某型船锁气室通风量设计研究

陆瑞阳 张化南

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）



某型船锁气室通风量设计研究

陆瑞阳 张化南

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］文章通过模型试验结合工程分析的方法，提出一套对锁气室风量设计优化选择的流程。建立1∶1的锁气室模型，对不同风量下污染物变化情况进行试验，初步获得各风量下浓度变化情况。在试验的数据基础上，结合工程实际情况，从造价因素、安装因素和人员流动三个方面进行分析，选择实船适用的风量。

［关键词］锁气室；污染物；实船设计

张化南（1980-），男，高级工程师，研究方向：船舶空调。

引 言

锁气室是洁净区域与外界污染的过渡地带，是洁净区域的进出口，承担着人员流通与污染物隔离的任务。锁气室是一个小的双门隔舱，内门开向加压区，外门开向未加压区。为保证进出加压区不损失加压状态，同一时间只可开一个门。锁气室利用洁净正压区过来的空气进行吹气，吹除开门时可能进入的污染物。

人员从污染区域进入锁气室，关闭外门进行吹气，当污染物降低到安全浓度以下时，可以打开内门进入洁净区域。对一个锁气室而言，需要实现维持正压和快速排出污染物的目标，选择合适的风量是关键。由于锁气室的设计没有系统性的规范文件，因此，设计时需要对各方面进行综合考虑以获得合理的解决方案。

本文通过建立1 ： 1的锁气室模型，比较不同风量情况下，人员进出时锁气室内污染物浓度变化情况。下面对试验的内容和结果进行详细介绍。

1　锁气室结构与测试设备

锁气室壳体的构成材料为厚度4 mm的A3铁板，壳体内壁面天花板铺设80 mm厚绝热材料，侧壁面铺设40 mm厚绝热材料，绝热材料采用矿物棉板，铺设绝热材料后内部空间尺寸为：1 200 mm×1 200 mm×2 400 mm。锁气室试验模型如图1所示。根据测试要求，需要对测试锁气室内的温度、风速、压力以及污染物浓度等参数进行采集，所需测试设备如表1所示。

图1　锁气室试验模型

表1　锁气室测试设备

2　试验方法与结果

2.1试验内容

2.1.1开门过程污染物浓度变化规律

开门过程模拟的是人员进出时，外界污染气体进入锁气室，以及在锁气室内进行排除的情况。通过监测锁气室内污染物浓度的变化，得出锁气室在不同风量下的污染物排除效果。根据之前的资料查阅和研究结果，确定本次试验锁气室风机的送风量分别为100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h四种，稳定状态时锁气室内相对压力为250 Pa。人员进入的类型分为单人进入和双人进入两种。

2.1.2保压过程污染物浓度变化规律

保压过程模拟的是当污染物已经进入舱室的情况下，维持舱内相对压力处于某一特定压力，在不同的送风量情况下，监测污染物排出的效率。试验中采用的模拟污染物浓度分别为1 000×10-6和2 000×10-6，风机送风量分别为100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h。通过监测保压过程中锁气室内污染物浓度变化情况，观察污染物排除至安全区域所需要的时间。

2.2试验结果

2.2.1开门过程污染物浓度变化

图2　各风量下单人出舱试验舱内颗粒浓度变化曲线

开门过程中，烟雾探测器实时记录舱内污染物浓度情况，获得污染物浓度变化曲线。图2显示四种风量下，单人出舱试验舱内颗粒浓度变化。经多组测试，各工况下不同风量的污染物最高浓度见表2。 根据测试得到数据，可由式（1）求得进入舱室内的污染空气体积，计算结果见表3，各工况下污染物体积差异如图3所示。

表2　不同工况下舱内污染物最高浓度

表3　各工况下进入舱室内污染空气体积

图3　各工况下进入舱室内污染空气体积

式中：Cmax为舱内最大颗粒浓度；C0为舱内初始颗粒浓度；C外为舱外颗粒浓度；V舱为舱内体积。

2.2.2保压过程污染物浓度变化

通过烟雾探测器实时记录舱内污染物浓度情况，获得污染物浓度变化曲线。污染物用CO2进行模拟，舱内CO2初始浓度分别为1 000×10-6和2 000×10-6。如图4所示为各风量下，1 000×10-6CO2污染物浓度变化曲线图。由图中可以发现，经过130 s左右时间，舱室内的污染物浓度达到稳定水平。经过多组测试，不同风量排除污染物所需时间如表4所示。取均值后，各风量下排除污染物所需时间如图5所示。

图4　1 000×10-6CO2污染物浓度变化曲线图

表4　各种风量下排除污染物所需时间

图5　各风量下排除污染物所需时间

3　试验结果分析与优化设计

3.1试验结果分析

根据上述试验结果，可得出以下结论：

（1）相同风量时，单人开门和双人开门情况下，进入锁气室内的颗粒物浓度稍有增加，但增加程度有限，考虑效率时可以采用双人进入模式。

（2）进入锁气室的颗粒物浓度峰值随着锁气室风量的增大而减小，进入锁气室的污染空气体积的规律与其一致。

（3）风量越大对污染物排除越有利，时间在30 s ～3 min之间。污染物浓度增加一倍时，所需的净化时间增量在20%～70%之间。

从结论可以分析，当风量越大时，对锁气室内部的污染物控制越有利，因此在选择锁气室风量时，在满足实际条件约束下应尽量提高锁气室风量。

3.2优化设计因素分析与风量选择

在设计工作中，试验的结果作为设计的一个依据，根据项目的实际情况进行合理化取舍和设计，从而获得比较可行的方案。在本项目的锁气室设计中，选择采用风量时考虑造价因素、安装因素、人员流动等三个方面。

