漁業(yè)船舶變頻節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

董慶全+聞濤

摘 要：簡單介紹了目前國內(nèi)漁業(yè)船舶上一些已經(jīng)采用的軸帶發(fā)電機(jī)變頻供電技術(shù)、電力推進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、側(cè)推變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)、冷卻水泵及冷凍風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)，以期更多的業(yè)內(nèi)人士能夠共同探討我國漁業(yè)船舶變頻技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：漁船；軸帶發(fā)電機(jī)；變頻器；節(jié)能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.130

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻冰箱等等已經(jīng)漸漸走進(jìn)千家萬戶取代傳統(tǒng)的家用電器，生活中每時(shí)每刻我們都能感受到變頻節(jié)能帶來的好處，可以說變頻技術(shù)正在悄悄地改變著人類的生活。隨著我國漁業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，漁船保有量和漁業(yè)產(chǎn)量已經(jīng)多年穩(wěn)居世界第一，漁業(yè)已經(jīng)成為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，然而由于受傳統(tǒng)思維的束縛和漁業(yè)技術(shù)的短期過快發(fā)展，我國漁業(yè)從業(yè)人員的節(jié)能環(huán)保理念仍然相對落后，尤其是變頻技術(shù)在各行各業(yè)飛速發(fā)展的今天，卻依然沒有在我國漁業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程中綻放光彩，相對于常規(guī)的運(yùn)輸類船舶，漁業(yè)船舶由于作業(yè)工況多變，變頻技術(shù)的優(yōu)勢將會(huì)得到充分體現(xiàn)。文章簡單介紹了目前漁業(yè)船舶常規(guī)設(shè)計(jì)中可選用的變頻供電及變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，供業(yè)內(nèi)人士借鑒參考。

1 漁業(yè)船舶作業(yè)工況簡介

目前漁業(yè)船舶常規(guī)配置的大型設(shè)備主要有主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、冷凍機(jī)、液壓網(wǎng)機(jī)，供各設(shè)備冷卻用油泵、水泵及漁獲物冷藏用冷風(fēng)機(jī)，近年來部分漁業(yè)船舶開始采用軸帶發(fā)電機(jī)變頻供電及變頻電力推進(jìn)技術(shù)。相對于常規(guī)船舶進(jìn)出港之后即進(jìn)入穩(wěn)定的航行工況，漁業(yè)船舶由于其作業(yè)的特殊性，絕大部分時(shí)間在拖網(wǎng)、起網(wǎng)、及航行三種工況之間重復(fù)交替運(yùn)行。而且各工況間主機(jī)轉(zhuǎn)速相差較大，以一艘常規(guī)拖網(wǎng)漁船主機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750rpm為例，正常作業(yè)時(shí)起網(wǎng)轉(zhuǎn)速一般在350rpm～400rpm，拖網(wǎng)轉(zhuǎn)速一般在500rpm～600rpm，航行轉(zhuǎn)速一般在650rpm～750rpm，大部分工況主機(jī)功率并不能完全發(fā)揮，燃油經(jīng)濟(jì)性較差。同時(shí)，由于漁業(yè)船舶電力系統(tǒng)負(fù)荷與船舶作業(yè)工況及漁獲物數(shù)量密切相關(guān)，變化范圍同樣較大，漁業(yè)船舶作業(yè)工況及負(fù)荷工況的多變給變頻技術(shù)運(yùn)用提供了一個(gè)寬闊的舞臺。

2 漁業(yè)船舶變頻技術(shù)應(yīng)用

2.1 軸帶發(fā)電機(jī)變頻供電技術(shù)

由于漁業(yè)船舶主機(jī)長期運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以下，為提高船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)充分發(fā)揮主機(jī)效率，目前很多漁船設(shè)置有軸帶發(fā)電機(jī)，變頻技術(shù)成熟之前，在漁船設(shè)計(jì)上主要選取拖網(wǎng)或航行其中一種工況作為設(shè)計(jì)點(diǎn)來匹配主機(jī)前端軸帶發(fā)電機(jī)增速齒輪箱速比（對小功率皮帶旁拖發(fā)電機(jī)為匹配驅(qū)動(dòng)及從動(dòng)帶輪速比），其中少量漁船設(shè)置雙速比增速箱來滿足二種工況同時(shí)使用。

