800客客箱船安全报警系统设计特点

2018-02-18李琳陈立

船舶设计通讯 2018年2期

李琳陈立

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

近年来，随着世界各地建造的客船项目日益增多，客船的规模不断增大，载客量不断增多，船舶自身安全及其船上人员安全问题就显得更加重要。船舶安全报警系统，作为保障船舶自身及船上人员安全的重要系统，其安全性与可靠性是设计的重点和核心。

2006年8月，海上安全委员会（MSC）通过MSC.216（82）决议，对SOLAS II-1章和II-2章部分条款进行了修改，新增了“安全返港、安全中心”等内容，并规定2010年7月1日或以后建造的客船必须满足相应要求。相关规范的升级，对客船安全报警系统的设计带来了直接影响。

1 船舶概述

800客客箱船是由渤海国际轮渡（香港）有限公司委托上海船舶研究设计院设计、黄海造船有限公司建造的一型客箱船，主要运营于中韩航线，入籍中国船级社。船舶前部设3个货舱，具有462 TEU的集装箱装载能力；全船有约245个居住舱室，能容纳船员及旅客共881人。因此，该船既需要满足保障人命生命安全的要求，又需要满足保障货物的需求。同时，船舶总长约183 m，共有4个主竖区，根据相关规范，该船被界定为客船，其安全报警系统的设计需要满足SOLAS安全返港及安全中心的要求。

2 客船安全报警系统设计特点

客船安全报警系统主要包括公共广播及通用报警、电话、二氧化碳释放报警、机舱报警灯柱、病房冷库呼叫报警、水密门开闭指示等系统。其中公共广播及通用报警、二氧化碳释放报警、水密门开闭指示等系统涉及安全返港要求，在设计时应确保系统内单一故障不能影响系统其他部分正常运行。因此，提高相关系统的安全性、可靠性同时兼顾经济性、实用性是相关系统设计时的重点和难点。

2.1 公共广播及通用报警系统设计

船用通用报警系统常用来发出船上的紧急报警信号，而公共广播系统通常用作播放音乐、播报信息的媒介。目前大部分船舶采用公共广播系统兼做通用报警系统的设计方式，在紧急情况下，公共广播喇叭也可作为通用报警系统的发生装置，向全船发送紧急报警信号。为满足现行中国船级社规范，该船公共广播系统兼具了部分通用报警系统功能，并在此基础上设置了相对独立的通用报警系统。由于上述公共广播系统和通用报警系统均需满足安全返港要求，且在设计上存在较多相似之处，故下文将重点介绍通用报警系统设计的理念和方法，不再对公共广播系统进行单独描述。

2.1.1 配电方案制定

中国船级社《钢质海船入级规范》（CCS《钢规》）要求：客船上的通用报警信号应分别向船员和乘客，以及同时向两者发出［1］。因此该系统应分为船员通用报警系统和旅客通用报警系统两部分。同时，为满足安全返港要求，确保通用报警系统在未受事故影响的主竖区中保持运行，系统应设置2个独立的主控制单元。综合以上两点，该船通用报警系统共应设置2个独立的主控制单元和4个独立的电源单元。

另外规范还要求，通用报警系统应由专门的馈电线供电，在主电源失电后应能自动转换至应急电源供电。在客船上该报警系统还应由临时应急电源供电［1］。现提供两个可选方案。方案1：每个通用报警电源单元均采用“主配电板+应急配电板+临时应急电源”的供电方式；方案2：每个通用报警电源单元均采用“分电箱+临时应急电源”的供电方式。

若采用方案1，则整个通用报警系统总共需要12路电源，配电板的开关数量将因此大幅增加，同时增加大量电缆，既不经济也不实用。若采用方案2，分电箱自身均由主配电板和应急配电板供电，满足规范主、应两路供电要求，则整个通用报警系统的电源可以简化到8路，且可以根据每个电源单元的实际位置选择就近分电箱对其供电，既简洁又方便。因此，该船通用报警系统采用“分电箱+临时应急电源”的供电方式最佳。

