變頻器在船舶海水冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭 琴

（長江航道局 武漢430010）

引 言

船舶冷卻水系統(tǒng)是船舶動(dòng)力裝置安全可靠運(yùn)行的重要保障。船舶主機(jī)和船上大功率電力電子設(shè)備由于發(fā)熱量大，如果使用自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷，無法將產(chǎn)生的熱量帶走，而用冷卻水循環(huán)冷卻來替代風(fēng)冷，能夠明顯提高冷卻效果。因?yàn)楹Ｋ母g性大，如果直接進(jìn)入設(shè)備會(huì)減少設(shè)備的使用壽命，因此一般的船舶都采用海水冷卻淡水，淡水再冷卻設(shè)備的方法達(dá)到冷卻設(shè)備的目的。

通常海水泵按照最大負(fù)荷工況下的容量設(shè)計(jì)。大部分情況下，海水泵實(shí)際負(fù)荷均小于設(shè)計(jì)值。常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)中海水泵由普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)不同工況選擇運(yùn)行海水泵的數(shù)量。變頻海水冷卻系統(tǒng)中海水泵由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻控制系統(tǒng)根據(jù)淡水冷卻水出口溫度，反饋調(diào)節(jié)控制海水泵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)海水冷卻水流量。通過此方法能大幅降低海水泵的功率從而達(dá)到節(jié)能降耗，綠色環(huán)保的目的。

1 變頻海水冷卻系統(tǒng)工作原理

1.1 水泵流量調(diào)節(jié)

水泵性能曲線與管路特性曲線如圖1所示［3］。圖1中的B、C曲線為轉(zhuǎn)速分別在n1、n2時(shí)的水泵性能曲線，n1＞n2。圖1中的A、D曲線為閥門開度K改變的管路特性曲線，Ka＞Kd。其中H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程，m；Q為使用工況點(diǎn)的流量，m3/h［1］。

圖1 泵的Q-H曲線

當(dāng)需要改變工作點(diǎn)的流量時(shí)，應(yīng)改變工作點(diǎn)的位置，現(xiàn)假設(shè)需要將工作點(diǎn)流量從Q2改為Q1，具體有如下兩種方法［2］：

1.1.1 改變閥門開度

改變水泵管路上的閥門開關(guān)，即改變管路特性曲線，從A曲線更改為D曲線，使管路特性曲線變陡。如圖1所示，工作點(diǎn)由M2更改為M1，流量由Q2減小為Q1，揚(yáng)程由H2增大為H1。閥門調(diào)節(jié)流量方便迅速，且流量可以連續(xù)變化。

1.1.2 改變泵的轉(zhuǎn)速

改變泵的轉(zhuǎn)速是改變泵的特性曲線。如圖1所示，工作點(diǎn)由M2更改為M3，轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，流量由Q2減小為Q1，揚(yáng)程由H2減小為H3。這種調(diào)節(jié)法能保持管路特性曲線不變。當(dāng)流量隨轉(zhuǎn)速下降而減小時(shí)，阻力損失也相應(yīng)降低。

1.2 變頻調(diào)速節(jié)能的實(shí)現(xiàn)

用轉(zhuǎn)速控制流量時(shí)，當(dāng)流量要求從Q2下降到Q1時(shí)，根據(jù)離心泵的特性公式［4］：

式中： P為水泵使用工況軸功率，kW；Q為使用工況點(diǎn)的流量，m3/s；H為使用工況點(diǎn)的揚(yáng)程，m；r為輸出介質(zhì)的單位體積質(zhì)量，kg/m3；η為使用工況點(diǎn)的泵效率，%。

可求出運(yùn)行在M1、M2、M3點(diǎn)泵的軸功率分別為：

若改變閥門開度，則工作點(diǎn)由M2到M1。若改變泵轉(zhuǎn)速，則工作點(diǎn)由M2到M3。M1、M3點(diǎn)兩者軸功率之差為：

變頻調(diào)速依據(jù)的是交流電動(dòng)機(jī)工作中的轉(zhuǎn)速關(guān)系：

式中：f為水泵電機(jī)的電源頻率，Hz；p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)；S為轉(zhuǎn)差率。