然而由于主機(jī)在各工況下轉(zhuǎn)速變化較大，頻率波動(dòng)范圍一般僅可控制在45Hz～55Hz，可以滿足正常照明及小功率廚房設(shè)備等用電需求，無法滿足動(dòng)力設(shè)備供電技術(shù)要求（47.5Hz～52.5Hz），且因使用過程中頻率變化過大而無法與實(shí)船配置的柴油發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定并車運(yùn)行，軸帶發(fā)電機(jī)的運(yùn)用受到很大的局限性，因此常規(guī)配置軸帶發(fā)電機(jī)功率一般僅在16kW～75kW之間，主機(jī)效率并不能充分發(fā)揮。為改善以上軸帶發(fā)電機(jī)供電缺陷故在原有的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上引入變頻技術(shù)，將非理想頻率轉(zhuǎn)化為理想頻率使用，如下圖1所示：

采用以上方案后，原軸發(fā)輸出頻率45Hz～55Hz經(jīng)變頻器調(diào)整為47.5Hz～52.5Hz，可直接輸送給各動(dòng)力設(shè)備使用，消除了由于頻率原因造成的局限性。根據(jù)實(shí)船配置主機(jī)功率的大小及功率裕度可以選擇配置200kW以上的軸帶發(fā)電機(jī)，且變頻后軸帶發(fā)電機(jī)可與實(shí)船配置的其它柴油發(fā)電機(jī)組長期穩(wěn)定并車運(yùn)行。根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，相對于原電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可直接取消一臺柴油發(fā)電機(jī)組，經(jīng)濟(jì)效果相當(dāng)顯著。

2.2 電力推進(jìn)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

隨著電力推進(jìn)技術(shù)的日趨成熟，變頻驅(qū)動(dòng)的電力推進(jìn)裝置逐步應(yīng)用于漁業(yè)船舶，相對于傳統(tǒng)動(dòng)力船舶，電力推進(jìn)具有良好的經(jīng)濟(jì)性、可操控性，且安全性高、噪音低，基于以上優(yōu)點(diǎn)，電力推進(jìn)特別適合漁業(yè)船舶作業(yè)工況多變，且噪音要求盡可能低干擾盡可能小的設(shè)計(jì)要求。其在漁業(yè)船舶運(yùn)用如下圖2所示：

該設(shè)計(jì)方案推進(jìn)電機(jī)同時(shí)兼作軸帶發(fā)電機(jī)，電力推進(jìn)模式下，由柴油發(fā)電機(jī)組供電，經(jīng)主配電板及變頻裝置平穩(wěn)啟動(dòng)后通過變頻控制螺旋槳轉(zhuǎn)速，由于變頻器的介入，推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊很小，且能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，顯著改善船舶的啟動(dòng)性能及機(jī)動(dòng)性能，同時(shí)電力推進(jìn)作為柴油機(jī)主推進(jìn)的補(bǔ)充，提高了漁船動(dòng)力系統(tǒng)的冗余性，降低了癱船的可能性，增強(qiáng)漁船的生存能力。

該設(shè)計(jì)方案可以通過開關(guān)轉(zhuǎn)換直接在變頻電推模式及軸帶發(fā)電模式之間自由切換，當(dāng)主機(jī)投入運(yùn)行時(shí)可選擇直接進(jìn)入軸帶發(fā)電機(jī)變頻供電模式，提高主機(jī)利用率。

2.3 側(cè)推變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

對于一些特殊作業(yè)漁船，尤其是圍網(wǎng)漁船，為提高其作業(yè)機(jī)動(dòng)性能，艏部普遍設(shè)有大功率側(cè)向推進(jìn)裝置。傳統(tǒng)漁業(yè)船舶一般使用液壓側(cè)推或可調(diào)槳側(cè)推，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜需設(shè)置較多的液壓管路，配置單獨(dú)的液壓泵站，同時(shí)存在嚴(yán)重泄露、污染等問題，系統(tǒng)效率較低，故障率高。采用變頻電動(dòng)側(cè)推，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)類似于上述變頻電力推進(jìn)系統(tǒng)（不再贅述），由于其良好的無級調(diào)速性能，其機(jī)動(dòng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)側(cè)推，且直接由電動(dòng)機(jī)取代了原有的液壓系統(tǒng)，布置也更加靈活方便。

