船舶變頻海水系統(tǒng)仿真軟件設計與實現(xiàn)

林開進+李彬彬

摘要：傳統(tǒng)的船舶海水系統(tǒng)的培訓和操作訓練軟件是在工頻模式的設計工況下工作的，這已不能適應新的減排規(guī)則和相關公約要求.本文以載重量為30 000 t 的多用途船的海水系統(tǒng)為仿真對象，根據(jù)海水系統(tǒng)原理、能量守恒定律和傳熱學基本理論，建立變頻海水系統(tǒng)的數(shù)學模型.運用計算機仿真技術模擬該系統(tǒng)的操作和監(jiān)控功能，在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下采用C#語言實現(xiàn)該系統(tǒng)的相關界面設計和功能仿真.對該系統(tǒng)進行全面的操作和功能測試.結果表明，該系統(tǒng)軟件能逼真地反映海水系統(tǒng)在變頻模式下的工作狀況和實際動態(tài)過程.這對提高船員的操作水平及保證操作過程中的可靠性和安全性起到重要作用.

關鍵詞： 船舶； 海水系統(tǒng)； 變頻模式； 系統(tǒng)仿真

中圖分類號： U664.814

文獻標志碼： A

Abstract： The training and operation training software of the traditional ship seawater system works under the condition of power frequency mode， which can not meet new emission reduction regulations and related convention requirements. A multipurpose ship with dead weight of 30 000 t is used as the simulated object. The mathematical model of the variable frequency seawater system is established by the seawater system principle， the law of conservation of energy and the basic theory of heat transfer. The operation and monitoring functions of the system are simulated by computer simulation technology. Using C# language and Visual Studio 2010 as development environment， the relevant interface design and functional simulation of the system are realized. The comprehensive operation and function test is done. The results show that the software of the system can reflect working conditions and actual dynamic process in the variable frequency mode. The system plays an important role in improving the operation level of crew and ensuring the reliability and safety in the operation process.

Key words： ship； seawater system； variable frequency mode； system simulation

0 引 言

船舶中央冷卻系統(tǒng)是船舶動力系統(tǒng)的重要組成部分，其主要利用海水系統(tǒng)的開式循環(huán)通過中央冷卻器對形成閉式循環(huán)的低溫淡水進行冷卻，從而使船舶其他需要冷卻的設備（如主機、缸套等）的溫度保持在合理的材料許用限值內(nèi).目前，船上的海水系統(tǒng)及設備的設計滿足的都是設計工況下的要求，這種設計工況（主機功率為100%最大持續(xù)功率（MCR），海水溫度為32 ℃）所需的冷卻能力大于船舶實際航行工況（主機功率為約85%MCR，海水平均溫度為24 ℃）所需的冷卻能力，而實際上船舶長時間工作在經(jīng)濟航速下，因此造成了大量的能源浪費.

近年來，隨著對船舶自動化、綠色化和智能化要求的不斷提高，國內(nèi)及國際強制性的減排規(guī)則接踵而至，如何實現(xiàn)船舶的節(jié)能減排成為航運業(yè)最為關心的問題之一.傳統(tǒng)船舶的海水系統(tǒng)是在工頻模式的設計工況下工作的，不僅浪費能源，而且有害氣體排放量大，已明顯不能適應新規(guī)則的要求.另外，海水系統(tǒng)涉及的設備較多，工作過程較為復雜，這對船員的操作熟練水平有更高的要求.為實現(xiàn)海水系統(tǒng)的節(jié)能減排，同時兼顧系統(tǒng)操作的安全性和可靠性，加強對操作人員的培訓是一個必不可少的環(huán)節(jié).

針對海水系統(tǒng)變頻節(jié)能，許多學者進行了深入的研究：文獻[13]提出了使用變頻調(diào)速的節(jié)能方法，但只是做了定性節(jié)能分析；文獻[45]對船舶中央冷卻系統(tǒng)進行建模，并提出了控制策略，但實際的可操作性不強；文獻[6]將直接轉(zhuǎn)矩控制理論應用于主海水泵的變頻控制，并用Simulink進行仿真，但該方法只能用于分析驗證，可操作性不強.針對上述問題，本文以載重量為30 000 t的多用途船的海水系統(tǒng)為仿真對象，根據(jù)海水系統(tǒng)原理、能量守恒定律和傳熱學基本理論，建立變頻海水系統(tǒng)的數(shù)學模型，并對該系統(tǒng)的操作和監(jiān)控功能進行仿真；在Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境下運用C#語言設計開發(fā)船舶海水管路系統(tǒng)仿真界面、變頻海水泵操控界面和系統(tǒng)監(jiān)控界面等，并對開發(fā)的變頻海水系統(tǒng)仿真軟件進行操作與功能測試，從而在實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能的同時實現(xiàn)對船員的培訓操作，提高系統(tǒng)操作的安全性和可靠性.

