果好、自動化程度高、運行穩(wěn)定性好、通用性好，以及可維修性強(qiáng)等優(yōu)點。

按系統(tǒng)功能劃分，氣調(diào)保鮮裝置可分為氣調(diào)系統(tǒng)、冷藏系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

氣調(diào)系統(tǒng)主要功能是精確控制保鮮裝置空氣環(huán)境中的氧氣、二氧化碳和乙烯含量，以及空氣濕度，使其穩(wěn)定處于相應(yīng)的指標(biāo)范圍內(nèi)，以滿足貯藏單元空氣環(huán)境的相關(guān)要求，達(dá)到蔬果貯藏長期冷藏保鮮的作用。氣調(diào)系統(tǒng)在保鮮裝置外部另配有空氣壓縮與膜組分離設(shè)備，為該裝置提供持續(xù)不斷的高純度氮氣。

冷藏系統(tǒng)主要功能是提供一個封閉的貯藏空間，該空間具有良好的氣密性和隔熱性。在裝置內(nèi)部，冷藏系統(tǒng)與氣調(diào)保鮮單元共型設(shè)計，為氣調(diào)保鮮單元提供應(yīng)需的冷源和內(nèi)部通風(fēng)，保證蔬果貯藏具有相對穩(wěn)定且適宜的環(huán)境溫度。在裝置外部，冷藏系統(tǒng)另外配有制冷機(jī)組，利用制冷壓縮機(jī)將制冷劑進(jìn)行壓縮，把制冷劑送入冷凝器。制冷劑的熱量被冷卻水帶走，由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)；然后，液態(tài)制冷劑經(jīng)熱力膨脹閥進(jìn)入蒸發(fā)吸收庫，吸收熱量變成氣態(tài)，再被壓縮機(jī)吸收。如此循環(huán)往復(fù)，可為保鮮庫提供持續(xù)不斷的冷源。

控制系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對裝置內(nèi)空氣環(huán)境指標(biāo)的監(jiān)測分析，并據(jù)此實現(xiàn)對整個系統(tǒng)及參數(shù)的精準(zhǔn)控制。

2 問題描述

在安裝氣調(diào)保鮮裝置后，部分工作人員在蔬果整理作業(yè)過程中有時會產(chǎn)生頭暈、心慌和呼吸困難等不適癥狀，該問題引起了高度重視。

根據(jù)氣調(diào)保鮮裝置工作原理，結(jié)合相應(yīng)艙室空間狹小的特點，認(rèn)定艙室含氧量較低，裝置內(nèi)氣調(diào)保鮮單元空氣環(huán)境含氧量極低是造成上述問題的主要原因。作業(yè)時，工作人員因缺氧出現(xiàn)不同程度的身體不適。

氧氣是我們賴以生存的基本保障。一般海拔條件下空氣中正常氧含量為21%，低氧環(huán)境會對人體造成不同程度的傷害，嚴(yán)重時甚至危及生命。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量健康標(biāo)準(zhǔn)》和相關(guān)事故統(tǒng)計資料，不同空氣含氧量對應(yīng)的癥狀表現(xiàn)見表1。

表1 不同空氣含氧量對應(yīng)的癥狀表現(xiàn)

3 安全分析

3.1 基本布置

氣調(diào)保鮮裝置艙室布置情況見圖1。某船氣調(diào)保鮮艙室尺寸為15 m×7 m×2.7 m（長×寬×高），在艙室內(nèi)均勻放置12個保鮮庫，每個保鮮庫的尺寸為5.4 m×1.8 m×2.2 m（長×寬×高）。

圖1 氣調(diào)保鮮裝置艙室布置圖

3.2 系統(tǒng)分析

根據(jù)分析，缺氧主要是氣調(diào)系統(tǒng)造成的。為保證蔬果保鮮，氣調(diào)系統(tǒng)利用制氮裝置將空氣中的氮氣和氧氣分離，制取得到高濃度氮氣，然后將其充入氣調(diào)保鮮庫進(jìn)行氣體置換，以達(dá)到低氧狀態(tài)。當(dāng)船員進(jìn)入作業(yè)時，若氮氣未及時排除，那么極容易造成安全隱患。

