客滚船空调系统电气设计建造

刘海镇

（厦门船舶重工股份有限公司，福建厦门 361021）

1.客滚船空调系统特点概述

我司为维京航运建造的2800 客邮轮型客滚船是专门服务于芬兰图尔库至瑞典斯德哥尔摩的定点航线，其主要特点是安全、舒适、设备先进、低耗环保、高速平稳；其中空调系统是其关键的设备之一，法规要求系统冗余提高安全性，乘客对舒适度要求高，船东要求运行成本尽量低，艺术设计要求空调附件与客舱、公共区域整体风格一致，因此，空调系统对于船厂客滚船设计建造是一个重要项目。

2.2800 客邮轮型客滚船空调系统构架

2.1 空调系统构架介绍

2.1.1 空调系统概述

依据航线气候条件空调系统设计了3 个模式：夏季模式、中间季节模式和冬季模式。3 种季节模式主要是通过换热器、大功率冷水机、阿拉斯加热交换器等设备运行，调节输送到全船各处空气处理单元的冷媒水温度进行控制。

2.1.2 主空调水系统

考虑到本项目空调覆盖范围大，且不同功能区域对于温度的需求不同，合理划分区域能够节能降低运行成本，经过综合考虑本项目划分为32 个大区域，每个大区域再划分为3 ～8 个子区域，进行2 级温度控制以达到节能目的（即预热系统和再热系统）。每个大区域配置一台空气处理单元，每个子区域配置再加热器，温控阀对送风温度进行调节。空调的不同模式通过预热系统控制阀的开闭，控制冷媒水的制冷/加热功能。处于制冷模式时，控制系统总共分为4 个阶段，逐级增加制冷功率确保舒适度，同时达到节能目的。当海水温度低时，只使用阿拉斯加冷却器提供系统所需制冷量，如达不到所需制冷量则起动2 号冷水机组，此时，冷水机由于阿拉斯加冷却器工作，压缩机处于低负载输出模式，如此时所需制冷量还达不到，则2 号冷水机组处于高负载模式同时判断海水温度是否适宜阿拉斯加冷却器工作；最后一阶段是2 台水冷机组压缩机处于高负载状态提供预热系统所需制冷量[1]。

2.1.3 主空调风系统

本项目为了满足安全返港相关安全区域通风独立，冗余要求，不同甲板、主竖区空气处理单元，抽风，送风管路相互独立，同时，考虑逃生相关要求，各主竖区主梯道通风由单独空气处理单元进行空调温度湿度控制与其他住舱，公共区域独立；另外，考虑为乘客提供一个舒适环境，同一层甲板的厨房与其他区域通风管路，空气处理单元相互独立。比如四主竖区6-13 甲板通风系统布置如图1 所示。

2.1.4 自动化系统

考虑到本项目空调系统的复杂性（仅风机单元就有32 台，水系统，风系统，特殊区域冷却系统电控箱、变频器超过200 台/套），传统上，在集控室，驾驶室仅布置带监测功能的工作站，无法满足日常维护、操作需求且需要人力资源巨大。因此，本项目采用了分布式网络构架。每一电控箱内布置网络交换机，采集本控制箱内PLC模块所有监测、控制的现场仪表信息，变频器以及附近其他通风系统发送过来串口通讯信息，再通过空调专用网络传输给集控室/驾驶室的网络交换机。同时，为了节省成本，本项目布置在全船各处的寻址式布风器数据，通过船东提供局域网采集后再传输给空调系统，如图2 所示。工况下梯道送风强制开启功能。

图2 空调系统网络构架示意图

（3）控制系统冗余设计：如前所述基于分布式网络的空调监控系统，任意一个地方故障不会影响工作站对其他正常运行设备的监控功能，即使所有工作站出现故障，也可以在就地对单个控制箱相关参数，设备进行监控。

2.2 空调系统电气在安全、节能、成本控制方面采取措施

2.2.1 安全方面采取措施

为确保空调系统的安全性，空调电气系统设计时采取了如下措施。

（1）电源设计：由于本项目艏艉机舱全部布置在三号主竖区，因此，艉部（一至三主竖区）任意一区域失火时，为确保艏部安全区域通风供电不受影响，所有服务于艏部安全区域的风机单元全部采用双路主电源输入，两路电源分别来自船艏艉配电板，经过路径完全分开，确保全船任一区域失火不会同时影响船艏艉安全区域的风机单元供电[2]。

（2）紧急切断设计：考虑到失火时快速响应以及避免故障扩大，全船通风系统紧急切断按照主竖区为原则进行切断，在集控室，驾驶室控制位置配置切断按钮；同时，为确保失火时梯道内有毒烟气顺利排出，提供了紧急切断

2.2.2 节能方面采取措施

（1）全船风机采用变频控制。由于全船空调通风相关风机、泵浦安装功率超过1500kW，为考虑降低日常运营成本，空调系统所有超过5kW 的风机泵浦均采用变频控制，同时，为了减轻船员日常操作工作量，所有变频控制的设备均采用闭环自动控制的模式，比如，风机单元送风机频率会根据出风口压力进行自动调节保持送风压力恒定。