1 變頻海水系統(tǒng)中設備的數(shù)學建模

變頻海水系統(tǒng)的核心在于建立海水系統(tǒng)各關鍵設備的數(shù)學模型，進而根據(jù)船舶的不同工況以及柴油機的不同功率求出某一特定工況下的冷卻需求，對船舶的主海水泵進行變頻調(diào)速，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能.

1.1 船舶中央冷卻系統(tǒng)的熱力計算數(shù)學模型

現(xiàn)今船舶的絕大多數(shù)中央冷卻器都采用逆流換熱的板式冷卻器，一側為用于冷卻低溫淡水的海水，另一側為用于冷卻其他設備的低溫淡水.整個系統(tǒng)的示意圖見圖1.

1.2 三通溫控閥的數(shù)學模型

在船舶正常航行中，溫控閥雖然是一個小設備，但其性能的好壞直接關系到船舶中央冷卻系統(tǒng)乃至整個船舶動力系統(tǒng)的安全性.中央冷卻系統(tǒng)中溫控閥的控制原理為：在溫控閥出口管路的某點安裝溫度傳感器，將測得的實際溫度與控制器的給定溫度（通常為36 ℃）比較后得到偏差值，并按控制器的控制算法通過執(zhí)行機構控制溫控閥的開度來改變冷卻水經(jīng)過中央冷卻器與旁通中央冷卻器的比例，進而穩(wěn)定系統(tǒng)所需的溫度值.

盡管式（13）為泵在變速運行時的體積流量與轉(zhuǎn)速的關系，但這并不意味著轉(zhuǎn)速可以降低到任意值.由Michel A Bernier等通過大量實驗得到的變頻器和電機效率的回歸曲線方程可知，當泵的變速范圍在額定轉(zhuǎn)速的50%～100%之間時有利于海水泵保持高效率運行，因此可以得到海水泵維持在高效點附近運行的轉(zhuǎn)速范圍是890～1 760 r/min.

2 軟件體系結構設計

軟件體系結構設計是軟件設計的核心環(huán)節(jié)之一.在變頻海水系統(tǒng)中，不僅要實現(xiàn)各交互變量與用戶的交互操作，還需要每個操作都結合各設備的數(shù)學模型，且符合系統(tǒng)的工作原理，最后還要實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控顯示.由此可見，整個系統(tǒng)的關聯(lián)性強，耦合性高.為降低系統(tǒng)及設備的耦合性，采用三層架構的結構設計思想[12].三層分別指表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層，其結構見圖3.

表示層：位于系統(tǒng)的最外層，其主要功能是顯示主要監(jiān)控參數(shù)（體積流量、壓力、轉(zhuǎn)速等）以及接收和響應用戶操作時輸入的數(shù)據(jù)（閥、旋鈕、按鈕等）.

業(yè)務邏輯層：主要負責處理用戶輸入信息，或者將這些信息發(fā)送給數(shù)據(jù)層進行保存，或者通過數(shù)據(jù)層從數(shù)據(jù)庫讀取這些信息.

它將數(shù)據(jù)層輸入的數(shù)據(jù)用于模型與邏輯計算，然后將計算結果送至數(shù)據(jù)層.

該層主要包括兩方面的內(nèi)容，一是定義不同設備的模型類（中央冷卻器類CentreCoolerClass，變頻海水泵類PumpClass和三通溫控閥類ThreeValveClass），二是根據(jù)系統(tǒng)原理定義邏輯類，滿足系統(tǒng)的操作和功能要求.

數(shù)據(jù)層：僅實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時保存和讀取操作.在該軟件中定義了一個DataGroup公共類，通過不斷地實時刷新來更新每個狀態(tài)下的變量數(shù)據(jù).

在該軟件體系結構中，通過控件在表示層上實現(xiàn)人機交互操作和變量參數(shù)的狀態(tài)顯示，根據(jù)已建立的中央冷卻器、變頻海水泵等數(shù)學模型對各模型進行程序化與封裝，以供邏輯類調(diào)用，將計算出的數(shù)據(jù)實時儲存在數(shù)據(jù)層，最終通過實時刷新數(shù)據(jù)在表示層上顯示.

