變頻海水泵在實(shí)船上的組合優(yōu)化方案研究

(1.武警士官學(xué)校，浙江杭州 311400; 2.大連海事局,遼寧大連 116026)

目前市場上的眾多遠(yuǎn)洋船舶的冷卻水系統(tǒng)中使用的冷卻水泵多為定速定量泵，冷卻水泵一般在額定工況下工作，不能根據(jù)實(shí)船的主機(jī)功率以及外界海水溫度的變化適時地改變冷卻水流量，而冷卻水泵的能耗占據(jù)了整個冷卻水系統(tǒng)的65%-70%[1]。針對這一問題提出具有節(jié)能效果的變頻調(diào)速技術(shù)及海水泵組的組合運(yùn)行方案。但是海水泵數(shù)量和型號的不同對變頻海水泵組的節(jié)能效果會產(chǎn)生影響，因此有必要對海水泵組合方案進(jìn)行研究。

麻棟蘭、汪建華等針對動態(tài)規(guī)劃法計算水泵優(yōu)化問題時存在著過程復(fù)雜，耗時較長等缺點(diǎn)，根據(jù)水泵的相似理論，獲得了泵組功率最小時的水泵快速優(yōu)化方案[2]。程千等建立泵站優(yōu)化模型，將泵站優(yōu)化的約束條件轉(zhuǎn)為背包的重量約束，使得模型得到簡化，利用遺傳算法尋優(yōu)，優(yōu)化后的水泵運(yùn)行參數(shù)比優(yōu)化之前的運(yùn)行參數(shù)更好地滿足冷卻水的需求，并節(jié)省一部分能量[3]。

本文針對熱負(fù)荷較高這一問題研究海水泵的各種配置方案，以及海水泵各種啟停運(yùn)行方案下的變頻節(jié)能效果，對于實(shí)現(xiàn)海水泵的最佳節(jié)能效益有著一定的指導(dǎo)作用。

1 變速水泵優(yōu)勢分析

根據(jù)相似原理，離心泵的揚(yáng)程、流量以及轉(zhuǎn)速滿足以下的關(guān)系為：

(1)

式中,n為轉(zhuǎn)速，Q為流量，H為揚(yáng)程，P為功率。下標(biāo)1代表原工況，下標(biāo)2代表現(xiàn)工況。

理論上來說，如果此時所需的流量僅為額定流量的一半，即轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的50%，那么在滿足揚(yáng)程要求的前提下，功率將會減少到原來的約12.5%，節(jié)省了大約77.5%的功率[4]。

2 算例分析

2.1 雙臺泵組運(yùn)行方案分析

2.1.1泵組運(yùn)行方案介紹

(1) 雙變頻海水泵運(yùn)行方案

雙變頻海水泵運(yùn)行方案，即海水泵組都有變頻工作模式。目前雙變頻運(yùn)行方式，包括非同步調(diào)速和同步調(diào)速。非同步調(diào)速是當(dāng)需求海水量小于單臺海水泵額定流量時，一臺海水泵變頻，另一臺海水泵停機(jī)；當(dāng)需求海水量大于單臺海水泵額定流量時，兩臺以相同轉(zhuǎn)速比進(jìn)行變速運(yùn)行。同步調(diào)速是當(dāng)需求海水流量發(fā)生變化時，兩臺海水泵均以相同轉(zhuǎn)速比來變速運(yùn)行。

(2) 單變頻海水泵的配置方案

有些船舶(特別是老舊船)的冷卻水系統(tǒng)配置的是“單變頻”海水泵(一臺定速，一臺變速)，其工作方式為需求海水流量小于單臺海水泵額定流量時，一臺海水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，另一臺定速海水泵停機(jī)；當(dāng)需求海水量大于單臺海水泵額定流量時，另一臺定速海水泵以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，原先運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻海水泵降速以達(dá)到合理的海水流量。

2.1.2泵組運(yùn)行方案耗電的理論計算

額定轉(zhuǎn)速海水泵功率和流量之間的關(guān)系為

P=b0+b1Q+b2Q2+b3Q3

(2)

式中,b0b1b2b3均為擬合系數(shù)。

變頻海水泵功率和流量的關(guān)系為

P=b0s3+b1s2+b2Q2s+b3Q3

(3)

式中,s為轉(zhuǎn)速比。

轉(zhuǎn)速比為

(4)