其次，根据相关规范，客船的临时应急电源应由一个设置于适当处所供紧急情况下使用的蓄电池组组成，并能够对紧急情况下所需要的所有内部通信设备、探火和失火报警系统供电0.5 h［2］。考虑到通用报警系统中报警灯铃数量较多会产生较大压降，所以选择AC 220 V的驱动电压。临时应急电源的选择亦存在两种方案。方案1：独立UPS供电；方案2：由充放电板供电。若采用独立的UPS将会增加不少成本，故首选考虑充放电板供电。由于充放电板的输出电压为DC24V，而通用报警灯铃的驱动电压为AC 220 V，则需在两者之间设置1个逆变器，充放电板向逆变器提供DC 24 V电源，经过逆变器将其逆变为AC 220 V，再向通用报警电源单元供电。

综上所述，通用报警系统完整的配电方案如图1所示。

图1 通用报警系统完整配电方案

2.1.2 系统原理设计

安全返港相关规范中提到，通用报警系统作为重要系统，应在全船所有起居处所、通常船员工作处所以及开敞甲板上均能听到该报警信号，且在发生火灾或进水事故后，在非事故处所中需保持运行［2］。因此，将2个控制箱和4个电源单元分别设置在2个不同主竖区，每个主竖区内包括1个控制单元、1个船员电源单元和1个旅客电源单元，相互之间冗余配置。同时，针对该要求进行多个报警铃连接方案的可行性研究。

方案1：在全船所有起居处所、通常船员工作处所以及开敞甲板上设置单套报警灯铃，根据处所类型分类后，以串联支路的形式接入系统，各支路分别由各自所在主竖区的电源单元供电。方案1的示意图如图2所示。

图2 报警灯铃连接方案1示意图

若采用方案1，当系统发生单一故障，例如某一分路中任意一个中间处所发生火灾时，会导致除该事故处所外其他处所的报警灯铃也无法正常工作，从而出现船上某一片区域内处所无法听到通用报警信息的情况，系统安全性无法保障。

方案2：在全船所有起居处所、通常船员工作处所以及开敞甲板上设置双套报警灯铃，根据处所类型分类后，分别以串联支路的形式接入系统，由位于两个主竖区的电源单元分别供电。方案2的示意图如图3所示。

图3 报警灯铃连接方案2示意图

若采用方案2，虽然能够保证系统发生单一故障时，除该故障处所外其他处所内报警灯铃正常工作，但是由于每个处所都设置了双套报警灯铃，整个系统所需电缆以及每个电源单元的功率都将随之增加，系统变得更加庞大，也增加了船舶的空船重量以及日后的维护成本。

方案3：在全船所有起居处所、通常船员工作处所以及开敞甲板上设置单套报警灯铃，根据处所类型分类后，各自以串联的形式接至位于2个主竖区的电源单元上，同时2个电源单元之间由通信电缆连接。方案3的示意图如图4所示。

图4 报警灯铃连接方案3示意图

若采用方案3，正常情况下，每个报警灯铃只由1个电源单元供电。当发生单一故障时，即某一供电电路故障或某一电源单元故障导致电源故障，或系统中某一分路发生断路或短路时，系统将通过通信电缆共享检测到的故障信息，并根据实际故障位置，自动将未受故障影响的报警灯铃的供电源切换为就近的可用电源单元，从而保证其正常工作。系统架构简洁，电缆敷设方便。综合考虑后，报警灯铃采用方案3的连接方式。

当通用报警系统工作时，还应自动关闭船上所有娱乐设备。因此，在2个主竖区各设置1个继电器箱，用于紧急切断娱乐信号，2个继电器箱之间亦互相冗余。由于公共广播系统、报警灯柱系统等也能发出通用报警信号，根据安全返港相关规范，系统之间的信号也应该保证在任何时候都能正常传输。考虑到通用报警系统、公共广播系统自身都是双冗余配置，若将信号也冗余设置，会增加设备的接口数量，同时增加船厂施工难度。因此，在主竖区1内设置一个独立的、可视为非失火源处所的电气设备间，四周钢围壁敷设A-60级防火绝缘材料，在该电气设备间内放置且仅放置1个通用报警接线箱，通用报警系统至公共广播系统、报警灯柱系统的信号均从该接线箱输出。综上所述，通用报警系统完整结构框如图5所示。

