基于PID調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用

陳麗霞

(南通象嶼海洋裝備有限責(zé)任公司，江蘇 南通 226368)

0 引言

燃料消耗費(fèi)用一直是船舶運(yùn)營(yíng)成本中最大的一筆。船舶在航行過(guò)程中工況經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，且工況非常復(fù)雜，而在船舶設(shè)計(jì)的初期，設(shè)備的功率選型均按照最大的工況進(jìn)行選擇，這無(wú)形會(huì)造成船舶燃油消耗的浪費(fèi)。因此，船舶節(jié)能性越來(lái)越受到船東的重視。根據(jù)實(shí)際工況，合理控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提高船舶整體性能，是綠色船舶追逐的目標(biāo)。

利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行是節(jié)約能源的有效措施。通過(guò)改變電源的頻率，得到不同的轉(zhuǎn)速[1]；設(shè)定不同的運(yùn)行速度，得到不同的功率[2-3]。因此，進(jìn)行自動(dòng)有效地調(diào)速，根據(jù)船舶航行的實(shí)際工況得到最佳的運(yùn)行速度，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。為此，本文分析了風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能原理，對(duì)機(jī)艙風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)控制進(jìn)行研究，并計(jì)算63 500 t散貨船變頻控制的機(jī)艙風(fēng)機(jī)燃油量。

1 風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速節(jié)能原理

變頻風(fēng)機(jī)的頻率不是固定的，而是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的。綜合考慮到成本及實(shí)際工況，變頻風(fēng)機(jī)的頻率一般選擇為30～60 Hz可調(diào)。

電機(jī)是船舶機(jī)艙風(fēng)機(jī)的動(dòng)力源。機(jī)艙風(fēng)機(jī)主要依靠電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按式(1)計(jì)算[4]：

(1)

式中：s、p、f分別為轉(zhuǎn)差率、極對(duì)數(shù)、電源頻率。

s、p為常值，因此根據(jù)式(1)可知：只要改變電源頻率，就可以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其電機(jī)效率基本不變，但風(fēng)量qv與轉(zhuǎn)速成正比，功率P與轉(zhuǎn)速的n立方成正比[2]。故風(fēng)量、功率與轉(zhuǎn)速有如下關(guān)系：

(2)

式中：P1為實(shí)船功率；P2為額定功率；n1為實(shí)船轉(zhuǎn)速；n2為額定轉(zhuǎn)速。

由式(1)和式(2)可以看出，當(dāng)風(fēng)機(jī)頻率降低時(shí)，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)降低。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后其風(fēng)量降低，有效功率也大幅降低[2]。這就是變頻風(fēng)機(jī)節(jié)能的主要理論論據(jù)。

2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)控制

2.1 典型PID控制及作用

“P”是比例控制。單獨(dú)的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。

“PI”是比例積分控制。比例控制不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用，克服余差的辦法就是在比例控制的基礎(chǔ)上增加積分控制作用。積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積(輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越小)，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。“PI”將兩者結(jié)合，既能通過(guò)比例控制作用加快響應(yīng)速度，又能通過(guò)積分控制作用消除余差，但卻降低了響應(yīng)速度。

“PID”是比例積分微分控制，也是最為理想的控制方式。它集三者之長(zhǎng)，既能通過(guò)比例作用加快響應(yīng)速度，又能通過(guò)積分作用消除余差，還能通過(guò)微分作用實(shí)現(xiàn)超前控制。PID調(diào)節(jié)器加快了系統(tǒng)的動(dòng)作，減少了調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2.2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)控制

在船舶實(shí)例運(yùn)用中，將機(jī)艙溫度和機(jī)艙內(nèi)外壓差作為PID調(diào)節(jié)的依據(jù)，將正常環(huán)境的溫度值和內(nèi)外壓差值作為PID調(diào)節(jié)的最終目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)偏差調(diào)節(jié)。在科技發(fā)達(dá)的今天，正是由于PID功能的優(yōu)越性、靈活性、廣泛性，使得變頻器的功能大都集成了PID，簡(jiǎn)稱“內(nèi)置PID”。典型的機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻PID調(diào)節(jié)控制原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)控制原理圖