式中,a0a1a2分別為海水泵H-Q方程的擬合系數(shù)。

根據(jù)式(3)(4)求得變頻海水泵組的軸功率。

以 “育鵬”輪為例，需求海水量的范圍為200-640m3/h。不同方式下海水泵組的軸功率，見圖1。

圖1 不同方式下海水泵組的軸功率

2.2 基于遺傳算法的泵組組合優(yōu)化方案

用列舉法對雙變頻和單變頻海水泵配置情況下的泵組軸功率進(jìn)行了分析。但是如果海水泵的臺數(shù)較多，海水泵的型號各有不同，則不可能全部列舉，這就對泵組的組合優(yōu)化提出了更高的要求?，F(xiàn)如今發(fā)展起來的智能算法給泵組的組合優(yōu)化方案的確定提供了一種解決方法[5,6]。

2.2.1優(yōu)化運(yùn)行模型的建立

海水泵的組合優(yōu)化方案的確定，受到水泵流量、揚(yáng)程和調(diào)速范圍等的限制，因此有必要對這些約束進(jìn)行研究[7-8]。

海水泵的揚(yáng)程、軸功率與流量的關(guān)系為

(5)

(6)

(7)

式中,a0a1a2b0b1b2b3d1d2d3為擬合系數(shù)。

H=a0s2+a1Qs+a2Q2

(8)

(9)

如圖2所示，海水泵有一個合理的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)速比過大或過小時，海水泵的性能都會下降。對于海水泵的轉(zhuǎn)速比范圍[smin,smax]，下限為0.6，上限為1。其中A、B點(diǎn)為工頻模式下海水泵高效區(qū)的流量范圍點(diǎn)，Amin、Bmin點(diǎn)為最低海水泵轉(zhuǎn)速下高效區(qū)的流量范圍點(diǎn)，則由曲線AB、AminBmin和相似工況拋物線I1、I2所圍成的扇形區(qū)域就是變頻泵的高效區(qū)[8]。

圖2 變頻海水泵高效區(qū)的流量范圍

相似工況拋物線的方程為[7]

(10)

根據(jù)海水泵的技術(shù)資料，工頻模式下的高效區(qū)流量范圍為[QA,QB]，根據(jù)海水需求量可以得到海水管路的壓頭Ht，則不同轉(zhuǎn)速下流量范圍為

(11)

(12)

假設(shè)泵組有n臺海水泵，其中定速海水泵有m臺，變速海水泵有n-m臺，以滿足(Qt,Ht)為目標(biāo)，使泵組的軸功率最小。得到的數(shù)學(xué)模型為

st.

(13)

Qmini≤Qi≤Qmax,i=1,2,…,n

si=1,i=1,2,…,n

smini≤si≤1,i=m+1,m+2,…,n

wi∈{0,1},i=1,2,…,n

2.2.2優(yōu)化模型的求解算法

選用遺傳算法求解模型，實(shí)施步驟如下[6]：

(1) 初始種群的建立，通過對變量和對象的編碼來實(shí)現(xiàn)。

(2) 求解初始群體中個體的適應(yīng)度。

(3) 執(zhí)行產(chǎn)生新的群體的操作，包括：

復(fù)制：即選擇父代。將適應(yīng)度高的個體替代適應(yīng)度低的個體。

交叉：將兩個個體交叉換位，形成新個體。

變異：將個體編碼中的某位隨機(jī)改變，提高種群的多樣性。

(4) 進(jìn)行判斷，滿足條件輸出結(jié)果，不滿足回到步驟2繼續(xù)操作。

圖3 遺傳算法計算步驟

2.2.3優(yōu)化模型的求解算例

為了研究不同冷卻水系統(tǒng)中海水泵配置情況下，在海水需求量變化時，單個水泵以及整個泵組的軸功率和效率，設(shè)定兩種不同的海水泵配置來研究，即單變頻海水泵組和雙變頻海水泵組，不同海水泵配置情況下只需改變對應(yīng)約束即可。

針對本文的海水泵組，假定1號海水泵定速，2號變速，3號備用，以軸功率最小為目標(biāo)，遺傳算法求解結(jié)果見表1、2。

表1 單變頻調(diào)速海水泵組的水泵運(yùn)行優(yōu)化

表2 雙變頻調(diào)速海水泵組的水泵運(yùn)行優(yōu)化

2.3 “育鵬”輪變頻冷卻水系統(tǒng)效益分析

2.3.1節(jié)能效益分析

根據(jù)變頻海水冷卻系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，分析使用變頻水泵所產(chǎn)生的節(jié)能效益。相關(guān)的計算參數(shù)如表3-5所示。

