陈育喜，金炳光，张晓军

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

世界冰区主要分布在南北极附近水域，主要 的航行区域包括波罗的海、北极水域、鄂霍次克 海等。随着经济贸易的繁荣，冰区航行的船舶数 量日益增多，船舶冰级设计成为热点[1,2]。冰区航行的船舶处在低温环境中，边压载舱内需要采取有效的防冻措施[2]，否则舱内位于最低冰面以上的压载舱水面会整体结冰[3]，导致压载泵会抽真空而无法正常起动，影响船舶的操作和性能。而底压载舱通常低于最低冰面，因此防冻可以不做考虑。

目前边压载舱防冻的方法有：蒸汽加热和压缩空气吹泡[4]。

1）蒸汽加热系统。由船上锅炉提供蒸汽，需要增大锅炉的蒸发量。边压载舱采用蒸汽加热时，加热管路需要持续供应蒸汽，否则蒸汽管路将会凝水或结冰；由于边压载舱数量多，舱容大，势必会极大地增大锅炉的蒸发能力。

2）压缩空气吹泡系统。具有系统简单、耗能少的特点。根据规范要求，边压载防冻仅需确保边压载舱最低结冰水面（LIWL）以上的海水表面不结冰[3]，因此空气吹泡系统适用于边压载舱防冻，且该系统只有在边压载舱水面LIWL 以上时才需要开启，系统工作时间与蒸汽系统相比较短，耗能也比蒸汽系统少。

1 主要参数

2 500 TEU 冰区集装箱船的主要参数如下。

1）主尺度：195 m×32.2 m×17 m（总长×型宽×型深）。

2）船级：DNV GL。

3）防冻符号：DNV GL WINTERIZATION BASIC(SECTION 6 of TENTATIVE RULES FOR WINTERIZATION)[3]。

4）设计环境温度：−10 ℃

5）设计最低海水温度：−2 ℃

2 规范对于压载舱防冻的要求

WINTERIZATION BASIC 船级符号对压载舱防冻提出如下要求：

1）功能要求。在设计环境条件下，确保船舶安全压载水能够进行加载、排载和调拨操作，防止压载舱水面结冰。

2）压载舱防冻措施。对于有Winterized Basic船级符号的船舶，当舱室部分位于LIWL 以上时，采用空气吹泡系统，或垂直蒸汽加热盘管，能够保持在冰面有一个足够大的开孔即可。

根据以上分析，首选空气吹泡防冻系统用于压载舱的水面防冻。

3 系统设计（优化前）

3.1 吹泡压缩空气原理图（优化前）

吹泡压缩空气系统包括1 台吹泡空压机（排量为200 m3/h；工作压力为0.8 MPa，压力为0.5 MPa时启动，压力为0.8 MPa 时停止），1 台空气干燥器、1 个吹泡空气瓶（体积为1 m3）、2 套减压阀组（进口工作压力0.8 MPa，出口工作压力0.2 MPa）、安全阀（起跳压力0.22 MPa）及总管（DN50）组成，将压缩空气（工作压力≤0.2 MPa）输送到各舱室。总管与主空气系统也有一路DN40 的管路连接，ALV15 常闭，仅作为吹泡空压机故障时备用。如图1 所示。

图1 吹泡压缩空气原理图（优化前）

为了延长空压机的使用时间，通常需配备容量够大的空气瓶，以实现空压机的自动起停。根据空压机的规格书要求，在空压机自动起停的操作中，为保护空压机，空气瓶压力达到设定压力后，空压机先卸载，再空载运行120 s。同时，空压机的频繁启停对其电子器件产生危害，空压机厂家（Sauer SC31）推荐1 h 内最大起停次数不超过5 次，即起停间隔不小于12 min。空压机的起停由机器自带的压力传感器控制，由于空气瓶进口有1 个止回阀，当空压机压力为0.8 MPa 停机时，空气瓶的实际压力只有0.75 MPa。

3.2 吹泡压缩空气原理图（优化前）

到各个舱室的管路系统一路支管（DN25），由截止阀和延伸到各舱室距舱底200 mm的盘管组成，盘管每隔500 mm开1个直径为3 mm的孔，由于间隔距离小，每个舱室的开孔数量少则几十个，多则约200个。如图2所示。

图2 吹泡管舱室布置原理图（优化前）

3.3 系统设计存在的问题

3.3.1 压载条件

首次报验边压载舱压载条件如表1 所示。

表1 首次报验压载舱压载条件

续表1：

3.3.2 吹泡结果

1）试验1（仅开启吹泡空压机）。开启到每个压载舱的吹泡支管，起动吹泡空压机，空气瓶充满后（压力为0.75 MPa，此时空压机压力传感器为0.8 MPa），开启吹泡总管截止阀，在总管截止阀开启后，短时间内（不超过3 s）空压机压力下降到0.5 MPa 以下，吹泡空压机起动后一直工作，无法实现起停功能。见表2。