圖1中：

比例控制P就是機(jī)艙風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)量是否滿足船舶航行時(shí)機(jī)艙設(shè)備所需的風(fēng)量，是否能夠達(dá)到正常的設(shè)定值。

比例積分控制PI按照一定的邏輯判斷，根據(jù)船舶實(shí)際的工況對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行控制。如果機(jī)艙溫度變高或者機(jī)艙內(nèi)外壓差變大，就增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；反之，機(jī)艙溫度降低或者機(jī)艙內(nèi)外壓差減小，就降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

比例積分微分控制PID根據(jù)各個(gè)傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。當(dāng)實(shí)際的情況與設(shè)定值差距很大時(shí)，則快速地提高或降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度；當(dāng)實(shí)際情況與設(shè)定值接近時(shí)，則緩慢地調(diào)速，直到無(wú)限接近或達(dá)到設(shè)定值[5]。

3 實(shí)船應(yīng)用

63 500 t散貨船的機(jī)艙配有4臺(tái)機(jī)艙供風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)頻率可調(diào)，范圍為30～60 Hz，并選用施耐德變頻器及配套PLC控制模塊。根據(jù)上述PID調(diào)節(jié)方案，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)艙環(huán)境溫度及機(jī)艙內(nèi)外壓差與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

為了保證反饋裝置的準(zhǔn)確性，需要進(jìn)行多點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。由于船舶機(jī)艙較大，故根據(jù)船舶運(yùn)行的特點(diǎn)，分別對(duì)機(jī)艙的3臺(tái)發(fā)電機(jī)上方和主機(jī)的上方這4個(gè)重要設(shè)備周圍的空氣溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以這些主要設(shè)備周圍的溫度作為機(jī)艙整體溫度的依據(jù)。為了客觀地反映出真實(shí)的室內(nèi)外壓差，最終將壓差傳感器定位在進(jìn)機(jī)艙入口處。

船舶正常航行時(shí)，機(jī)艙的環(huán)境溫度設(shè)定為40 ℃；機(jī)艙通風(fēng)維持正壓，通常不超過(guò)50 Pa[6]，該船機(jī)艙內(nèi)外壓差設(shè)為50 Pa。為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，機(jī)艙溫度傳感器量程設(shè)為0～100 ℃，壓差傳感器量程設(shè)為0～100 Pa。

在船舶設(shè)計(jì)之初，機(jī)艙的設(shè)計(jì)溫度決定了機(jī)艙風(fēng)機(jī)的選型，且船舶設(shè)備對(duì)環(huán)境溫度的要求較高。若溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不能正常運(yùn)行甚至停機(jī)，故確保機(jī)艙環(huán)境溫度尤為重要。機(jī)艙風(fēng)機(jī)PID調(diào)節(jié)示意圖見(jiàn)圖2。從流程圖中可以看到，在PID調(diào)節(jié)中，若機(jī)艙環(huán)境溫度大于或等于40 ℃，此時(shí)不考慮機(jī)艙內(nèi)外壓差，優(yōu)先考慮降溫，直接快速將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)至最大，變頻器100%輸出，使機(jī)艙區(qū)域快速進(jìn)行熱交換，將溫度降至設(shè)計(jì)溫度以下，以保證設(shè)備的正常運(yùn)行，保證船舶運(yùn)行安全。