2.4 冷卻水泵變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

船舶系統(tǒng)幾乎所有的大型設(shè)備均設(shè)置有冷卻水泵，為降低海水對系統(tǒng)的腐蝕同時(shí)減少海洋生物生長帶來的不利影響，實(shí)船通常采用獨(dú)立的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)（海水開式冷卻，淡水閉式冷卻）或采用集中式中央冷卻系統(tǒng)。由于不同區(qū)域，不同季節(jié)，海水溫度相差較大，海水溫度的變化及設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷的變化為變頻技術(shù)的應(yīng)用提供了空間。同時(shí)因海水溫度隨季節(jié)變化較大，直接利用海水溫度調(diào)整電機(jī)頻率較為困難，故實(shí)船應(yīng)用時(shí)通常選取淡水溫度作為基準(zhǔn)點(diǎn)變頻調(diào)整海水泵流量，如下圖3所示：endprint

如上圖所示，淡水冷卻器出口設(shè)置有溫度傳感器PT100，該傳感器可以連續(xù)測量冷卻器出口淡水溫度，通常將冷卻器淡水出口溫度設(shè)定為36℃，根據(jù)監(jiān)測到的實(shí)際溫度反饋至基于PLC控制的PID自動(dòng)調(diào)頻系統(tǒng)進(jìn)行海水泵電機(jī)加減頻率調(diào)整，驅(qū)動(dòng)海水泵電機(jī)根據(jù)冷卻器淡水出口溫度與設(shè)定值比較的正負(fù)變化進(jìn)行調(diào)速，從而調(diào)整冷卻海水流量，由此構(gòu)成閉環(huán)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以節(jié)約電能。

2.5 冷凍風(fēng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)

目前漁業(yè)船舶冷凍系統(tǒng)變頻節(jié)能技術(shù)主要應(yīng)用于冷藏運(yùn)輸船二次冷卻循環(huán)系統(tǒng)中對冷凍風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制。由于漁船運(yùn)輸船屬于漁業(yè)船舶中較特殊的存在，為提高作業(yè)效率，往往會(huì)設(shè)置不同溫度的魚艙以存放不同類型的漁獲物。一次冷卻循環(huán)由壓縮機(jī)組采用氨或氟利昂制冷來冷卻鹽水，二次冷卻循環(huán)由各冷鹽水管進(jìn)入冷藏艙由風(fēng)機(jī)盤管強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，如下圖4所示：

如上圖所示為其中一個(gè)冷藏艙（-20℃）冷凍風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能示意圖，其余各艙與該艙類似，僅設(shè)定溫度不同。各貨艙冷風(fēng)機(jī)采用各自單獨(dú)的變頻器驅(qū)動(dòng)，貨艙內(nèi)均設(shè)有PT100溫度傳感器，通過實(shí)測冷藏艙溫度值與設(shè)定值對比確定變頻器加減頻率，從而改變冷凍風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變進(jìn)入冷藏艙的冷風(fēng)量實(shí)現(xiàn)冷藏艙溫度的自動(dòng)節(jié)能調(diào)節(jié)。

3 總結(jié)

通過近幾年不斷在漁業(yè)船舶上對變頻技術(shù)進(jìn)行推廣實(shí)踐，深刻意識到對于漁業(yè)船舶這一作業(yè)工況多變的特殊型船舶，變頻技術(shù)大有可為，相對于普通貨運(yùn)船舶，其運(yùn)用變頻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效果更加顯著。雖然我國作為世界第一漁業(yè)大國，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)截至2015年末我國機(jī)動(dòng)漁船數(shù)量已達(dá)67.24萬艘，但是目前我國變頻節(jié)能技術(shù)在漁業(yè)船舶上的應(yīng)用尚處于起步階段，可以預(yù)見不遠(yuǎn)的將來變頻技術(shù)將會(huì)深入到漁業(yè)船舶的方方面面，對我國漁業(yè)船舶的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶權(quán).變頻器應(yīng)用技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007.

[2]郭艷萍.變頻器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京師范大學(xué)出版集團(tuán)，2009.

[3]李新星.交流變頻調(diào)速技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].廣州：廣東造船，2006.

[4]張燕賓.變頻器應(yīng)用教程[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]郭風(fēng)雷.風(fēng)機(jī)、水泵變頻控制的設(shè)計(jì)和研究[J].成都：建筑電氣，2007.

[6]徐甫榮.風(fēng)機(jī)水泵變頻調(diào)速節(jié)能的分析與計(jì)算[J].西安：變頻技術(shù)應(yīng)用，2007.

[7]張王征.船舶主海水冷卻泵變頻控制的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].武漢：船海工程，2012.

作者簡介：董慶全（1978-），男，山東濟(jì)寧人，本科，工程師，主要從事船舶工程設(shè)計(jì)工作。endprint