以截止閥操作為例進行說明.截止閥是一個bool量，因此可以定義截止閥的狀態(tài)屬性，true表示開，false表示關；用戶在表示層單擊某一截止閥，就觸發(fā)了一個單擊事件，同時該閥的狀態(tài)屬性發(fā)生改變；業(yè)務邏輯層首先獲取該閥的狀態(tài)屬性，然后根據(jù)系統(tǒng)原理對與該閥相關的模型及邏輯進行計算，將計算結果通過數(shù)據(jù)層的不斷刷新顯示在人機交互界面上，最終界面上該閥的顏色變?yōu)榫G色（原來為灰色），與該閥有關的體積流量和壓力等數(shù)據(jù)發(fā)生變化.

3 變頻海水系統(tǒng)仿真軟件設計

船舶變頻海水系統(tǒng)仿真軟件設計包括海水管路系統(tǒng)仿真軟件設計和變頻海水泵操控軟件設計，以及根據(jù)系統(tǒng)原理和船舶操作規(guī)范實現(xiàn)兩者的有效連接，使其盡可能地貼近實船系統(tǒng)的動態(tài)過程.[1314]

3.1 海水管路系統(tǒng)仿真軟件設計

為設計變頻海水仿真系統(tǒng)，以載重量為30 000 t的多用途船的海水系統(tǒng)為仿真對象.該系統(tǒng)使用的中央冷卻器為ALFA LAVAL公司生產(chǎn)的型號為T20PFG 的板式冷卻器，數(shù)量為2組，采用一用一備的工作模式，傳熱系數(shù)為7 514 W/（m2·K），傳熱面積為150.4 m2，進出口溫度分別為62 ℃和36 ℃，海水進出中央冷卻器的設計溫度分別為32 ℃和49.1 ℃.

管路系統(tǒng)的軟件包括靜態(tài)部分和動態(tài)部分.靜態(tài)部分主要指海水管路系統(tǒng)底圖（見圖4）：使用CorelDRAW平面設計軟件，根據(jù)海水系統(tǒng)的原理、布置要求以及各關鍵設備的結構，繪制符合規(guī)范和分辨率要求（一般為1 280×720）的系統(tǒng)底圖，然后以PNG圖片形式導出，以待在設計軟件程序時使用.動態(tài)部分主要指系統(tǒng)中可操作的設備和用來監(jiān)控顯示的控件，如截止閥、三通溫控閥、體積流量標簽、壓力表和溫度表，不同的操作狀態(tài)都要經(jīng)數(shù)學模型計算后輸出.

在變頻海水系統(tǒng)仿真軟件的開發(fā)過程中，利用Visual Studio 2010軟件作為集成開發(fā)環(huán)境，采用C#語言實現(xiàn)變頻海水系統(tǒng)的工作過程.海水管路系統(tǒng)仿真界面（見圖5）包括1個高位海水箱、1個低位海水箱、3個變頻海水泵、2個中央冷卻器和若干截止閥.在正常的航行工況中，海水泵根據(jù)不同的海水干凈程度從高位閥箱或者低位閥箱抽吸海水經(jīng)管路送至中央冷卻器，在中央冷卻器中不僅有海水的進、出口，還有低溫淡水的循環(huán)回路，這樣就實現(xiàn)了用海水不斷地冷卻低溫淡水，而用低溫淡水再去冷卻船舶其他關鍵設備的功能要求.

3.2 變頻海水泵操控軟件設計

采用丹麥IRON PUMP Copenhagen生產(chǎn)的變頻海水泵，其型號為QV10/300，數(shù)量為3臺，額定體積流量為535 m3/h，額定揚程為0.25 MPa，額定功率為48 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 775 r/min.在正常的航行工況下采用兩用一備的工作模式.

變頻海水泵操控軟件設計仍采用三層架構的設計思想.模型層主要是根據(jù)變頻海水泵的工作特性將其封裝為一個SeaWaterPump類，留下一些接口，如揚程、體積流量和功率，當3臺海水泵中的任意一臺開始工作時，只需將SeaWaterPump類進行實例化.業(yè)務邏輯層以系統(tǒng)原理為基礎，根據(jù)不同的操作和變量狀態(tài)保證系統(tǒng)符合實船的工作要求和功能要求.用戶層主要用于系統(tǒng)與用戶的交互，根據(jù)用戶的輸入和航行工況進行相關參數(shù)的監(jiān)控和顯示.設計的變頻海水泵操控界面見圖6，其中海水泵轉(zhuǎn)速控制流程見圖7.

變頻海水泵轉(zhuǎn)速控制流程主要為：檢測通過三通溫控閥后的海水的溫度是否為設定值36 ℃；以此溫度為控制對象，首先調(diào)節(jié)三通溫控閥的開度，若在某一開度時海水泵提供的冷卻量大于換熱量，則降低海水泵轉(zhuǎn)速，否則提高海水泵轉(zhuǎn)速.此外，為避免海水發(fā)生鹽析，設定海水出口的安全溫度為44 ℃.