由式（6）可知，均勻改變電動(dòng)機(jī)電子繞組的電源頻率f，就可以平滑地改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，軸功率相應(yīng)減少，電機(jī)輸入功率也隨之減少。

2 變頻海水冷卻系統(tǒng)方案

變頻海水冷卻系統(tǒng)由海水泵變頻器、海水泵、溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、控制系統(tǒng)、啟動(dòng)器、LCD屏等組成，系統(tǒng)原理圖見下頁圖2。

海水泵變頻器是本系統(tǒng)的核心部分。采用變頻控制方法，針對(duì)離心海水泵的管路特性曲線，在滿足最小流量、冷卻量的基礎(chǔ)上，結(jié)合主機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況，采用模糊控制法，設(shè)定最小流量需求，適時(shí)調(diào)整海水泵轉(zhuǎn)速。

圖2 海水泵控制系統(tǒng)原理圖

變頻器使電動(dòng)機(jī)工作在最優(yōu)轉(zhuǎn)速范圍，具有過電壓、過電流、低電壓、過負(fù)載、超溫及缺相等保護(hù)。

淡水出口溫度作為最終控制量，用于變頻器反饋調(diào)節(jié)。海水進(jìn)出口以及淡水進(jìn)口溫度，作為控制條件，輸入到控制系統(tǒng)中。

流量傳感器用于海水泵故障檢測及自動(dòng)啟動(dòng)。

海水總管壓力傳感器作為控制條件，輸入到控制系統(tǒng)中。保證海水總管壓力不低于最小值（約0.12 MPa）。

三通閥開度信號(hào)用于判斷海水側(cè)的熱交換效率，以便為海水泵自動(dòng)調(diào)速作比較。

控制系統(tǒng)具有淡水溫度控制、水泵變頻/旁路運(yùn)行、故障切換和順序起動(dòng)等功能。淡水出口設(shè)定溫度可以在LCD上調(diào)整?？刂葡到y(tǒng)分手動(dòng)和自動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下，根據(jù)淡水溫度來控制海水泵轉(zhuǎn)速，當(dāng)運(yùn)行的海水泵達(dá)到滿速，而淡水溫度還高于設(shè)定溫度，則增加1臺(tái)備用泵；當(dāng)多臺(tái)同時(shí)運(yùn)行的海水泵達(dá)到最低轉(zhuǎn)速，而淡水溫度還低于設(shè)定溫度，則自動(dòng)停止1臺(tái)泵。當(dāng)某臺(tái)變頻器故障時(shí)，水泵可切換到旁路運(yùn)行模式，處于旁路運(yùn)行模式時(shí)，變頻器不參與海水泵控制?？稍贚CD上設(shè)定3臺(tái)海水泵的啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)需要啟動(dòng)海水泵時(shí)，控制系統(tǒng)可根據(jù)海水泵優(yōu)先級(jí)順序啟動(dòng)。

海水泵變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含本地/遙控功能。

3 系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比

針對(duì)某型挖泥船，分別采用常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)和變頻海水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)性分析，可以很明顯的看到變頻海水冷卻系統(tǒng)的節(jié)能效果。

某型挖泥船配置如下：

主發(fā)電機(jī)組

4 224 kW 3臺(tái)

1 500 kW 1臺(tái)

停泊發(fā)電機(jī)組

500 kW 1臺(tái)

海水冷卻泵

550 m3/h 3臺(tái)（兩用一備）

海水泵電機(jī)功率

53 kW

3.1 常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)

當(dāng)船舶海水冷卻系統(tǒng)采用非變頻系統(tǒng)，2臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，將持續(xù)運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵；只有在負(fù)荷低至只需開啟1臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)時(shí)，才可只運(yùn)行1臺(tái)550 m3/h海水泵。2臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)同時(shí)停泊時(shí)，需通過停泊海水泵來保證全船冷卻運(yùn)行。

3.2 海水變頻冷卻系統(tǒng)

