冷藏集裝箱船貨艙風機電氣設計

杜小良 ，王榮 ，沈梁

（1. 江蘇新?lián)P子江造船有限公司，江陰214532；2. 上海船舶研究設計院，上海201203）

0 前 言

冷藏集裝箱（以下簡稱“冷箱”）是生鮮食品以及生物制品遠距離運輸?shù)闹匾绞剑洳丶b箱船是實現(xiàn)冷藏貨品進行全球國際運輸貿易的主要途徑。 冷箱布置在船舶貨艙內時需要風機進行機械通風，及時將冷箱壓縮機周圍的熱量消散，以保證冷箱良好的工作環(huán)境，確保貨物安全。 風機是貨艙通風系統(tǒng)中的主要設備， 也是電站的主重要負載之一，冷箱需要的散熱風量由風機來實現(xiàn)。 除了貨艙風機功率外，冷箱消耗功率、貨艙溫度以及冷藏和冷凍貨品的裝貨比例等都影響到風機的運行。

以節(jié)能優(yōu)化為目標，在滿足規(guī)范要求和貨艙通風量的前提下，從冷箱通風量與溫度、功率之間的關系以及風機電氣控制方式等方面， 分析載運風冷式冷藏集裝箱船貨艙通風電氣系統(tǒng)控制原理，研究采用定速、 雙速和變頻等3 種不同形式的風機電機的節(jié)能途徑，降低船舶運營成本，為船東提供合適的設計方案， 也為以后同類型船型設計提供參考。

1 貨艙通風系統(tǒng)概述

確定貨艙通風量需求是一個動態(tài)變化的過程，通過溫度控制的方法，考慮冷箱周圍（貨艙內）的溫度變化對通風系統(tǒng)帶來的影響以及有效調節(jié)風機電機運行方式來確定貨艙風機最佳配置方案。

DNV、ABS、LR、CCS 等船級社規(guī)范指導文件對冷箱船的貨艙機械通風量有推薦值和具體的計算公式，例如：單個40 英尺（FEU）冷箱需要散熱風量為4 500 m3/h，單個20 英尺（TEU）冷箱需要散熱風量為3 100 m3/h。

根據貨艙大小和冷箱裝載數(shù)量，輪機專業(yè)設計的某型冷箱船貨艙典型貨艙通風布置圖如圖1 所示，9 臺風機分別為對應服務區(qū)域的冷箱供風。風機可采用定速、雙速和變頻等3 種不同的機型配置方案，下文從通風系統(tǒng)的供電、控制方式和節(jié)能效果等方面分別闡述不同方案的特點。

圖1 貨艙風機風管典型布置圖

2 貨艙風機配置方案

2.1 定速風機供電和控制

每路風管設計滿足額定需求風量22 500 m3/h的要求，配置9 臺恒定轉速的風機，每臺風機的額定功率為11 kW，系統(tǒng)框圖如圖2 所示。每個風機的啟動器集中在組合啟動屏上，除提供電源外也實現(xiàn)對風機的啟動、停止等控制功能。 根據裝載冷箱的情況和貨艙的溫度監(jiān)測數(shù)據，船員可以在貨艙就地控制風機， 使9 臺風機全開或者選擇性地部分開啟，但實際運營過程中若該貨艙裝載了冷箱，通常貨艙風機是全部開啟的。 因為冷箱貨艙通風采用額定通風方式，風機設計也是基于理論上的最高艙外溫度、 目標溫度和最大冷箱裝載量進行設計的，在不同的季節(jié)以及不管貨艙內裝載冷箱數(shù)量如何變化，風機總是運行在最大的額定功率點，風機作為連續(xù)負載航行過程中全功率運行， 電功率消耗較大。

圖2 定速風機供電及控制圖

2.2 雙速風機供電和控制

冷箱的冷藏壓縮機工作工況是受到環(huán)境溫度因素影響的， 在同一貨艙內冷箱數(shù)量相同的情況下，因為不同季節(jié)和航區(qū)環(huán)境溫度不同，冷藏貨品和冷凍貨品的散熱量不同， 直接影響到貨艙內溫度。 雙速風機是考慮冷箱裝載量不足的情況下，讓風機的功率運行點在相應擋位上， 控制系統(tǒng)根據風機不同的通風量需求， 將電機設置在2 個不同的轉速點，對應高低2 個功率點，通過啟動箱進行兩種轉速的切換。 控制目標是貨艙溫度，控制對象是風機電機的轉速， 供電及控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 雙速風機供電及控制圖

系統(tǒng)的框架搭建和組成與定速風機系統(tǒng)類似，區(qū)別在于雙速風機控制系統(tǒng)中， 每臺風機有2 個高、低轉速可調節(jié)。 當冷箱裝載較多或貨艙溫度較高時，風機運行在高轉速狀態(tài)，反之，就運行在低轉速狀態(tài)。 為了實現(xiàn)對風機轉速的控制，需要根據溫度控制精確度的要求，在貨艙里安裝3～5 個溫度傳感器。 通過溫度來控制風機轉速，可以在冷箱常用的部分裝載工況下實現(xiàn)一定的節(jié)能效果。

雙速風機的高低功率設定與冷箱裝載率、可選擇的電機產品型號有關。 以圖1 中某型冷藏船某風機向對應風管送風，服務于不同數(shù)量冷箱時運行不同的功率為例，在不考慮貨艙內冷風流場分布和溫度變化的情況下，可以近似得到在不同冷箱裝載率時的能耗比，如表1 所示。

