基于變頻控制的船舶中央冷卻水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

周志賢

（泰州口岸船舶有限公司 泰州225321）

引 言

現(xiàn)代船舶設(shè)備冷卻水系統(tǒng)通常都設(shè)計為中央冷卻系統(tǒng)，即用海水通過中間冷卻器冷卻封閉循環(huán)的低溫淡水，再將冷卻后的低溫淡水輸送到各輔助設(shè)備實現(xiàn)冷卻［1］。通過對現(xiàn)有船舶的分析發(fā)現(xiàn)主要存在：系統(tǒng)各部件所選容量過大、不合理；系統(tǒng)配置不能根據(jù)運行工況變化及時、有效地調(diào)整冷卻水流量等問題。本文以系統(tǒng)中耗能最大的冷卻海水泵為研究對象，利用變頻和PID 控制技術(shù)，提出兩種不同的優(yōu)化設(shè)計方案，在船舶減排降耗和提高營運經(jīng)濟性方面具有一定借鑒意義。

1 系統(tǒng)分析

1.1 中央冷卻水系統(tǒng)

大型船舶上，為保證設(shè)備的使用壽命，通常將淡水用作船上主機、發(fā)動機等設(shè)備的冷卻介質(zhì)。冷卻淡水的總量保持不變，對設(shè)備進行循環(huán)冷卻，冷卻淡水從設(shè)備處吸收的熱量在板式熱交換器處被冷卻海水帶走，這樣保證設(shè)備進口處冷卻淡水的溫度維持在設(shè)定的范圍內(nèi)，這種系統(tǒng)設(shè)計被稱作為中央冷卻水系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)中央冷卻水系統(tǒng)圖

1.2 系統(tǒng)能耗分析

船舶航行時，由于運載工況、季節(jié)和航行海域不同等，系統(tǒng)需要冷卻的熱量不同，需要的冷卻海水量也隨之不同?，F(xiàn)在常規(guī)設(shè)計不能根據(jù)不同工況來調(diào)節(jié)海水泵的流量，造成了能源浪費。具體來說，圖1 所示的傳統(tǒng)中央冷卻水系統(tǒng)中，海水泵的供水總量設(shè)計為在極限條件下（即海水溫度為32℃時）、主機和發(fā)動機等滿負荷運行時，維持冷卻淡水在設(shè)備進口處的溫度在36℃。冷卻海水泵配置一般為2×100% 或3×50%，在實際航行中海水溫度一般都低于32℃，特別對于無限航區(qū)的船舶，航行在冰區(qū)時其海水溫度不到5℃，此時海水泵的供水量就遠大于實際需求量。而為達到低溫淡水泵前的淡水溫度恒定，則是通過在中央冷卻器淡水出口設(shè)置三通溫控閥，將大量的冷卻淡水旁通而不經(jīng)過冷卻器，海水泵保持額定流量持續(xù)運行，海水泵消耗的電能主要是對海水做功，將海水輸送到熱交換器處，輸送的海水量越多，消耗的電能也就越多。因此，這種設(shè)計沒有考慮或部分考慮了系統(tǒng)低負荷運行時的節(jié)能。

1.3 離心泵特性分析

下頁圖2 所示為常規(guī)離心泵的固有特性，其中H-Q 曲線為離心泵的壓頭與流量的關(guān)系，泵的壓頭隨著流量的減小而增大；P-Q 曲線為泵消耗軸功與流量的關(guān)系，隨著泵的流量減小，消耗的軸功也相應(yīng)減小；E-Q 曲線為泵效率與流量的關(guān)系，泵的效率隨著流量的增大而逐漸增加，達到泵的最大效率后，隨著流量的增加而逐漸減小。對于型號不同的離心泵，這三條曲線都不同，在離心泵的選型時，需充分考慮泵在效率最大范圍內(nèi)運行。

圖2 離心泵特性曲線

對于某同一型號離心泵，在泵轉(zhuǎn)速從n1變到n2時，泵的流量、壓頭和消耗的軸功對應(yīng)的近似關(guān)系為［2］：

2 變頻電機的應(yīng)用

如前所述，中央冷卻系統(tǒng)在運行過程中，冷卻水的溫度控制是系統(tǒng)的最核心問題，海水泵是系統(tǒng)能量消耗的主要設(shè)備。緯度跨度較大的海域，海水的溫度變化較大，隨著季節(jié)變化，同一海域的海水溫度也隨之變化，同時船舶在航行時，由于裝載工況不同，船舶的吃水和動力設(shè)備負荷也動態(tài)變化而非定值。