當(dāng)使用3臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)加1臺(tái)1 500 kW主發(fā)電機(jī)作業(yè)時(shí)，冷卻海水排量需求約為1 100 m3/h，海水系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。此時(shí)海水泵電機(jī)功率53 kW。

當(dāng)使用3臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)作業(yè)時(shí)，冷卻海水排量需求約為980 m3/h，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。單臺(tái)海水泵排量可以降至490 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率約37 kW。

當(dāng)使用2臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)加1臺(tái)1 500 kW主發(fā)電機(jī)作業(yè)時(shí)，冷卻海水排量需求約為850 m3/h，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。單臺(tái)海水泵排量可以降至425 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率約24 kW。

當(dāng)使用2臺(tái)4 224 kW主發(fā)電機(jī)作業(yè)時(shí)，冷卻海水排量需求約為730 m3/h，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。但是考慮系統(tǒng)固有阻力限制，單臺(tái)海水泵排量無法降至365 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率估計(jì)約24 kW。

停泊工況時(shí)運(yùn)行1臺(tái)海水冷卻泵，需求排量為220 m3/h。省去停泊海水泵，運(yùn)行1臺(tái)550 m3/h海水泵。但是考慮系統(tǒng)固有阻力限制，單臺(tái)海水泵排量無法降至220 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率估計(jì)約為24 kW。

各工況常規(guī)海水系統(tǒng)和變頻海水系統(tǒng)功率消耗對(duì)比參見表1。

表1 各工況常規(guī)海水系統(tǒng)和變頻海水系統(tǒng)功率消耗對(duì)比

假設(shè)該船全年運(yùn)行300天，其中60%時(shí)間處在航行狀態(tài)（即180天），40%處于作業(yè)狀態(tài)，挖泥工況1、工況2和工況3各工作40天。如此核算，每年可節(jié)約燃油量約49 730.8 kg（6.12 kg/h×180×24 h+11.09 kg/h×40×24 h+11.09 kg/h×40×24 h = 49 730.8 kg），即采用海水變頻冷卻系統(tǒng)后，該船每年可節(jié)省約49 t燃油消耗。

除全船負(fù)荷變化會(huì)導(dǎo)致全船所需海水流量變化外，海水進(jìn)口溫度也會(huì)導(dǎo)致所需流量變化。現(xiàn)在以船舶滿負(fù)荷運(yùn)行為例，計(jì)算不同溫度下常規(guī)海水系統(tǒng)和變頻海水系統(tǒng)功率消耗。

船舶滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)冷卻海水溫度在35℃時(shí)，冷卻海水排量需求約為1 100 m3/h，海水系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。此時(shí)海水泵電機(jī)功率53 kW。

船舶滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)冷卻海水溫度在32℃時(shí)，冷卻海水排量需求約為825 m3/h，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。單臺(tái)海水泵排量可以降至412.5 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率24 kW。

船舶滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)冷卻海水溫度在29℃時(shí)，冷卻海水排量需求約為660 m3/h，運(yùn)行2臺(tái)550 m3/h海水泵。但是考慮系統(tǒng)固有阻力限制，單臺(tái)海水泵排量無法降至330 m3/h。此時(shí)海水泵電機(jī)功率24 kW。

船舶滿負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)冷卻海水溫度在26℃時(shí)，冷卻海水排量需求約為550 m3/h，運(yùn)行1臺(tái)550 m3/h海水泵。此時(shí)海水泵電機(jī)功率53 kW。

各海水進(jìn)口溫度常規(guī)海水系統(tǒng)和變頻海水系統(tǒng)功率消耗對(duì)照見表2。

表2 各海水進(jìn)口溫度常規(guī)海水系統(tǒng)和變頻海水系統(tǒng)功率消耗對(duì)照表

可以看出，當(dāng)海水溫度下降時(shí)，海水變頻冷卻系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)勢尤為突出。

4 結(jié) 語

綜上所述，變頻調(diào)速技術(shù)用于海水泵控制系統(tǒng)，能顯著提高節(jié)能效果顯著以及系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。在大力提倡能源節(jié)約的今天，將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于海水泵循環(huán)系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。