圖2 機(jī)艙風(fēng)機(jī)PID調(diào)節(jié)示意圖

船舶機(jī)艙區(qū)域與室外大氣壓差應(yīng)保持50 Pa正壓差，若出現(xiàn)負(fù)壓，則表示機(jī)艙的進(jìn)氣量不足，機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行所需的空氣不足。在確保機(jī)艙環(huán)境溫度低于40 ℃時(shí)，進(jìn)行邏輯判斷，若此時(shí)的機(jī)艙內(nèi)外壓差小于50 Pa，則表示此時(shí)機(jī)艙的供風(fēng)量不夠，PLC給出增加轉(zhuǎn)速判斷，通過(guò)變頻器增加頻率來(lái)增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)機(jī)艙內(nèi)外壓差大于50 Pa，則表示此時(shí)機(jī)艙的供風(fēng)量有富余，PLC給出降低轉(zhuǎn)速判斷，通過(guò)變頻器降低頻率來(lái)減少風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；若此時(shí)機(jī)艙內(nèi)外壓差正好維持在50 Pa，則保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，變頻器保持當(dāng)前的頻率以保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

從圖2看出，PID調(diào)節(jié)是一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得最終機(jī)艙溫度及內(nèi)外壓差達(dá)到或者無(wú)限接近設(shè)定值，滿足船舶運(yùn)行要求。

4 基于PID調(diào)節(jié)的變頻控制系統(tǒng)的

節(jié)能計(jì)算

機(jī)艙風(fēng)機(jī)的PID調(diào)節(jié)是基于機(jī)艙風(fēng)機(jī)的可變頻控制，若機(jī)艙風(fēng)機(jī)為定頻風(fēng)機(jī)，則無(wú)法進(jìn)行調(diào)速，PID調(diào)節(jié)也無(wú)法進(jìn)行，機(jī)艙風(fēng)機(jī)將無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化機(jī)艙的升級(jí)，解放了船員的雙手。但歸根結(jié)底，變頻系統(tǒng)的發(fā)展與關(guān)注，源于它對(duì)船舶燃油消耗所作出的貢獻(xiàn)。

由式(2)可知，采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)的實(shí)際輸出功率與實(shí)際的流量和額定的流量比值的3次方成正比[2]，即

(3)

調(diào)速后，n1

綜合船舶實(shí)際工況，63 500 t散貨船機(jī)艙每臺(tái)風(fēng)機(jī)的額定功率P2為21 kW，一個(gè)航次航行60 d，機(jī)艙風(fēng)機(jī)綜合設(shè)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的80%，根據(jù)式(4)計(jì)算如下：

(4)

一個(gè)航次機(jī)艙風(fēng)機(jī)可以節(jié)約功率P3為：

P3=(P2-P1)×24×60×4=59 028.48 kW

查閱63 500 t散貨船發(fā)電機(jī)資料，發(fā)電機(jī)的燃油消耗量為194 g/kWh。因此通過(guò)變頻控制的機(jī)艙風(fēng)機(jī)所能節(jié)約的燃油量Q為：Q=194P3≈11.5 t

從上述理論計(jì)算可以看出，在一個(gè)航次過(guò)程中，機(jī)艙風(fēng)機(jī)的變頻控制降低了實(shí)際船舶燃油消耗量。僅一個(gè)航次的航行，變頻控制就為船東節(jié)約了約11.5 t燃油，因此船舶中的變頻控制越來(lái)越受到船東的歡迎。

5 結(jié)論

(1)基于PID調(diào)節(jié)的機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)可以依據(jù)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的溫度及機(jī)艙內(nèi)外壓差的變化自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速。PID調(diào)節(jié)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋、比較的過(guò)程，響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)速度快，最終達(dá)到供需平衡。

(2)機(jī)艙風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使得在滿足機(jī)艙供風(fēng)量的同時(shí)，可以大大降低風(fēng)機(jī)的功率，從而降低船舶的燃油消耗，達(dá)到節(jié)能效果。

(3)相比傳統(tǒng)的定頻風(fēng)機(jī)，在船舶運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)機(jī)消耗的電能會(huì)大大減小，有利于節(jié)能減排；相比傳統(tǒng)的手工變頻調(diào)節(jié)，基于PID調(diào)節(jié)的變頻控制解決了由于船員經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致手工調(diào)節(jié)出現(xiàn)失誤、造成船舶設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行的問(wèn)題。