摘要：某65 m多用途海洋工作船在进行应急发电机100%负荷试验时出现冷却水水温高报警，对此进行研究，得出高温报警的原因为机房通风系统设计不良。通过实测现场温度、湿度、风速，对通风和散热进行理论计算；结合发电机厂家通风设计模型，对机房通风系统进行改造，如增设自然通风口、移动机械进风口，调整机房风管布置。结果表明：改进以后，通风散热条件大为改善，应急发电机100%负荷试验顺利通过，该通风系统优化整改方案为后续船舶机房通风设计提供参考。

　　关键词：通风系统；散热；船舶

　　Study on the Design of Ventilation System for the Emergency Generator Room of a Ship

　　Wang Junjun1，Kang Jingyuan2，Zhu Xiaopei1

　　(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Hubei Three Gorges Polytechnic,Yichang,Hubei 443000,China;

　　2.Hubei Three Gorges Tourism Group Co.,Ltd.,Yichang,Hubei 443003,China)

　　Abstract:The high temperature alarm of cooling water occurred in the 100%load test of the emergency generator of a 65 m multi-purpose

　　marine working ship,and the reason for the high temperature alarm is the poor design of the ventilation system in the engine room.Through the

　　field temperature,humidity and wind speed measured,the ventilation and heat dissipation are calculated theoretically;combined with the

　　ventilation design model of the generator manufacturer,the ventilation system of the machine room is reformed,such as adding natural air

　　vents,moving mechanical air inlet,and adjusting the layout of the air duct in the machine room.The results show that after the improvement,

　　the ventilation and heat dissipation conditions are greatly improved,and the 100%load test of the emergency generator is passed smoothly.The

　　optimization and rectification scheme of the ventilation system provides reference for the subsequent ventilation design of the ship machine

　　room.

　　Key words:ventilation system;heat dissipation;ship

　　0引言

　　船舶通风的主要目的是在机舱内建立并维持适宜的环境条件，包括合适的温度、湿度、气流速度等[1]。目前，很多船舶生产单位都是依据经验来设计通风系统以保证适宜的机舱环境，其设计效果很难检验[2]。由于机舱温度场与流场的分布受到很多因素(如结构、风量、风口等)的影响，是一个非常复杂的问题，单纯根据经验来完成通风散热方案设计不够科学，易与实际情况产生较大偏差，造成大量返工与浪费，严重影响整条船的建造质量[3]。目前，只有各大研究院与大学实验室对其进行了可靠的模拟实验。随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)的发展，利用CFD技术研究典型的封闭机舱内的空气分布情况，在船舶通风设计中得到了越来越多的应用[4]。运用CFD软件设计机房通风系统需要进行复杂的流体力学计算和理论建模，耗时长，并且对设计师理论水平要求较高，因而时间成本和经济成本相对较高。本文总结改造船舶机房通风系统的实践经验，探索出一种更为简便易行的机房通风系统设计方法，力图降低设计成本，同时解决传统经验设计可靠性不足的问题。

　　1设计背景

　　某65 m系列多用途海洋工作船在进行应急发电机100%负荷实验时，柴油机的内部冷却水温达到98℃，出现高温报警。海洋工作船长期在海上作业，海洋平台所处环境十分恶劣，长期日晒且温度较高，由于平台面积有限，设备布置紧凑[5]。如果通风散热方式布置不合理，易出现高温区域面积增大、散热困难的现象，若机房内温度过高会使发电机组高温报警[6]，影响设备寿命。

　　该65 m系列多用途海洋工作船由新加坡某设计公司设计，该船设计环境要求：外界空气温度最大为45℃，最低为15℃；相对湿度最大为95%，最低为40%；海水温度最大为35℃，最低为15℃。该项目应急发电机房的主要设备配置和说明如表1所示。

　　本次试验时天气晴朗无风，外界环境温度为32℃。在100%负荷进行约1 h，机房内平均温度达43℃，在柴油机周边0.5 m区域的温度约为46℃，传感器显示柴油机的水温达到98℃，出现高温报警。经过检查报警系统和实测温度及转速，船厂排除监控系统误报警和柴油机超负荷运转的因素。