3.2.1造价因素

当选择风量增大时，所需要的配套设备均需扩大，在涉及的设备中，空气过滤单元的造价占整个系统的比例最大。常见的空气过滤单元结构如图6所示，主要包括风机、过滤装置、加热装置等。其中过滤装置包括微粒过滤、碳过滤和气溶胶过滤装置，构造较为复杂，随着风量的增加造价增长显著，导致设备成本显著增加。因此在满足任务要求的前提下应尽量减小风量，限制造价。

图6　空气过滤单元结构

3.2.2安装因素

锁气室中对安装条件要求较高的设备为压差控制阀。如图7所示，压差控制阀通过多个螺栓安装在垂直壁面上，外部采用格栅防止风雨，压差控制阀的上下都需要预留安装空间。锁气室通常位于走廊末端，留给压差控制阀的空间比较有限，因此需要控制设备的尺寸保证顺利安装。从图1可以看出，锁气室门口上方安装空间相当有限。针对试验锁气室模型，舱室气密门尺寸为1 860 mm×750 mm，气密门上部剩余空间为500 mm，考虑顶部预留的安装空间，选用的压差控制阀尺寸应小于350 mm。压差控制阀风量调节的方法有以下两种。

图7　压差控制阀安装方式

（1）通过改变阀内的弹簧型号，调整工作时阀门开度来调整风量；

（2）当风量增量较多，改变弹簧型号无法实现时，需要增加整个阀门尺寸保证风量。根据设备的实际情况，风量在100～500 m3/h范围内时，压差控制阀的直径尺寸310 mm，通过改变弹簧型号调整风量；当风量达到1 000 m3/h及以上时，压差控制阀直径增加，不利于安装工作。

3.2.3人员流动

外部人员进入锁气室时会带入污染气体，锁气室的吹气过程需要一定的时间，当外部人员不多时，能够按照设计工况正常进入。当外部人员数量增加，超过锁气室的处理能力时，剩余人员会在锁气室外形成拥堵。针对这种情况，在承载大量人员流动的主要通道末端，锁气室的性能要求应该高于其他地方的锁气室，加大锁气室的送风量，减少吹气时间和建压时间，加快处理能力，以缓解拥堵现象。另外，根据锁气室后续工序的要求，锁气室处理能力应与后续工序的处理能力相匹配，锁气室能力过大、过小都会在不同的地方造成拥堵，因此考虑人员流动时宜采用相对经济的风量。

以2 000×10-6污染物浓度为例，100 m3/h、200 m3/h、500 m3/h和1 000 m3/h的风量下清除污染物的时间分别为168 s、123 s、53 s、31 s。根据实船的人员进入情况进行分析，当外界人员进入较多时，采用的风量越多，有利于减少排污时间，加速外界人员进入锁气室。另外，考虑后续工序时间，实船锁气室的后续工序平均时间为128.9 s，这段时间为人员在锁气室中需要等待的必须时间。

从实验数据可知，锁气室采用200 m3/h风量清除污染物所需时间与后续工序时间相近，当风量小于200 m3/h时，后续工序容易形成空转；当风量大于200 m3/h时，人员容易在锁气室中形成滞留。因此鉴于本船的实际情况，200 m3/h的风量较为合适。

3.2.4风量选择

综合上述几方面的分析，对于实船设计情况而言，在不同因素的考量下，各风量的表现差别较大。如以污染物控制角度而言，风量越大越好；从造价及安装空间而言，风量小更有利。采用1-4四个级别来大致评价各因素下不同风量的适宜程度，1为最好、4为最差，结果如表5所示。

表5　各因素不同风量的适宜程度

4　结 论

本文经过锁气室模型试验，比较了不同风量情况下锁气室的运行情况。针对实船设计情况，本文探讨了合理风量选择的思路，根据试验结果，结合考虑污染控制、造价、安装和人员疏散四方面因素，提出针对本船综合最优的锁气室风量确定方案，作为后续锁气室实船设计流程的参考。

［参考文献］

［1］ 美国海军海上系统司令部. 美国海军舰船技术手册［M］. 翟少晓，刘书子译. 北京：中国船舶信息中心，2004： 82.

［2］ 刘虹，刘飞，王斌. 海上核化生安全威胁与水面舰艇集体防护［J］. 舰船科学技术， 2011（7）：150-155.

［3］ 孙硕，张化南. 锁气室通过过程分析［J］. 船舶，2015 （6）：57-60.

［4］ 方勇. 舰船集体防护系统超压及其波动分析［J］. 舰船防化，2011（3）：48-51.

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

［中图分类号］U664.86

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2016）03-0067-06

［收稿日期］2016-02-18

［作者简介］陆瑞阳（1989-），男，助理工程师，研究方向：船舶空调。