图5 通用报警系统完整结构框图

2.2 二氧化碳释放报警系统设计

该船二氧化碳释放系统共设置了15个释放分区，分别为：左机舱、右机舱、前辅助设备间、后辅助设备间、左舵机舱、右舵机舱、减摇鳍舱、电工间、机修间、右二氧化碳间、左轴隧舱、右轴隧舱、1号货舱、2号货舱和3号货舱。根据规范要求，以上所有区域内都应设置适当数量的声光报警器，使得区域内各个角落都能听到或看到释放报警信号，则整个系统所需声光报警器的数量将非常多。由于该船在左右机舱、前后辅助设备间和机修间已经设有报警灯柱系统，可以显示火警、通用报警、电话、机器故障报警、轮机员寻舱呼叫等信号，因此上述处所的二氧化碳释放报警也用报警灯柱实现，其余处所的二氧化碳释放报警用独立声光报警器实现。

然而，用报警灯柱代替独立声光报警器，会随之引出另一个问题。该船前、后辅助设备间和机修间虽分别与左、右机舱相连，但并非机舱区域。如按照常规设计，当机舱发生火灾而释放二氧化碳，则报警信号将通过机舱报警灯柱的主继电器箱发送，前、后辅助设备间及机修间内的报警灯柱也会同时发出报警声响，那么对于身处前、后辅助设备间和机修间内的人员而言，该报警信号并非代表其所在区域将释放二氧化碳气体，若此时他们因听到报警信号而经机舱撤离，反而会存在危险，也会造成不必要的恐慌。因此，必须将前、后辅助设备间和机修间的二氧化碳释放信号单独区分后，分别直接接入到各自区域内的报警灯柱，不再经过报警灯柱系统主继电器箱。

由于该船需要满足安全返港相关要求，左右机舱中任意一个机舱因火灾或浸水事故失去之后，另一个机舱内应仍能够听到或看到二氧化碳释放报警信号，因此左右机舱的二氧化碳释放报警信号也应加以区别。考虑到机舱报警灯柱系统主继电器箱位于右机舱侧集控室内，故将左机舱按常规设计，通过报警灯柱主继电器箱发送二氧化碳报警信号，并在左机舱内设置适量独立声光报警器，右机舱二氧化碳释放报警信号处理方式与前、后辅助设备间和机修间类似。

综上所述，按报警装置的配置情况可将15个二氧化碳释放分区分为三大类，见表1。

表1 二氧化碳释放区域按报警装置分类表

因报警装置不同，各分区内释放二氧化碳气体时，二氧化碳释放报警的工作原理也不尽相同。整个二氧化碳释放报警系统的工作原理归纳总结如下：

1）左机舱内释放二氧化碳气体：当报警灯柱系统正常工作时，所有左机舱（包括左机舱棚、配电板间）内的报警灯柱和独立声光报警器都将发出二氧化碳释放报警信号，通知区域内人员撤离，其余区域内的报警灯柱和独立声光报警器均不发声。当报警灯柱系统无法正常工作，即报警灯柱主继电器箱故障或集控室遭遇火灾或浸水事故时，所有左机舱（包括左机舱棚）内的独立声光报警器都将发出二氧化碳释放报警信号，通知区域内人员撤离，其余区域内的报警灯柱和独立声光报警器均不发声。

2）右机舱、后辅助设备间、前辅助设备间、机修间中任意一个区域释放二氧化碳气体：二氧化碳释放报警信号均由该区域内的报警灯柱发出，通知区域内人员撤离，其余区域内的报警灯柱和独立声光报警器均不发声。