　　该柴油机冷却系统组成部分为柴油机机带水泵、散热水箱、柴油机机带风扇、节温器等。实际包含2个功能系统：冷却水回路和空气冷却通道。在水泵的作用下，冷却水在柴油机内部按照相应路线流动循环，吸收并带走燃烧做功产生的热量，并通过风扇和水箱的作用将热量散发到外界空气中，从而使柴油机的工作温度保持在一定范围内。

　　一般引起柴油机冷却水高温报警的因素可能是以下两个方面：一方面是冷却设备出现故障以致其功效达不到设计要求，如水泵工作转速达不到要求或者内泄漏导致水压过低，风机皮带打滑导致转速不够或者风机叶片受损导致输送空气量不足，水箱或者水管堵塞使得实际循环水量不足等；另一方面是设备运行环境恶劣，因而使其实际功效达不到设计要求，如外界环境空气温度过高，发电机房气流组织不畅通，风机出风口受阻等。某专家工程师对柴油机和发电机均进行了仔细的检查，没有发现机械设备和电气设备的故障，因而提出论断：机房通风系统设计不良导致柴油机出现高温报警。

　　2通风系统分析

　　2.1风量计算

　　通风量的计算采用ISO8861—1998中计算方法[7]，该方法不但考虑了燃料燃烧所需要的通风量，而且针对散热量，考虑了包括主辅机、锅炉等主要热源设备以及排气管、加热舱等散热部件对通风的需求[8]，是一种比较完备的算法。

　　机房中主要电气设备为变压器2台、充电机1台、配电板1台。查阅得变压器、充电机、配电板设备工作时的散热量分别为1.15、0.034、0.32 kW。经计算得出qe1=2.688 kW。

　　热柜为配置在机房中的柴油机补油柜，补油柜供油给柴油机工作，同时柴油机工作回油至补油柜中，回油温度约为45℃。

　　油柜表面未包扎绝热材料，油柜尺寸长×宽×高为1 144 mm×400 mm×1 640 mm，表面积S为5.98 m2。热柜表面辐射热量如表2所示。

　　根据表2，未做绝热包扎油柜的表面温度T与辐射热量Φt约呈线性关系，符合公式：

　　Φt=0.009 4 T-0.421 4(8)

　　将T=45代入式(8)得Φt=0.001 6 kW/m2，经计算得出qt=0.009 kW。将上述各计算参数代入式(2)得Qr=2.505 5 m3/s。

　　(3)按照规范计算所需空气量，计算公式如式(9)所示。

　　Q=Qd+Qr(9)

　　将式(1)~(2)所得值代入式(3)，得Q=2.781 6 m3/s，且有Q≥1.5Qd=0.414 15m3/s，所以取Q=2.781 6 m3/s。

　　柴油机自带风扇排量为4.91 m3/s，满足规范计算。可见，该厂家设计的该款柴油机自带风扇有足够的能力满足自身通风散热的要求。

　　2.2通风系统布置分析

　　船厂设置的该机房通风系统由机械送排风系统和自然通风系统组成，机械通风的排出口考虑风向、风压影响，应保证不发生回流现象[9]；自然通风系统应合理设计风口和风管，以保证合适的风速和风量。机房通风布置如图2所示。其中，机械送风系统由位于机房顶部的风机1、通风筒2及其配套风管4和通风格栅5组成，机械排风系统由船厂在机房后壁开设通风百叶窗7和机带风扇8组成。自然通风系统由位于机房顶部的结构风管9、通风百叶窗6和位于机房后壁的通风百叶窗3组成。

　　在忽略进出风损失的情况下，该机房的自然通风口全部为进风口，因为机带风扇排风量与机械风机送风量之间的差额为4.41 m3/s，即自然通风口3和6两者的总进风量为4.41 m3/s两者截面积分别为0.1、0.4 m2，按照单位时间的风量等于风速乘以截面积计算，进风口3和6处的空气流量分别为0.882、3.528 m3/s。空气流速为8.82 m/s。一般设计中进风口的截面积应该要足够大以尽量减少进风损失，保证空气流速不大于6 m/s[3]。可见，进风口设置偏小。