2）试验2（接入主空气系统，并连接吹泡空压机）。开启每个压载舱的吹泡支管，起动吹泡空压机，空气瓶充满后（压力0.8 MPa，此时空压机压力传感器的压力为0.8 MPa），开启主空气瓶到吹泡系统截止阀，并开启吹泡总管截止阀，在总管截止阀开启后，主空气瓶压力下降，3 台主空压机（每台排量为180 m3/h）依次启动，最后吹泡空压机也起动，压力下降到0.5 MPa 左右后，压力稳定。见表3。

表2 试验1 吹泡结果

3.3.3 原因分析

1）空压机的排量和空气瓶的容量太小。吹泡空压机的排量与吹泡所需额定空气量一致，没有余量则无法实现空压机的自动起停。空气瓶容积仅为1 m3（最大压力0.75 MPa），而吹泡管路容积为5 m3～6 m3（自由空气量），吹泡总管阀门第一次开启时，空压机停止到起动的空气量仅为4 m3（自由空气量）。由此，导致总阀的开启瞬间，空气瓶被瞬时泄压，空压机马上起动，而空压机排量和吹泡系统耗气速度相同，吹泡工作时无法将空气瓶充满。

2）各压载舱背压差别较大。试验1 表明，背压大的舱无空气吹泡会少量空气吹泡，背压大的吹泡空气量较大，超过额定吹泡空气量要求，导致空气量分配不均。

表3 吹泡结果（接入主空气系统、起动吹泡空压机）

3）总管和各舱支管的背压小于计算额定背压要求，导致进舱空气流速过快。计算是基于0.2 MPa的舱内背压，然而实际压载舱的背压最大也就0.1 MPa 左右，需要安装流量调节阀或节流孔板进行空气流量调节，以控制到各边压载舱的支管的背压加上沿程阻力相同，使每个舱室均能正常吹泡。

4）吹泡盘管只有靠近总管处才有吹泡空气排出。试验1 中只有靠近总管处的人孔有空气吹出，而离总管较远的人孔，没有空气吹出的，所以只能在总管处才能看到明显的吹泡效果。

4 吹泡系统原理图（优化后）

4.1 吹泡压缩空气原理图（优化后）

针对系统中存在的问题，对其进行了优化，优化后的图纸见图3。

图3 吹泡压缩空气原理图（优化后）

4.1.1 优化的目的 空压机实现自动起停，控制总管的空气流量，保证每路总管背压约0.2 MPa。

4.1.2 优化点

1）空压机1 台，排量由200 m3增大为300 m3，起动压力值从0.5 MPa 变更为0.3 MPa。

2）空气瓶由1 个1 m3优化为2 个2 m3。

3）增加了ALV09/ALV13 流量调节阀。

4.1.3 优化原因

1）所选空压机排量太小，通过增大空压机，达到约40%的余量；

2）所选空气瓶容量太小，通过增大空压机排量，使空压机起停间隔时间不小于12 min/次。

3）通过增加流量调节阀，通过控制吹泡总管的流速，进而控制总吹泡空气耗量尽可能接近额定计算值。增加流量调节阀，控制总管背压，使总管的空气流速接近于20 m/s，将总管流速控制在吹泡的额定流速范围内。流量调节阀一旦调节好后需锁定，如图4所示。

图4 流量调节阀的锁定

4.2.1 系统优化的目的

优化的目的即控制每个舱的背压，增加吹泡管数量（每个舱由1根增加为2根），调整吹泡管的位置尽量靠近人孔位置，增加吹泡系统的冗余度，与透气管一一对应，可提高系统安全性，同时方便系统报验；取消舱底吹泡盘管，降低系统成本。

4.2.2 优化点

1）增加到各舱支路增加节流孔板，开孔大小根据试验确定；

2）各舱支路的支管由1路改成2路（每个压载舱有两根透气管），同时调整吹泡位置尽量靠近人孔位置；

3）舱底的盘管取消，管子最低点距舱底高度从200 mm，提高到500 mm。

4.2 吹泡管舱室布置原理图（优化后）

吹泡管舱室布置原理如图5 所示。

图5 吹泡管舱室布置原理图（优化后）

4.2.3 优化原因

1）吹泡时，边压载舱的水位最高约11 m，背压远小于0.2 MPa。如若没有节流孔板调节流量，流速远大于20 m/s的计算流速会导致空气瓶初期速度过快，使得空压机无法实现起停；同时，如果没有节流孔板，离总管远的位置空气压力将远低于离总管近的位置，从而导致离总管远的舱室吹泡失败。

2）根据船级社规范要求，每个舱室需布置的吹泡管数量不少于1根。优化后每个舱室布置2根吹泡管，布置在透气管附近并一一对应，保证舱室不会超压，提高了系统的冗余性。此外，考虑到船码头处于试验阶段，该系统报验方便，将吹泡管布置在尽量靠近人孔的位置，便于观察。由于吹泡管经过2道以上横纵荡舱壁时的吹泡效果很难观察，因此管子距离人孔不能超过2道横纵荡舱壁。

