采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)艙風(fēng)機(jī)能耗分析

楊 帆 林 蓁 劉 琛

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

船舶通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初會(huì)為風(fēng)機(jī)配備充分的冗余以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，選用的風(fēng)機(jī)容量偏大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率偏高。當(dāng)船上設(shè)備低負(fù)載運(yùn)行或者關(guān)閉時(shí)，所需通風(fēng)量降低，此時(shí)的風(fēng)機(jī)依然在恒定功率下運(yùn)行，造成不必要的能源浪費(fèi)。船舶通風(fēng)系統(tǒng)常通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥門的開度來(lái)增大或減小流量，俗稱擋板節(jié)流法。該方法實(shí)質(zhì)是通過(guò)犧牲風(fēng)機(jī)的負(fù)載效率、增加管網(wǎng)阻力來(lái)獲得動(dòng)力輸入平衡［1］，效率會(huì)因此降低。因此，對(duì)機(jī)艙風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)依據(jù)負(fù)載變化來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的輸入功率以達(dá)成節(jié)能減排效果，成為船東對(duì)新造船或現(xiàn)有船隊(duì)改造以獲得經(jīng)濟(jì)收益的重要方式。20 000箱級(jí)集裝箱船作為典型亞歐航線上的主力運(yùn)輸船型，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)改造，研究出合理的風(fēng)機(jī)能耗分析方式，將對(duì)船東、對(duì)新造船或現(xiàn)有船隊(duì)改造以獲得經(jīng)濟(jì)收益產(chǎn)生重要的指導(dǎo)作用。

1 機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)

傳統(tǒng)機(jī)艙風(fēng)機(jī)的功率選取須滿足最大負(fù)荷工況，同時(shí)還要留出一定的余量。20 000 TEU船選用5臺(tái)最大風(fēng)量160 000 m3/h的風(fēng)機(jī)，在計(jì)算中最大航行工況下已留有12.5%的余量，對(duì)日常應(yīng)用能量浪費(fèi)明顯。當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)量變化時(shí)，大部分的風(fēng)機(jī)通過(guò)減少運(yùn)行臺(tái)數(shù)，或調(diào)節(jié)進(jìn)、出口閥門的開度來(lái)達(dá)到節(jié)能的功效。調(diào)節(jié)過(guò)程中，管路特性沒(méi)有發(fā)生改變。關(guān)小風(fēng)機(jī)出口閥門會(huì)造成壓力升高、阻力增大，犧牲了風(fēng)機(jī)的效率［2］。如果使用機(jī)械-手工方式調(diào)節(jié)，則比較耗時(shí)，相當(dāng)于作二次調(diào)試，效率也低。［3］

1.1 機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)

JCZ-160-5通風(fēng)機(jī)可通過(guò)變頻改變壓力-流量特性曲線（如圖1所示）。在變頻調(diào)速的過(guò)程中，風(fēng)機(jī)效率下降，但降幅不大。選取各頻率下效率最優(yōu)點(diǎn)（圖2），通過(guò)擬合可得到JCZ-160-5通風(fēng)機(jī)在最優(yōu)效率時(shí)的流量-壓力變化曲線：

圖1 JCZ-160-5通風(fēng)機(jī)性能曲線圖

圖2 JCZ-160-5風(fēng)機(jī)頻率對(duì)應(yīng)最優(yōu)效率變化曲線

20 000 TEU集裝箱船將最高效率點(diǎn)優(yōu)化至150 000 m3/h-400 Pa，因此JCZ-160-5通風(fēng)機(jī)在最優(yōu)效率時(shí)的流量-壓力變化曲線：

對(duì)于風(fēng)機(jī)軸功率，有：

式中：K為風(fēng)機(jī)系數(shù)，一般取1～1.1，本方案取1.025；ηf為風(fēng)機(jī)效率，%；Pf為風(fēng)機(jī)全壓，Pa；Qf為風(fēng)機(jī)流量，m3/h。

風(fēng)機(jī)全壓為：

式中：η1為風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，%；η2為風(fēng)機(jī)變頻器效率，%。

通過(guò)變頻器效率和電機(jī)效率典型曲線圖擬合成的效率公式來(lái)反映變頻器及電機(jī)效率變化趨勢(shì)［4-6］：

式中：X為電機(jī)的相對(duì)轉(zhuǎn)速（流量比），%。

風(fēng)機(jī)的總輸入功率為：

本船通風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為160 000 m3/h， 在實(shí)際使用中，20 000 TEU集裝箱船設(shè)定的工作流量為150 000 m3/h-400 Pa，實(shí)際輸入功率不會(huì)達(dá)到75 kW的最大輸出功率值。計(jì)算求得此時(shí)風(fēng)機(jī)的輸入功率約為65 kW，風(fēng)機(jī)效率為88%?？紤]在帶冷箱的情況下，20 000 TEU船在日常航行中保持5臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)工作的狀態(tài)，此時(shí)管網(wǎng)特性為0.465 s2/m5；操縱工況時(shí)的管路阻力損失，可知此時(shí)管網(wǎng)特性為0.450 s2/m5；停泊和裝卸工況下的主機(jī)負(fù)荷為0，需開2臺(tái)風(fēng)機(jī)，管路的阻力損失相近，此時(shí)管網(wǎng)特性為0.230 s2/m5。