　　船厂从机械通风筒2和自然通风口3和6处测得实际进气温度分别为36、38、35℃。可见，由于距离排风口距离较近，部分从排风口出来的热空气未经过与大气的充分热交换就又进入到了机房的通风循环，实际的进风温度高于环境温度。进风口的设置位置有不合理之处。

　　该专家工程师给船厂推荐了几组对柴油机机房通风系统进行试验的方案总结。该柴油机机房通风模型如图3所示。图中箭头代表气流组织流向，F为设计基准风量的倍数，基准风量依据理论计算确定。例如：若按图3(a)布置通风系统，按基准风量值确定风机和风管即可，故F=1。若按图3(b)布置通风系统，则需要1.4倍的基准风量才可以满足柴油机的通风要求，相应的风机和风管需要重新计算以满足要求。同理，若按图3(c)、图3(d)布置通风系统，则分别需要2.0倍和3.33倍的基准风量。可见，按图3(a)设计通风系统最为理想。

　　船厂结合计算和实测数据并参考该厂家给出的方案对机房的通风系统进行了整改，优化后机房通风方案如图4所示。

　　整改内容1：在顶部增设一自然通风口6，取消原自然通风口3，整改后，理论上2个自然通风口6的空气流速为5.512 5 m/s，改善了进气流速；风口远离了出风口，改善了进气温度。

　　整改内容2：保留原机械送风机1规格不变，将其向船首移动2.4 m使其更加远离出风口的位置，另外将机房风管重新布置，使机械进风大部分改为从底部和侧面流过柴油发电机组，更加利于散热。

　　经过整改，再次进行100%负荷试验。试验时天气晴朗无风，外界环境温度为32℃，应急发电机室内平均温度约为34℃，在柴油机周边0.5 m区域的温度约为40℃。通风散热条件大为改善。试验历时2 h，水温维持在92~93℃，未出现高温报警。可见优化后效果比较理想。

　　3结束语

　　本文针对工程实践中应急发电机负荷试验出现高温报警的情况进行了分析，对机房的通风风量进行了理论计算，根据实测数据与理论计算对通风系统的配置进行了优化，结合柴油机厂家提供的实验模型，合理布置风管风口，优化了机房的气流流场。经优化改造后的通风系统顺利通过应急发电机负荷试验，满足使用要求。

　　依靠传统的经验来设计通风系统简单易行、成本较低，但由于设计师经验水平参差不齐，很多设计师设计的通风系统达不到良好的通风散热效果。运用CFD软件对机房进行通风系统设计需要进行复杂的流体力学计算和理论建模，耗时长，并且对设计师理论水平要求较高，因而时间成本和经济成本高。因此，运用成熟的ISO8861—1998通风计算方法，结合厂家经过实验验证的通风系统模型，对船舶机房的通风系统进行设计，既节约了设计成本，又能够满足通风系统的设计要求，解决了传统经验设计可靠性不足的问题。

参考文献：

　　[1]赫伟建.船舶机舱通风速度场温度场数值模拟[D].大连:大连海事大学,2005.

　　[2]梁彦超.某船机舱通风系统模拟分析及优化设计[D].上海:上海交通大学,2011.

　　[3]蒋仕伟.基于封闭机舱CFD分析的通风系统优化研究[D].上海:上海交通大学,2013.

　　[4]王艳梅,穆建树,黄志勇,等.应用Airpak模拟与分析船舶机舱通风系统[C]//2019年数字化造船学术交流会议论文集,2019:60-62.

　　[5]马仲麟,熊至宜,李涛,等.海洋平台发电机组通风散热的数值模拟[J].化工机械,2020,47(4):503-507.

　　[6]于晓红,于宏伟.海洋石油平台主变压器间通风系统自动化设计[J].石油和化工设备,2017,20(9):13-14.

　　[7]EN ISO 8861—1998,造船.柴油机船舶机舱的通风设计要求和计算基准[S].

　　[8]朱清.船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J].交通节能与环保,2011(1):16-19.

　　[9]魏占彪,张勇青,左勇胜,等.海洋平台通风系统设计方法简述[J].石油和化工设备,2018,21(1):28-30.