3.3 問題排查

保鮮庫結(jié)構(gòu)封閉，內(nèi)部和外部均無通風(fēng)措施。工作人員在進(jìn)行摘取蔬果作業(yè)時，作業(yè)環(huán)境內(nèi)的氧氣濃度需要由外部機(jī)械來提供。健康指標(biāo)要求規(guī)定：正常情況下，作業(yè)環(huán)境的氧氣含量不得低于 20%；極端情況下，作業(yè)環(huán)境的氧氣含量不得低于 18%。為達(dá)到要求，一方面需要有良好的外部機(jī)械通風(fēng)環(huán)境，另一方面需要在人員作業(yè)時提前打開庫門，保證自然對流強(qiáng)度，以降低庫內(nèi)氮氣含量，提高氧氣含量，進(jìn)而達(dá)到要求。

艙內(nèi)氣調(diào)保鮮裝置布置較為密集，機(jī)械送風(fēng)口和排風(fēng)口數(shù)量較少，且位置離保鮮裝置較遠(yuǎn)。此外，裝置外機(jī)械通風(fēng)對裝置內(nèi)自然對流的改善作用不夠明顯。因此，人員作業(yè)區(qū)的氮氣和氧氣含量距離健康標(biāo)準(zhǔn)相差很遠(yuǎn)。人員作業(yè)時，在艙室和保鮮裝置內(nèi)的關(guān)鍵位置，經(jīng)常會發(fā)生氧氣含量無法保證人員健康要求的情況，極易導(dǎo)致作業(yè)人員身體不適，并造成相應(yīng)形式的人體傷害。艙室和保鮮庫內(nèi)含氧量隨氣調(diào)保鮮裝置運行時間的變化情況見表2。

表2 艙室和保鮮庫內(nèi)含氧量隨氣調(diào)保鮮裝置運行時間的變化情況

4 優(yōu)化設(shè)計

為保證船員能在安全舒適的環(huán)境工作，通過更改艙室布局、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)等方式來改善特殊工位的空氣環(huán)境。

4.1 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

在每個保鮮庫門口增加通風(fēng)，改善通風(fēng)效果。然而，由于保鮮艙室空間狹小、位于船底層、艙室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及風(fēng)口位置特殊等原因，通風(fēng)管路無法鋪設(shè)，故無法達(dá)到設(shè)計要求的效果。

4.2 系統(tǒng)功能改善

可利用高壓空氣瓶將制氮裝置分離出來的氧氣收集起來，并通過銅管分布到每個保鮮庫中。在保鮮庫門上安裝執(zhí)行器，執(zhí)行器在開門瞬間將空氣瓶中的氧氣送入保鮮庫中，在提供船員安全使用的同時，也不會對艙室空氣含氧量造成影響。

為進(jìn)一步加強(qiáng)人員作業(yè)安全，可在保鮮庫安裝氧氣監(jiān)控報警系統(tǒng)，以實時掌握保鮮庫的含氧狀態(tài)。當(dāng)庫門打開時，若含氧量低于安全作業(yè)要求，則監(jiān)控系統(tǒng)觸發(fā)報警提示。待氧氣充注完畢，保鮮庫含氧量達(dá)到正常作業(yè)要求時，報警停止，可正常作業(yè)。

4.3 執(zhí)行方案

當(dāng)氣調(diào)保鮮裝置在正常工作時，制氮裝置制取氮氣充入庫中，使蔬果達(dá)到長期的保鮮效果。在船員進(jìn)行蔬果作業(yè)時，裝置停止，氧氣監(jiān)測報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。同時，空氣瓶中的氧氣迅速充入庫中，用以中和庫中氮氣。3 s后，氧氣監(jiān)測報警系統(tǒng)檢測正常，停止報警，人員正常進(jìn)行蔬果作業(yè)。這樣既能保證船員在舒適安全的環(huán)境下作業(yè)，也能保證蔬果長期保持新鮮，同時也不會對其他艙室的空氣環(huán)境造成影響。

5 結(jié)論

本文闡述了某船最新投入使用的氣調(diào)保鮮裝置的設(shè)備原理，提出并分析了因空氣分離導(dǎo)致的人員缺氧的安全問題，分析了氣調(diào)保鮮裝置的安全性并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終確定了安全執(zhí)行方案。