如今，水泵的無級調(diào)速可以通過變頻技術(shù)來實現(xiàn)，根據(jù)這一特性，將中央冷卻水系統(tǒng)中的冷卻海水泵驅(qū)動電機由異步交流電機改為變頻電機，通過改變變頻電機的電源頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速（即離心泵的轉(zhuǎn)速），從而達到調(diào)節(jié)水泵供水量的目的。［3］

2.1 電機頻率的控制方式

水泵采用變頻電機后，利用PID 和PLC 控制技術(shù)對海水泵實施變速控制達到無級調(diào)速，實現(xiàn)中央冷卻器所需海水的流量控制，降低系統(tǒng)耗能，使經(jīng)濟性得以改善。合理布置溫度傳感器，實時檢測溫度信號使整個系統(tǒng)在動態(tài)工況下更加穩(wěn)定。對于如何確定系統(tǒng)對冷卻海水的實際需求量，可采用以下兩種控制方式：

方式1： 溫度控制器PID 控制系統(tǒng)，在冷卻器淡水側(cè)布置溫度傳感器，將實際測得的設(shè)備進口淡水的溫度值與系統(tǒng)設(shè)定值進行比較，采用PID 控制模式，自動調(diào)整海水泵的流量。若淡水的實測溫度高于設(shè)定值時，控制模塊增加海水泵的轉(zhuǎn)速來增加海水的供應(yīng)量；若淡水的實測溫度低于設(shè)定值時，控制模塊降低海水泵的轉(zhuǎn)速來減少海水的供應(yīng)量；若淡水的實測溫度與設(shè)定值在允許偏差內(nèi)，控制模塊將不發(fā)出調(diào)節(jié)信號［4］。通過不斷檢測、反復(fù)調(diào)整，使低溫淡水維持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，控制原理見下頁圖3。

方式2：微機計算控制系統(tǒng)，主要通過監(jiān)測冷卻器海水側(cè)海水出口溫度、淡水側(cè)淡水進設(shè)備的溫度以及主機負荷等，采用PLC 和變頻控制技術(shù)，以滿足最小的海水壓力和冷卻海水量為目標，應(yīng)用模糊控制技術(shù)，將冷卻器淡水側(cè)淡水進設(shè)備溫度作為主要控制量、三通溫控閥開度作為次要控制量、冷卻器海水側(cè)海水出口溫度作為安全控制量。系統(tǒng)淡水進機溫度通常設(shè)定36℃；為防止海水鹽份析出，海水出口溫度的安全值設(shè)定為45℃。當?shù)疁囟却笥谠O(shè)定值時，說明冷卻海水量不夠，應(yīng)加大海水泵的排量；當?shù)疁囟刃∮谠O(shè)定值時，說明系統(tǒng)在部分負荷下運行，此時需要減小海水泵的排量，由于海水量減少，海水出口溫度會上升，當海水溫度達到安全設(shè)定值時，不可以再降低海水泵轉(zhuǎn)速，通過減小三通溫控閥開度，減少高溫淡水旁通，直至淡水溫度達到設(shè)定值，系統(tǒng)進入平穩(wěn)運行的節(jié)能模式［5］。控制原理見下頁圖4。主要功能有：

（1）依據(jù)系統(tǒng)壓力、三通溫控閥開度、海水出口溫度以及淡水溫度，調(diào)節(jié)海水泵流量；

（2）維持冷卻器海水側(cè)海水出口溫度不高于45℃，控制冷卻器淡水側(cè)淡水出口溫度在36℃范圍內(nèi)；

（3）在線監(jiān)測主機負荷、海水溫度等，輸出海水泵故障、淡水高溫等報警。

圖3 溫度控制器PID控制系統(tǒng)

圖4 微機計算控制系統(tǒng)

2.2 兩個系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較

溫度控制器PID 控制系統(tǒng)的優(yōu)點是不需要測量淡水流量和熱交換器的換熱效率，在系統(tǒng)調(diào)試時比較輕松；其缺點是如果熱交換器內(nèi)部積垢造成換熱效率降低時，系統(tǒng)會自動增加海水泵的轉(zhuǎn)速來增加供水量，同樣會造成電能的浪費，而且該系統(tǒng)從熱平衡被打破到重新建立新的熱平衡的時間比較長，在此過程中變頻電機需要頻繁變速。