（2）制热/制冷来源的优化。为减少主空调冷水制冷功率以及各加热盘管的热功率，空调设计时制冷/制热回路能量来源也进行了优化。

主空调系统处于制热模式时，优先采用主机工作产生废热经过热交换器加热热水，再经过三通阀连接至空调预加热/再加热系统加热器，三通阀可以依据空调系统加热器次级冷媒水温度自动调节经过加热器的热水流量。

特殊区域冷却系统制冷优先采用LNG 产生的冷能，LNG 罐舱连接处所冷媒水（水乙二醇）直接连接到特殊区域冷却系统冷却器，经过的冷媒流量也是用三通温控阀基于特殊区域冷却系统冷媒的出口温度进行调节。

2.2.3 成本控制方面采取措施

（1）将舱室小风机起动器集成到风机单元控制箱内：由于本项目上建区域有众多机械处所，餐饮区域等通风需要与主空调系统独立，配置了超过50 台轴流/管道风机，如按照传统方案每台风机配置一个起动器，单独从配电系统取电会导致船厂设备布置困难，电缆敷设工作量增加，因此经综合考虑，所有小风机控制电路集成到相应区域风机单元控制箱内，电源直接从风机单元总电源取，只是配置独立的过载/短路保护装置。该方案大大减少船厂电气控制箱数量，电缆敷设工作也大为减少[3]。

（2）一个变频器驱动2 个风机：由于部分舱室/公共区域面积大，如采用1×100%容量的送风机/抽风机，会导致风机尺寸过大，风机单元布置困难。因此，采用2×50%风机的布置方案，在控制逻辑上两台风机同步控制共用一个变频器，节省了电缆敷设工作量，极大地方便了风机单元的布置。

3.船厂空调设计建造经验分享

3.1 设计方面经验分享

3.1.1 空调EMC 控制问题

由于本项目部分风机单元采用一台变频器控制2 台风机，设计之初对于EMC 控制没有很好地注意，将每个马达热继电器、断路器布置在风机单元内部，导致变频器输出至马达的变频电缆在控制箱没有屏蔽保护，会影响控制箱内PLC 采集传感器信号稳定，同时也会对电网谐波控制不利，经过与厂家、船东多次讨论，最终决定将所有变频器输出端至马达的所有电气元器件布置在一个单独控制箱内。

3.1.2 防火风闸监控

本项目出于节省船员操作工作量以及成本控制考虑，主空调通风系统防火风闸采用工作站远程监测状态，可以在相应区域风机开启时自动打开所有该区域防火风闸，在紧急情况下可以在防火风闸服务区域，风机单元控制箱所在处所以及集控室驾驶室紧急切断。同时，为了方便船东防火安全管理，防火风闸状态也能在火警工作站监测[4]。

3.2 建造方面经验分享

3.2.1 自动控制程序修改影响建造周期

由于该空调系统庞大且自动化程度高，因此，空调供应商将空调数据采集及监控系统外包，实际安装调试中遇到较多的修改无法及时修订调试，加上前期设计不成熟，直接导致系统调试滞后严重。

3.2.2 局域网系统相关接口影响调试

本项目空调部分数据（比如舱室单元布风器监控，与厨房能量管理系统接口，与订房系统接口等）需要依赖于船东提供的局域网，而局域网的完整性及调试同样受到各方面的影响，进而更大程度影响到空调系统调试。

4.总结

综合空调系统整个设计、建造流程，为避免因为空调系统问题影响整个客滚船项目成本，建造周期船厂应注意以下几个方面。

（1）技术协议要求明确：由于客滚船空调项目复杂，技术协议谈判时很多设备项目信息不明确，供货数量，要求不准确，这个就会导致后期船厂，打包商在项目执行过程中因为额外费用承担方产生巨大分歧，应尽可能在早期将所有要求明确，尤其是控制系统，需要明确系统能够实现功能，软件平台，参考界面，包含输入输出点与其他系统接口形式等。

（2）防火风闸系统优化：后期空调电气部分系统修改绝大多数是防火风闸的增减，同时，防火风闸监控模块可以采购带船级社证书的模块单独布置在一个电控箱内与主空调电控箱独立，这样能避免由于个别防火风闸修改导致整个空调系统电气图纸更新，同时也能将防火风闸信息通过串口通讯形式发给其他系统减少船厂电缆敷设工作量。

（3）建造周期需要给空调控制系统预留足够周期：由于客滚船项目空调系统包含输入输出点有大几千个，比一般商船中控系统还要复杂且控制系统必须在风量平衡，各独立的系统控制功能完成后才能开始，因此，必须充分考虑到这些因素合理安排相关舱室部分，空调水系统、空调风系统的工作，避免因为控制系统工作未完成影响交付。