1.2 航線海洋氣溫

20 000 TEU級(jí)集裝箱船在航行過(guò)程中，海洋氣溫會(huì)隨著季節(jié)和天氣變化，且歷年的海洋氣溫都不相同。空氣密度同空氣溫度和濕度密切相關(guān)，在不同空氣溫度和濕度下的空氣密度可通過(guò)查表獲得。同時(shí)，空氣密度受到溫度和濕度的影響。當(dāng)溫度下降，空氣密度增加；當(dāng)濕度下降，空氣密度增加。當(dāng)空氣濕度恒定70% pH、大氣壓力101.3 kPa、環(huán)境溫度35℃時(shí)，空氣密度為1.131 kg/m3。

表1 亞歐航線海域年平均氣溫

1.3 設(shè)計(jì)選型

根據(jù)ISO8861規(guī)范，機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)量為：

式中：Qh為總通風(fēng)量，m3/h；Pdp為主機(jī)散熱量，kW；Pdg為輔機(jī)散熱量，kW；Pb為鍋爐及加熱器散熱量，kW；P0為其他散熱量，包括電氣、蒸氣和艙柜等，kW；ρ為在35℃、70%RH、101.3 kPa條件下的空氣密度，kg/m3；C為空氣比熱容，kJ/kg；ΔT為機(jī)艙溫升，K；Qdp為主機(jī)燃燒空氣量，m3/h；Qdg為輔機(jī)燃燒空氣量，m3/h；Qb為鍋爐燃燒空氣量，m3/h。

根據(jù)公式計(jì)算可求得各種工況下的風(fēng)量需求（見(jiàn)下頁(yè)表2）。ISO8861：1998（柴油發(fā)動(dòng)機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)）明確了機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)量由設(shè)備燃燒空氣量和散熱所需通風(fēng)量決定，且總通風(fēng)量必須≥1.5倍的燃燒空氣量。通過(guò)計(jì)算可知，20 000 TEU船的最大總通風(fēng)量出現(xiàn)在最大航行工況下，且總通風(fēng)量超過(guò)燃燒風(fēng)量的1.5倍。本方案采用5臺(tái)75 kW機(jī)艙風(fēng)機(jī)，其中2臺(tái)為可逆風(fēng)機(jī)，額定總流量達(dá)到了800 000 m3/h。

表2 各工況下的通風(fēng)量需求 m3 / h

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案通過(guò)采集機(jī)艙內(nèi)外的溫度傳感器及壓差傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)PLC處理后輸出給變頻器控制的風(fēng)機(jī)來(lái)控制每臺(tái)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中，機(jī)艙溫度傳感器環(huán)境溫度采樣點(diǎn)布置于風(fēng)機(jī)房百葉窗；機(jī)艙溫度傳感器布置在機(jī)艙棚內(nèi)壁，且應(yīng)避免安裝在距離排氣管或鍋爐等熱源過(guò)近的位置。壓差傳感器布置于機(jī)艙棚墻壁以便選取內(nèi)外壓差，并應(yīng)避免安裝在離艙室門或出風(fēng)口過(guò)近的位置。溫度和壓差數(shù)據(jù)的采集應(yīng)盡量不受局部環(huán)境的影響?？刂苹芈饭ぷ髟砜蓞⒖即帽肞LC控制回路。詳細(xì)電氣控制圖參見(jiàn)圖3。

圖3 風(fēng)機(jī)電氣控制圖

1.5 控制邏輯

PLC邏輯控制器主要判斷4項(xiàng)數(shù)據(jù)：機(jī)艙溫度、外界環(huán)境溫度、主機(jī)負(fù)荷和機(jī)艙內(nèi)外氣壓差，通過(guò)測(cè)得機(jī)艙溫度和環(huán)境溫度可獲得某一時(shí)間的溫差。當(dāng)傳感器輸入環(huán)境溫度信號(hào)，PLC會(huì)判斷機(jī)艙溫度是否在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)保持當(dāng)前狀態(tài)運(yùn)行；如果機(jī)艙溫度偏大或偏小，根據(jù)風(fēng)機(jī)狀態(tài)決定是否開啟或關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

機(jī)艙內(nèi)外壓差的存在是保證機(jī)艙內(nèi)形成風(fēng)道的必要條件。在風(fēng)機(jī)調(diào)整機(jī)艙溫度達(dá)到合理范圍時(shí)，還需要考慮機(jī)艙壓差是否達(dá)到通風(fēng)的基本要求，繼而決定是否控制風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)。根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性曲線，當(dāng)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，壓頭在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，但不會(huì)出現(xiàn)下降特別大的情況。

