科考船实验室通风系统耦合设计_刘春江.pdf

SHIPENGINEERING 船 舶 工 程Vol.45 No.2 2023 总第 45 卷，2023 年第 2 期 110 科考船实验室通风系统耦合设计 科考船实验室通风系统耦合设计 刘春江，童雨舟，张晓红 （中国船舶与海洋工程设计研究院，上海 200011）摘 要：摘 要：针对科考船实验室通风系统的设计问题，以新型综合海洋科考船上的通用实验室作为研究对象，采用直接法和逻辑控制图对实验室风量、温度和压力等进行耦合设计，对温度、压力和风速进行计算分析，并与船舶试验测量数据进行对比验证。结果表明，将实验室压力作为逻辑控制的先决条件，并在此基础上对温度进行辅助调节才能更好地实现设计要求。关键词：关键词：科考船实验室；逻辑控制；温度；压力；耦合设计 中图分类号：中图分类号：U671.99 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.02.15 Coupling Design of Ventilation System for Scientific Research Ship Laboratory LIU Chunjiang,TONG Yuzhou,ZHANG Xiaohong(Marine Design and Research Institute of China,Shanghai 200011,China)Abstract:Aiming at the problem of ventilation system design,taking the general laboratory on the latest domestic comprehensive marine scientific research ship as the research object,the direct method and logical control chart are used to elaborate the coupling design of laboratory air volume,temperature and pressure.The air environment in the laboratory is calculated and analyzed for temperature,pressure and wind speed,which is verified and compared with the measured data of ship test.The results show that the pressure in the laboratory of the scientific investigation ship is the prerequisite of logic control,and the auxiliary adjustment of temperature on this basis can better meet the design requirements.Key words:research ship laboratory;logical control;temperature;pressure;coupling design 0 引言引言 目前国内设计的科考船主要以培养深海远洋创新型人才为主要任务，兼顾人才培养、深海远洋科学探究以及技术创新研发应用，其船上实验室的工作环境控制是需重点关注的内容1。科考船上的通用实验室采用负压设计2，可避免实验室内有害危险气体流窜到其他舱室，保证了实验室工作环境的安全性3。实验室的通风系统主要分为排风系统和供风系统，排风系统既要考虑排风柜排风，又要满足房间的换气次数和其他辅助排风；供风系统主要解决房间的风量平衡和温度控制。排风柜作为实验室内的重要试验设备，其工作状态对房间排风系统的影响较大4。以往实验室通风设计仅考虑维持房间压差，采用定风量通风系统，没有考虑科考人员的舒适性和节能5。本文以某型综合科考船通用实验室为研究对象，排风和供风系统均采用变频设计，充分考虑排风柜各种工况下的排风量，既保证了恒定的通风流速又降低了系统耗能，同时还兼顾了实验室内温湿度环境的舒适性。1 实验室通风系统设计原则实验室通风系统设计原则 1.1 系统安全系统安全 实验室内的空气环境应确保工作人员的安全和健康。要保证实验室的安全性，根据JG/T 2222007 实验室变风量排风柜必须保证排风柜的入口面风速维持在0.5 m/s0.1 m/s。实验室内存在一定的负压，从安全性角度考虑，送风应尽量是全新风，可根据具体情况适当调整，以保证室内换气次数最少。1.2 系统先进且成熟系统先进且成熟 采用先进的技术方案和设备。所有的变风量末端都应实测风量，并以此来准确调节送排风量，保证房间负压。由于实验室的变风量产品数量众多，并需要快速响应调节风量大小，因此会导致管道静压波动大，收稿日期：2022-02-12；修回日期：2022-07-12 作者简介：刘春江（1986），男，工程师。研究方向：船舶空调、冷藏、通风设计。刘春江等，科考船实验室通风系统耦合设计 111 采用压力相关型的变风量末端产品无法保证风量的稳定，所以必须使用压力无关型变风量末端产品6。1.3 便于安装使用以及系统维护便于安装使用以及系统维护 考虑船体结构的限制，系统的方案设计应便于空调机组、送排风风管、排风风机和系统控制部件的安装，以及系统后期的使用和维护，并包含对实验室将来根据需要增加或调整部分排风柜的预案。2 实验室通风系统控制设计实验室通风系统控制设计 2.1 排风柜变风量控制排风柜变风量控制 排风柜变风量控制以面风速和排风量为控制对象。面风速传感器实测排风柜的入口面风速，并把实际面风速值传递给排风柜通风控制器，控制器将实际面风速与设定值（如0.5 m/s）进行对比，如果出现偏差，则调整排风量设定值；变风量调节阀传感器将实测到的当前排风量值传输至控制器，并与设定排风量值进行对比，当二者出现偏差，控制器输出信号给执行器，对阀位进行调整。