微機計算控制系統(tǒng)因保留了原淡水管路上的溫控閥，在微機計算的供水量基礎(chǔ)上增加一定的供水余量，即在熱交換器內(nèi)部沒有積垢時，海水泵提供的冷卻海水量是略大于需求量的。若未有增加溫控閥，此時設(shè)備進口淡水的溫度會低于設(shè)定值；增加溫控閥后，通過調(diào)節(jié)溫控閥開度來調(diào)節(jié)參與熱交換的淡水量，維持設(shè)備進口淡水的溫度在設(shè)定值允許的偏差范圍內(nèi)。即使熱交換器內(nèi)部有少量積垢，也可以通過溫控閥調(diào)節(jié)參與熱交換的淡水量來控制設(shè)備進口淡水溫度。在系統(tǒng)長時間運行后，若淡水溫度一直處于高溫報警，這時就需要清洗熱交換器。

2.3 系統(tǒng)最終構(gòu)成

傳統(tǒng)的3 臺海水泵或 2 臺海水泵設(shè)計都只考慮了系統(tǒng)需求和安全冗余，若系統(tǒng)設(shè)置3 臺海水泵，船舶正常航行時2 臺泵運行、1 臺泵備用，任意1臺泵發(fā)生故障時，自動啟動備用泵。若系統(tǒng)設(shè)置2臺主海水泵和1 臺港泊海水泵，這種設(shè)計一般是在港泊海水需求量大于或遠小于50%的船舶航行極限狀態(tài)海水需求量時使用，系統(tǒng)中只有2 臺主海水泵之間有泵部自動切換功能。［6］

使用變頻海水泵的中央冷卻水系統(tǒng)，若將海水泵的最大供水量選定為船舶航行極限狀態(tài)時的海水需求量，此時則可以只設(shè)置2 臺海水泵，兩泵互為備用，可以滿足船舶在安全和節(jié)能兩方面的要求，而且即使是在港泊工況下，海水泵同樣可以具備自動切換的功能，詳細如圖5 所示。

圖5 配合變頻海水泵使用的中央冷卻水系統(tǒng)

2.4 節(jié)能效果

以泰州口岸在建的82 000 t 散貨船為例，該項目主機功率9 932 kW，配置3×50%冷卻海水泵，每臺海水泵流量為320 m3/h、功率37 kW，常規(guī)設(shè)計環(huán)境下海水最高溫度為32℃、冷卻器海水出口溫度不超過45°。

熱量交換公式為：式中：P為需要交換的熱量，kW；Q為冷卻海水泵的流量，m3/h；C為冷卻海水的比容，j /（kg·K）；Δt為冷卻器進出口海水溫度差，℃。

海水溫度32℃時 Δt1=（45-32）；

海水溫度25℃時 Δt2=（45-25）。

根據(jù)式（1），假設(shè)發(fā)動機負荷穩(wěn)定（即熱交換量相同），當海水溫度25℃時，每臺所需的冷卻海水量約為208 m3/h，此時海水泵消耗的軸功為29 kW，節(jié)約電量8 kW/臺，節(jié)能約21.6%。

通常主機在不同的裝載和航行工況下熱負荷差異很大，主機功率在50%時，需要海水帶走的熱量為額定狀態(tài)下的60%左右，對海水流量的需求更低。若海水溫度為25℃，每臺所需的冷卻海水量僅為125 m3/h，此時海水泵消耗的軸功為25 kW，節(jié)約電量12 kW/臺，節(jié)能約32.4%。

3 結(jié) 語

目前，船東對船舶營運成本的關(guān)注度越來越高，安全、高效、低能耗的船型將是船東的投資首選。利用微機控制和變頻技術(shù)，能夠提供最佳的設(shè)備配置和高效率系統(tǒng)，減小設(shè)備的容量，減少電力負荷；在船舶減排、降低能耗同時也可以大大地提高運營經(jīng)濟性，是一項值得推廣的技術(shù)。而且相對于傳統(tǒng)的中央冷卻水系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)的智能化程度更高，不需要人為轉(zhuǎn)換航行和港泊工況運行狀態(tài)，從而可減少輪機員的工作量。