表3 海水溫度變化，主機(jī)負(fù)荷100%運(yùn)轉(zhuǎn)下的海水流量、能耗比較

表4 海水溫度變化，主機(jī)負(fù)荷75%運(yùn)轉(zhuǎn)下的海水流量、能耗比較

表5 海水溫度變化，主機(jī)負(fù)荷50%運(yùn)轉(zhuǎn)下的海水流量、能耗比較

如表3-5所示，根據(jù)“育鵬”輪為期4個多月的航次信息，在主機(jī)負(fù)荷分別為100%、75%、50%，海水溫度從30℃變至20℃的情況下，采用雙變頻泵組和單變頻泵組方案后的海水泵運(yùn)行成本基本一致，僅僅在主機(jī)負(fù)荷為100%，海水溫度為30℃，所需海水流量超過單泵最大流量的情況下，單變頻方案的運(yùn)行費(fèi)用較高。由于主機(jī)負(fù)荷很少達(dá)到100%，因此在絕大多數(shù)情況下單變頻方案就能夠滿足需求。

2.3.2經(jīng)濟(jì)效益分析

從表3-5可知，當(dāng)主機(jī)負(fù)荷為50-75%時，需求海水量并未達(dá)到單臺海水泵的額定流量，因此采用雙變頻和單變頻海水泵組的能耗相同。僅當(dāng)主機(jī)負(fù)荷為100%，海水溫度為30℃時，所需的海水量由兩臺海水泵提供，且單變頻海水泵組的運(yùn)行費(fèi)用略高于雙變頻海水泵組。但是海水泵組的總成本是運(yùn)行成本和投入成本之和，雙變頻海水泵組有三臺海水泵(其中一臺備用)，每個海水泵均裝配變頻器，對于單變頻海水泵組而言，僅需要兩臺海水泵裝配有變頻器，另一臺海水泵為定速海水泵，也能夠滿足不同主機(jī)負(fù)荷下海水流量的需求，對于冷卻水系統(tǒng)的節(jié)能效果影響不大。該船選用的變頻器型號為ACS800-01-0075-5，單臺變頻器的價格為15萬元，其他費(fèi)用為5萬元，對于雙變頻海水泵組而言變頻器的總費(fèi)用為50萬元，單變頻海水泵組變頻器費(fèi)用為35萬元。而絕大多數(shù)船舶一般采用降負(fù)荷航行，主機(jī)負(fù)荷為50%，以2017年8月至12月“育鵬”輪的航次信息為參照，估算年節(jié)省成本，則不同海水泵組方案經(jīng)濟(jì)效益如表6。

表6 不同海水泵組方案各項費(fèi)用對比

從表6可以知道，雙變頻海水泵組的投資回收期為4.79年，單變頻海水泵組的投資回收期為3.35年，單變頻海水泵組的回收期小于雙變頻海水泵組的回收期。因此對于老舊船舶改造來說，可以采用單變頻海水泵組的方案，而針對新造船，由于其營運(yùn)時期較長，可以采用單變頻海水泵組方案或雙變頻海水泵組方案。

3 結(jié) 語

本文通過理論計算和遺傳算法，以海水泵組軸功率最小為優(yōu)化準(zhǔn)則，建立水泵組合模型。以“育鵬”輪2017年8月至12月的航次信息為參照，分析了節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，得出結(jié)論：

(1) 建立的基于遺傳算法的優(yōu)化模型能夠解決水泵數(shù)量多、類型不同的組合問題，計算結(jié)果準(zhǔn)確。

(2) 在主機(jī)負(fù)荷為50-75%，海水溫度為24-30℃下，雙變頻和單變頻的節(jié)能效益相同，特別是主機(jī)負(fù)荷為50%時，節(jié)能率達(dá)到75%。

(3) 由于雙變頻和單變頻的初期投入不同，結(jié)合兩種方案的節(jié)省成本計算后得出，雙變頻的投入回收期為4.79年，單變頻的回收期為3.35年，因此對老舊船舶改造來說，可以采用單變頻海水泵組的方案，而針對新造船，可以采用單變頻海水泵組方案或雙變頻海水泵組方案。