3）由于盘管内的气压随着压缩空气释放泄压，加上管路的沿程阻力及压载舱水面背压的影响，实际试验时只有靠近总管的孔有空气吹出，所以可取消盘管。抬高管子距离舱底的位置（200 mm提高为500 mm）不会影响吹泡效果，且可以防止压载舱底部的污泥堵塞管路。

5 理论计算

5.1 空压机排量

根据相关经验可知，防冰的单位空气耗量为Vt＝5 L/(m2·min)。

防冰所需总耗气量见（1）

式中：A1, A2, A3, …, An为各压载舱水面面积，m2；a 为耗气量裕度，a＝20%，考虑压缩空气的泄漏，以及压载舱从艏部到艉部的不均匀分配等。

根据式（1），可以计算各压载舱空气耗量及整船空气总耗量，详见表4 为压载舱吹泡空气量计算书。

其中，空压机的最小排量为190.7 m3/h（C1＝0.424 m3/h@0.75 MPa）。由此可知，与选定的初始排量要求200 m3/h相比，几乎没有余量，因而空压机不可能实现正常起停。

根据经验，优化参数初步选取空压机和空气瓶的参数，见表5设备参数（优化）。

表4 压载舱吹泡空气量计算书

表5 设备参数（优化后）

5.2 空压机启停时间的验证

1）空压机和空气瓶的压力设置

优化后的空压机和空气瓶压力设置参数如表6所示。

表6 空压机和空气瓶的压力设置（优化后）

2）空压机停止到起动期间，空气瓶的空气释放量见式（2）

式中：V＝2.67 m3@0.75 MPa

3）空压机起动到停止时间

4）空压机停止到起动时间

5）空压机起停周期

由此可见，目前的设备配置满足设计要求。

5.3 压缩空气管径的选取

压缩空气钢管内流速：20 m/s[6]（由轮机设计手册表7.2.1.1 可知）

压缩空气管的内径见式（6）

式中：di为管子内径，m；qv为体积流量，m3/h；V 为管内流体流速，m/h。

根据式（6）计算后确定：

1）空气瓶到各边压载舱总管，其管径型号为DN50。

2）到各边压载舱支管，管径型号为DN25；分为2路，每路管径型号为DN15。

6 系统的调试

以上系统问题均是在系统初次报验时发现的。由于设备订货周期长且目前船上布置已经较为艰难，因此设计优化仅供理论讨论。现有项目系统试验的优化只增加各舱室支管增加节流孔板，不完美之处在于所有舱同时吹泡时，空压机需要连续工作，无法实现起停。

6.1 试验条件

6.1.1 试验位置

1）试航开始或结束后在锚地进行。此处试验位置最佳，但观察吹泡效果通常需要将压载舱顶部舱室的人孔盖打开，危险性很大。

2）在码头进行。此处试验位置较佳，但由于码头水质较差，为了确保吹泡效果的观察，需要通过压载泵调节压载舱的压载水。

为了保证人员的安全性，缩短试航周期，船厂最后选定试航后在码头进行吹泡系统试验。

6.1.2 试验水位高度

1）由于吹泡管布置在舱底位置，为了确保实际吹泡效果，试验水位高度不低于从上部人孔便于直接观察到的水位。

2）尽量接近船舶冰区运行时装载条件最恶劣的压载工况。

3）考虑船舶的稳定要求，尾倾适中，防止螺旋桨触底。

根据以上3点原则，最终确定了试验水位高度，详见表7。

6.2 试验程序

具体试验程序流程图如图6 所示。

图6 吹泡试验流程

7 试验结果

1）各舱室通过各边压载舱的上部人孔，可以明显观察到吹泡效果良好，但空压机无法实现起停功能。

2）节流孔板的孔径大小见表8。

表7 试验水位高

表8 节流孔板大小

8 结论

本文对2 500 TEU集装箱船空气吹泡系统中吹泡效果不好，空压机无法实现自动起停的原因进行了分析，给出了设计和试验的优化方案。

1）设计的优化方案。

（1）空压机排量从1×200 m3/h 优化为1×300 m3/h；

（2）空气瓶由1×1 m3优化为2×2 m3。

（3）总管增加流量调节阀，各支管增加节流孔板。

2）试验的优化方案

基于现有的系统，在设备不做任何改动条件下，对管路进行了小改，每路管路增加节流孔板，并通过试验确定节流孔板的开孔大小，各压载舱吹泡系统良好；但不足的地方是空压机无法实现自动起停。

吹泡空气系统，由于计算都是经验性的，最终的效果只能通过实际观察吹泡效果确定，因此在前期详细设计时，空压机的排量和空气瓶的容积一定要考虑足够的余量，同时前期生产设计进舱管路的布置一定要考虑试验观察的需要，才能真正实现系统的相对完美。