通过排风量和阀位协同控制调整，保证面风速达到理想工况。排风柜的控制逻辑见图1。图 1 排风柜控制逻辑图 2.2 各实验室最小换气次数控制各实验室最小换气次数控制 首先各排风设备按照工艺需求排风，如：排风柜的排风量在风量范围内应满足工况和面风速的要求；万向排风罩和药品柜应按定风量排风。其次，若排风设备的排风量之和 Ve满足换气次数的要求，即大于室内最小排风量 Vmin，则室内辅助排风阀保持最小排风量；如不满足，则室内辅助排风阀控制风量到（VminVe），使总排风正好满足室内最小排风量。2.3 各实验室风量平衡各实验室风量平衡 房间送风控制阀的控制逻辑见图 2。每个排风柜的实际排风量经过数据总线传输到该实验室的送风控制器，送风控制器将每个排风柜的排风量和系统中其他辅助排风量结合计算出实验室的总排风量，并考虑余风量值，确定房间所需送风量。余风量由实验室压力控制需要及房间密闭情况等决定7，在调试时可设定。送风控制器将系统的送风量设定值与实际测得的送风量进行比较，2 个数据有偏差时，将数据输送至执行器，立即调整控制阀位，最终实现系统所需要的送风量，送风阀控制原理见图3 和图4。图2 房间送风控制逻辑图 图3 送风阀控制连接示意图 船舶动力、推进装置和辅机设备 112 图4 送风阀控制原理图 2.4 通风系统的压力控制通风系统的压力控制 通过风管压差传感器测得系统静压，根据这一静压值控制风机转速，以满足不同工况下不同送、排风量的需求。同一空调箱和排风区域存在多个实验室和敞开的公共空间实验室，应确保实验室控制系统可以按照风量平衡表中的配置分别控制各个实验室或敞开空间的排风设备和房间送排风，从而满足通风要求，控制压力梯度。系统的各个变风量阀或定风量阀都是压力无关型的，并且压力工作范围很宽，为50 Pa1 000 Pa，因此，大系统中的子系统可以独立稳定控制，不会互相干扰产生系统振荡，且控制器内置有先进的、针对实验室通风的、快速压力控制的算法，可以保证压力控制稳、准、快8。从调试策略来说，先保证敞开空间的压力稳定，然后快速调节并控制其内各个实验室的压力。敞开空间推荐设置压差变送器。各个实验室可根据具体情况决定是否配置压差变送器。至于一个系统带多台排风柜的情况，一般建议不宜超过25 台排风柜，否则会存在以下问题：1）系统可靠性降低，排风机或送风机的故障会导致大量的排风柜不能使用。2）离风机较近的实验室可能因管道压力高而使阀开度较小，导致室内噪声加大且能耗增加。2.5 实验室温度控制实验室温度控制 以实验室内的压力作为设计基础，实验室温度通过空调送风和辅助柜机进行控制。实验室内的压力建立后，空调送风量基本围绕相对固定的数值进行送风，实验室内的温度传感器测得房间温度与目标设定值存在偏差时，提高或降低空调送风温度逐渐实现实验室内温度达到设定值9。在特殊情况下，由于空调送风温度临近极限无法平衡实验室内的冷热负荷时，启动辅助柜机补充空调系统的制冷或制热能力，最终实现实验室温度和压力同时满足设计要求。2.6 减少系统之间的影响减少系统之间的影响 根据设计原则，本船实验室根据船上舱室布置采用一套独立的空调送风系统和独立的实验室排风系统。采用变风量（Variable Air Volume,VAV）系统的实验室每个排风柜上设有排风控制阀，控制该排风柜的排风量，以保证排风柜通风入口的平均面风速，并可以根据试验时柜门实际开度的变化做出快速反应10。为每个万向排风罩和药品柜配置一个定风量阀。为保证实验室内人员安全，达到实验室内每小时 8 次换气次数的最小通风量，设置辅助排风口从舱室顶部排风。考虑实验室的实际需要和使用情况，除了有24 h恒定通风要求的房间外，每个实验室配置1 组房间工况切换开关，用于将房间的通风模式切换至紧急工况、夜晚待机工况或系统停用工况。为了达到系统节能，提高运行效果，通风系统的送排风电机采用变频控制技术。当试验人员把排风柜拉窗关小时，应关小排风控制阀来减少排风量，以保证排风柜的面风速，此时排风总管中的静压绝对值增大，排风机变频器通过设置在排风总管中的静压传感器收到压力变化值，调整变频器的频率，降低排风机转速11。反之，当试验人员把排风柜拉窗开大时，应开大排风控制阀来增加排风量，以保证排风柜的面风速，此时排风总管中的静压绝对值会减小，排风机变频器通过静压传感器收到压力变化值，调整变频器的频率，提高排风机转速，排风总管中的静压绝对值也达到设定数值，最终实现排风量满足系统需求。3 通用实验室通风设计方案通用实验室通风设计方案 某新型综合海洋科考船通用实验室 3 布置了排风柜、万象排风罩、药品柜等辅助排风设备，实验设备比较齐全，实验室面积76 m2，高度2.2 m，通风系统设计比较典型。为了防止实验室的有害气体扩散到实验室以外区域，实验室内部必须维持负压，即实验室的总排风量始终大于送风量。为保证实验室负压，通用实验室 3采用 1 台排风柜变风量排风、4 台万向排风罩定风量排风、1 台药品柜定风量排风、1 台辅助排风设备定风量排风，采用1 台房间送风阀调节变风量送风和自然渗透风之间的平衡。通用实验室 3 的通风布置原理见图5。3.1 系统通风计算系统通风计算 3.1.1 实验室内负压控制计算 考虑到该实验室区域需保持50 Pa 负压，并作为其他实验室的压力参考点，根据设计要求，送排风量差取1 次换气次数168 m3/h。实验室内送排风量相差168 m3/h 时，在门窗关闭状态下，实验室内会产生明显的负压。实际情况是，由于实验室的密封性差异，维持50 Pa 所需的风量差刘春江等，科考船实验室通风系统耦合设计 113 可能与168 m3/h 有差距，但可在最终调试时解决。图 5 通用实验室 3 的通风布置原理图 3.1.2 排风柜最大排风量 排风柜的风量为200 m3/h1 200 m3/h。最终其最小排风量也可参照最小总排风适量调整。3.1.3 实验室总排