表1 雙速電機供風量和功率

由此可見，根據船東實際營運需求，通過合理的配載設計，采用雙速風機的通風系統(tǒng)，在冷箱實際裝載量低于額定裝載量某一比例時，采用雙速電機后節(jié)能效果比較顯著。

2.3 變頻風機控制

與定速和雙速風機的供電和控制不同，變頻風機系統(tǒng)中，風機采用變頻電機，以控制貨艙溫度為目標，通過變頻器進行無級調速來控制風機風量輸出。 對應不同的運行頻率，風機運行功率點也不一樣。

風機變頻控制就是為每臺風機都配置單獨的變頻起動器， 以貨艙為單位進行分組和區(qū)域劃分。貨艙內安裝溫度傳感器和二氧化碳濃度傳感器，都接入到單獨的信號采集和控制單元，實時地采集貨艙內多點位置的溫度和二氧化碳濃度并計算分析，通過中央控制器PLC 基于PID 的閉環(huán)邏輯進行控制。 每一臺風機都采用獨立的變頻器進行風機頻率和轉速的調節(jié)，其工作原理為：中央控制器與裝載計算機進行通信，通過裝載計算機讀取貨艙區(qū)域全部冷數(shù)量和箱位置，根據實際裝載量，中央控制器按照單冷箱通風量比例，初始設置對應變頻器的頻率。 在沒有冷箱布置的區(qū)域，相對應區(qū)域的風機不會啟動。

溫度控制是貨艙通風控制系統(tǒng)設計的核心，中央控制器可以根據貨艙內溫度的變化，自動啟停某臺風機或確定其運行頻率，在確保全部冷藏貨物安全的情況下，降低風機的工作轉速，減少投入運行風機的數(shù)量，從而達到節(jié)能的目的。 同時，不讓所有的風機始終長期處于運行的狀態(tài)是延長風機壽命的好辦法。 圖4 為根據風機控制廠家推薦的貨艙風機自動控制流程圖。

圖4 貨艙風機自動控制流程圖

以某型冷箱船貨艙通風為例（見圖1 布置圖），按照冷箱的配載圖，將溫度傳感器（測溫范圍-20 ℃～100 ℃）均勻地放在前后貨艙的中間層兼顧周圍溫度，該傳感器參與系統(tǒng)變頻的控制。 在貨艙艙口圍前后左右各裝一個溫度傳感器，作為貨艙溫度集中監(jiān)控使用，不參與系統(tǒng)變頻的控制，但該傳感器檢測到的溫度參數(shù)作為在貨艙溫度出現(xiàn)超溫異常情況下啟動全頻全速模式運行的必要條件。 另外，在貨艙前后艙底各裝一個CO2濃度傳感器，當貨艙內CO2濃度大于設定值時， 報警信息輸出到中央變頻控制器進行報警提示的同時，全部風機自動運行在全速送風模式，加速熱量交換，快速降低CO2濃度，確保貨物安全。

所有對風機的操作都可以在船舶辦公室/控制內的中央變頻控制器HMI 單元上完成。風機供電及控制系統(tǒng)框圖如圖5，通信框圖如圖6 所示。

圖5 變頻風機供電及控制框圖

從圖6 的貨艙風機通信系統(tǒng)框圖還可以看出，每個貨艙風機啟動器和PLC 控制器可接收到該貨艙的每一個風機信息，風機被預設了地址碼，它的安裝位置、服務區(qū)域、所屬組別都可以在控制界面中顯示出來，而風機周圍的溫度、風機當前的控制模式、工作狀態(tài)、工作頻率、消耗的電能、整個貨艙CO2的濃度、貨艙周圍的溫度也都通過MIMIC 圖實時顯示。 圖7 為貨艙溫度顯示的MIMIC 圖。

圖6 變頻風機通信框圖

圖7 貨艙溫度顯示MIMIC 圖

同樣以圖1 貨艙風機布置為例，某一風機向對應風管送風，服務于不同數(shù)量冷箱時不同的頻率和功率如表2 所示，在不考慮貨艙內冷風流場分布和溫度變化的情況下，可以近似得到在不同冷箱裝載率時的能耗比。 另外變頻風機一般選用高效風機，所以在同樣的額定需求風量要求下，變頻電機的額定功率選得比較小，對應低頻率下運行的電機功率將更小。 變頻電機有最低轉速保護限制，最低保護轉速頻率設置在15 Hz。

表2 變頻電機風量和功率

3 結 語

定速、 雙速和變頻風機等3 種方案的特點明顯，如表3 所示。

表3 三種電機方案主要特點

從冷箱船貨艙通風適用性考慮：采用恒功率恒轉速的風機初期投入少，成本低，手動控制，操作簡單；采用雙速風機成本略高，可在中央變頻控制器HMI 單元上完成所有操作，實現(xiàn)自動控制，適用于高低緯度溫差較大的固定航線，在貨艙風機數(shù)量少于30 組的船舶上， 采用雙速風機方案節(jié)能效果明顯。 船舶航線環(huán)境溫度變化大，且承運冷藏貨品數(shù)量受季節(jié)影響， 在貨艙風機數(shù)量大于30 組的船舶上，采用變頻風機方案的節(jié)能效果更為理想，可有效彌補初投資大的不足。 在節(jié)能減排的大環(huán)境下，變頻方案更受到歐洲船東的青睞。