目前20 000 TEU集裝箱船在停泊和裝卸貨時(shí)開啟2臺(tái)風(fēng)機(jī)，以滿足機(jī)艙左右兩側(cè)風(fēng)道的風(fēng)量分配，此時(shí)機(jī)艙內(nèi)外壓差滿足工作條件。

考慮到主機(jī)的發(fā)熱量和燃燒空氣量較大，當(dāng)機(jī)艙內(nèi)溫度較低時(shí)，單純使用以下控制方案無(wú)法反映主機(jī)負(fù)荷，容易造成主機(jī)熱量無(wú)法排出。因此，當(dāng)主機(jī)運(yùn)行時(shí)，PLC會(huì)接收一路主機(jī)負(fù)荷的信號(hào)，即使機(jī)艙溫度偏低，在主機(jī)運(yùn)行時(shí)仍會(huì)控制風(fēng)機(jī)對(duì)特定區(qū)域通風(fēng)，保證主機(jī)的正常運(yùn)行。機(jī)艙風(fēng)機(jī)控制邏輯如圖4所示。

圖4 機(jī)艙風(fēng)機(jī)控制邏輯

1.6 變量設(shè)定

ISO 8861所規(guī)定的極限環(huán)境溫度為35℃。20 000 TEU船在航行中，大部分時(shí)間的室外溫度并不會(huì)達(dá)到極限環(huán)境溫度，故要求所得最大工況勢(shì)必會(huì)造成能源浪費(fèi)。因此，計(jì)算中一般設(shè)定在極限環(huán)境溫度下的機(jī)艙溫升不超過(guò)12.5 K。同時(shí)，船舶在冬季航行時(shí)，由于外界氣溫低，若機(jī)艙溫升仍保持在12.5 K，機(jī)艙內(nèi)溫度會(huì)變得過(guò)低，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行造成影響。日常應(yīng)用中設(shè)定機(jī)艙溫度為45℃，冬季機(jī)艙極限最低溫度15℃。

通過(guò)壓差監(jiān)測(cè)，PLC控制變頻風(fēng)機(jī)將機(jī)艙內(nèi)外氣壓差維持在50 Pa正壓差以上，使機(jī)艙內(nèi)空氣可以順暢排出。由于目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的20 000 TEU集裝箱船在開啟2臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)已經(jīng)可以滿足要求，且一般風(fēng)機(jī)選型和風(fēng)量都有很大的冗余，可默認(rèn)機(jī)艙內(nèi)外氣壓差在50 Pa的正壓差以上。通過(guò)查閱圖1風(fēng)機(jī)不同頻率下的特性曲線，各工況滿足最大排風(fēng)壓力要求。根據(jù)圖1，假定JCZ-160-5風(fēng)機(jī)的壓頭變化隨流量的變化不大，效率將會(huì)出現(xiàn)下降，下降幅度相對(duì)較小。由于目前缺失風(fēng)機(jī)相關(guān)資料，無(wú)法得知具體的風(fēng)機(jī)效率，假定效率同靜壓變化趨勢(shì)一致，靜壓頭為400 Pa。

2 能效優(yōu)化

表3提供20 000 TEU箱船在帶冷箱航行過(guò)程中，各航段功率節(jié)省的統(tǒng)計(jì)。

表3 典型集裝箱船歐亞航線功率節(jié)省統(tǒng)計(jì)

通過(guò)計(jì)算可知，帶冷箱狀態(tài)下需5臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)運(yùn)作，當(dāng)船舶處于操縱或停泊工況時(shí)，所需風(fēng)量和風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)如表3所示。風(fēng)機(jī)處于原工況下的輸入功率為65 kW，節(jié)省功率因此可由式（9）計(jì)算：

式中：P為節(jié)省總輸入功率，kW；Nin為原風(fēng)機(jī)輸入功率，kW；N1為風(fēng)機(jī)總輸入功率，kW；T為區(qū)域內(nèi)航行時(shí)間，h。

根據(jù)20 000 TEU級(jí)集裝箱船典型航行時(shí)刻表可知，單航次用時(shí)為104天。根據(jù)表2和式（9）計(jì)算可知，單航次功耗節(jié)省約41 935 kW h。按年均3個(gè)航次計(jì)算，20 000 TEU集裝箱船年節(jié)約功耗125 805 kW h。柴油發(fā)電機(jī)組的燃油消耗率為234 g/kW h，按每噸380船用重油價(jià)格4 100元計(jì)算，年節(jié)約燃油費(fèi)用約：125 805× 234÷106×4 100 =117 754元。

變頻設(shè)備對(duì)船廠的報(bào)價(jià)為68.76萬(wàn)人民幣，通過(guò)計(jì)算可求得成本收回時(shí)間約為5.8年。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)艙風(fēng)機(jī)可以一直運(yùn)行在高效區(qū)間。由于燃油價(jià)格波動(dòng)及設(shè)備報(bào)價(jià)所產(chǎn)生的投資回報(bào)年限會(huì)有波動(dòng)，但對(duì)船舶通風(fēng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能變頻改造可在整船壽命周期內(nèi)獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。