3）左舵机舱、右舵机舱、减摇鳍舱、电工间、右二氧化碳间、左轴隧舱、右轴隧舱、1号货舱、2号货舱、3号货舱中任意一个区域释放二氧化碳气体：二氧化碳释放报警信号均由该区域内的独立声光报警器发出，通知区域内人员撤离，其余区域内的报警灯柱和独立声光报警器均不发声。

2.3 水密门开闭指示报警系统设计

在船舶航行的过程中，水密门、水密舱盖的开闭状态对船舶的安全性有着重要的影响，SOLAS也明确要求须在安全中心设置水密门、水密舱盖开闭状态的集中指示。因此水密门、水密舱盖的开闭指示就显得尤为重要，能够及时提醒船员发现异常情况并及时处理。客船上的水密门通常分为两大类，一类是滑动式水密门，多用于有耐水压要求和地位限制的处所，结构牢固，且常配有控制系统；另一类是铰链式水密门（包括水密舱盖），结构轻便、启闭简便。规范中对于客船上相对平衡水线而言不同位置的不同类型水密门，因其在航行工况下使用频率不同，指示要求不尽相同［3］，见表 2。

表2 水密门指示按位置、类型、使用频率分类表

结合规范，针对该船的两种水密门指示系统分别作了不同的设计：

2.3.1 动力滑动式水密门

SOLAS要求，动力滑动式水密门除了能够在就地操作、控制和监视之外，还应在安全中心实现相同功能。同时，动力滑动式水密门的控制系统还需要满足安全返港要求。因此，该船分别在各个动力滑动式水密门附近设置了就地控制箱，采用独立供电方式，分别由应急配电板（AC 220 V）和充放电板（DC 24 V）供电，并在驾驶室安全中心内设置了集中控制板，由安全中心电力分电箱单独供电。

此外，针对动力滑动式水密门报警信号输出方式提出2个方案。方案1：各个动力滑动式水密门就地报警控制箱分别通过对角电缆将VDR系统所需的各水密门报警信息传输至位于驾驶室安全中心水密门控制板，再由该控制板统一将报警信息传输至VDR系统；方案2：各个动力滑动式水密门就地报警控制箱之间用对绞线连接，最后一个报警控制箱通过对绞线把VDR所需的各水密门报警信息传送至驾驶室安全中心水密门控制板。

若采用方案2，电缆虽然节省，但是其中任意一个报警控制箱故障会影响其他报警控制箱的信号传送，故从安全角度考虑，采用方案1。

2.3.2 铰链式水密门、水密舱盖

铰链式水密门就地指示一般分指示灯式和机械式。指示灯式使用红灯表示水密门或水密盖完全开启，使用绿灯表示水密门或水密盖完全关闭。机械式则采用安装在水密门或水密盖上的红绿色机械条表示水密门或水密盖的开闭状态。该船根据实际情况，采用指示灯式。

由于该船需要进行指示的铰链式水密门、水密舱盖较多，每个指示器与驾驶室水密门指示板之间的连接存在两种方案。方案1：驾驶室水密门指示板分别向位于每个水密门旁的接线盒传送无源控制信号，且各个接线盒依次连接。1号水密门旁的接线盒接受来自船上直流24V供电的同时，向下一个与之相连的接线盒供电，见图6。方案2：驾驶室水密门指示板分别向位于每个水密门旁的接线盒传送无源控制信号以及直流24 V电源，见图7。

在方案1中，采用了水密门指示灯电源与控制线路分开的设计，能够解决因电缆过长导致的电压降问题。同时，也一定程度减小电缆直径，降低船厂的成本。但其不足之处在于，位于驾驶室的水密门控制板与位于水密门、水密舱盖附近的接线盒采用两个不同渠道的电源供电，相较于方案2，潜在地增加了一个故障源。

在方案2中，每个接线盒都分别接受来自控制板的直流24 V电源以及控制信号。稳定性有所增强，但对于船厂电缆敷设则显得冗余、复杂，且为保证长距离敷设电缆的电压降，需采用较粗的电缆，一定程度上增加船厂的成本。

经过与船厂综合讨论，认为方案1的风险可控，并且从简化电路、降低成本的角度考虑，采用方案1为最终方案。