4 變頻海水系統(tǒng)仿真軟件的操作與測試

變頻海水系統(tǒng)仿真軟件不僅要實現(xiàn)根據(jù)具體操作完成對整個系統(tǒng)體積流量、壓力的實時仿真，而且還要能夠根據(jù)不同的工作狀態(tài)實現(xiàn)對海水泵的工頻/變頻切換和自動起?？刂?因此，需要對所設計的仿真軟件進行功能測試.

首先根據(jù)系統(tǒng)原理在海水管路系統(tǒng)仿真面板中從海水入口處開始，依次打開從海底海水箱到海水總管的設備，經(jīng)過中央冷卻器最終到舷外的截止閥，然后在控制面板中供電（“電源”指示燈變亮，表示系統(tǒng)已經(jīng)供上電）.當處于工頻模式時，選擇一種負荷模式，如主機功率為85%MCR，海水溫度為28 ℃，當手動/自動旋鈕旋至手動時，可以在海水泵旁手動起停海水泵，起動后的狀態(tài)由原來的暗綠色變?yōu)榫G色，當手動/自動旋鈕旋至自動時，系統(tǒng)可以根據(jù)不同工況自動起停海水泵，但由于在工頻模式下運行的海水泵只能處于額定功率，海水泵的體積流量、揚程和轉(zhuǎn)速幾乎都是穩(wěn)定不變的.當處于變頻模式時，可以根據(jù)不同的主機功率和海水溫度，通過換熱器類和負荷類計算系統(tǒng)所需的海水體積流量和轉(zhuǎn)速，以此轉(zhuǎn)速為輸入來變頻調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)其體積流量，還可以根據(jù)所設計的泵的切換策略，實現(xiàn)泵的工頻/變頻自動切換.例如：當船舶的冷卻需求小于一臺泵的額定體積流量時，變頻起動一臺泵，這一般發(fā)生在船舶靠港時，此時主機處于停機狀態(tài)；當船舶的冷卻需求大于一臺泵的額定體積流量時，處于變頻狀態(tài)下的泵會自動切換到工頻狀態(tài)，然后再變頻起動另外一臺泵，實現(xiàn)了根據(jù)不同的冷卻負荷狀態(tài)自動調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速和工頻/變頻切換，這一般發(fā)生在船舶處于經(jīng)濟航速（85%的設計航速）且航行在海水溫度較低的航區(qū)時.在海水管路系統(tǒng)仿真界面上，可以根據(jù)實船的相關原理和操作規(guī)程實現(xiàn)海水管路系統(tǒng)的仿真，并對相關的體積流量和壓力參數(shù)進行實時動態(tài)顯示.在軟件監(jiān)控界面（見圖8）上，對系統(tǒng)重要參數(shù)和3臺主海水泵的參數(shù)進行實時監(jiān)控和顯示，這不僅能減少人員對設備的巡檢次數(shù)，提高維護管理水平，還能讓培訓人員對系統(tǒng)有更深刻的認識.

5 結束語

本文建立了船舶變頻海水系統(tǒng)及其設備的數(shù)學模型，并運用Visual Studio 2010開發(fā)了船舶變頻海水系統(tǒng)的仿真軟件，包括海水管路系統(tǒng)仿真軟件、變頻海水泵操控軟件和系統(tǒng)監(jiān)控軟件等.所設計的仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)原理模擬海水系統(tǒng)在不同工況下的各種操作，并且可以根據(jù)不同的外界環(huán)境和主機功率，動態(tài)、直觀地顯示海水泵在工頻和變頻模式下的運行狀態(tài).用自定義開發(fā)的旋鈕、截止閥、按鈕等控件進行操作輸入，用指示燈和轉(zhuǎn)速表實現(xiàn)相關參數(shù)的顯示和狀態(tài)指示.此外，還實現(xiàn)了對系統(tǒng)的一些主要參數(shù)的實時監(jiān)控，如體積流量、壓力和溫度.該仿真系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了船舶變頻海水系統(tǒng)的所有操作功能，可以讓培訓人員對該系統(tǒng)的工作狀況和運行原理有比較清楚和直觀的認識.最后，對設計的仿真軟件進行了詳細的操作和測試.操作結果表明，該系統(tǒng)能夠全面、真實地反映船舶變頻海水系統(tǒng)在實船上的動態(tài)過程，對學員提高操作熟練度，加強把變頻調(diào)速應用在海水系統(tǒng)中的理解，以及提高系統(tǒng)操作的安全性和可靠性都起到十分重要的推動作用.

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（編輯 趙勉）