穿梭油輪變頻控制海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

麻蔚然

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

隨著全球?qū)ε欧诺目刂圃絹碓絿?yán)格，對(duì)節(jié)約能源的需要也越來越強(qiáng)烈。船舶作為全球運(yùn)輸支柱和經(jīng)濟(jì)紐帶，是一個(gè)能耗和排放的重要來源。目前船舶航運(yùn)中的電力來源主要依靠柴油發(fā)電機(jī)組，如何減少船舶在正常工作中的電力消耗是一個(gè)值得深究的課題。

目前，大型船舶的冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行流程通常為：中央淡水冷卻系統(tǒng)對(duì)各個(gè)設(shè)備用戶進(jìn)行必要的冷卻，然后經(jīng)過冷卻器與海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，進(jìn)而降低淡水的溫度，降溫后的淡水重新在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，周而復(fù)始。在船舶設(shè)計(jì)中，通常將淡水溫度設(shè)定為36 ℃，海水溫度則根據(jù)夏季熱帶地區(qū)溫度進(jìn)行熱平衡計(jì)算。然而，船舶在航行或工作過程中，海水的溫度差異較大，設(shè)計(jì)中存在較大的冗余。同時(shí)，船舶在不同的工作狀態(tài)下，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷情況不一，而設(shè)備的選型需要按最大工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致實(shí)際工作中同樣存在熱負(fù)荷的冗余問題。隨著變頻控制技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用，通過變頻控制來減少海水冷卻系統(tǒng)的能耗具有非常好的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 穿梭油輪系統(tǒng)的特殊性

穿梭油輪在運(yùn)營(yíng)中的一項(xiàng)重要功能是與 FPSO或鉆井平臺(tái)對(duì)接并進(jìn)行貨油的轉(zhuǎn)駁。在此過程中，船舶需要進(jìn)行動(dòng)力定位來克服風(fēng)力、海浪和洋流的影響，使穿梭油輪與轉(zhuǎn)駁對(duì)象之間保持一個(gè)相對(duì)固定的位置。同時(shí)考慮到操作的安全性，需要對(duì)該類型船舶進(jìn)行系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，確保某一重要設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，仍然能保持船舶的動(dòng)力定位能力。因此，本例的穿梭郵輪配備了3套獨(dú)立的中央淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)。

1.2 海水冷卻系統(tǒng)

以3套獨(dú)立冷卻系統(tǒng)中的1個(gè)為例，海水冷卻系統(tǒng)主要由高低位海底門、海水吸入濾器、海水冷卻泵、壓差控制器、冷卻器、溫度傳感器及一些控制閥件及儀表組成（見圖1）。冷卻海水經(jīng)過海底門和海水總管，由海水冷卻泵驅(qū)動(dòng)進(jìn)入冷卻器，在冷卻器中進(jìn)行海水與淡水的熱交換后排出舷外。海水冷卻泵一般設(shè)計(jì)為一備一用，冷卻器通常設(shè)計(jì)為單個(gè)滿足100%熱負(fù)荷計(jì)算。

圖1 海水冷卻系統(tǒng)

1.3 淡水冷卻系統(tǒng)

淡水冷卻系統(tǒng)是一個(gè)封閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，由淡水循環(huán)泵、冷卻器、壓力傳感器、三通溫控閥、膨脹水柜、設(shè)備用戶和一些控制閥件及儀表組成（見圖 2）。冷卻系統(tǒng)通過淡水冷卻泵將系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的36 ℃淡水通過管網(wǎng)輸送到各個(gè)用戶，帶走用戶內(nèi)部的熱量。溫度升高后的淡水部分經(jīng)過冷卻器與海水進(jìn)行熱交換后進(jìn)入三通溫控閥，另一部分直接進(jìn)入三通溫控閥。通過三通溫控閥出口的溫度傳感器反饋混流后的淡水溫度，并根據(jù)PID控制調(diào)整三通溫控閥的開閉角度實(shí)現(xiàn)高低溫淡水的混合比例達(dá)到要求（出口溫度為36 ℃）。

圖2 淡水冷卻系統(tǒng)

2 熱負(fù)荷變化

2.1 動(dòng)力定位工況

如1.1中所述，穿梭油輪的特點(diǎn)在于船舶在裝載貨油過程中需要進(jìn)行動(dòng)力定位，主要需克服風(fēng)力和洋流等可能對(duì)船舶造成位置偏移的外力，主要依靠船舶軸系推進(jìn)系統(tǒng)、舵、多組側(cè)推和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行位置修正。隨著不同強(qiáng)度的風(fēng)力風(fēng)向和洋流對(duì)動(dòng)力輸出的要求變化，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷也隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)熱負(fù)荷的改變。以某型穿梭油輪為例，在風(fēng)速48.6 n mile/h，浪高5 m，洋流流速2.14 n mile/h的工況下，B組動(dòng)力定位推進(jìn)器的電力需求為5 320 kW，而在靜水的理論狀態(tài)下，實(shí)際消耗功率約為798 kW。查閱發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)（見表 1），在可推算在負(fù)荷變化的條件下，單臺(tái)發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷變化約為5.2%。

表1 發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)參數(shù)

2.2 海水溫度

海水溫度是海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)，穿梭油輪常規(guī)設(shè)計(jì)中仍然以32 ℃作為基準(zhǔn)。但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，隨著緯度、季節(jié)和吃水深度的改變，海水溫度一般在10 ℃～32 ℃之間變化。所以在淡水系統(tǒng)流量保持恒定的情況下，海水流量需求有了很大的變化區(qū)間。根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)調(diào)整海水流量可有效降低海水冷卻泵的功率消耗。

3 海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 海水冷卻泵參數(shù)

流量是海水冷卻泵的一個(gè)重要參數(shù)。在對(duì)海水冷卻泵的流量進(jìn)行選取時(shí)，首先要根據(jù)最大熱交換需求及海水預(yù)期的出口溫度進(jìn)行計(jì)算，再綜合考慮泵排量的冗余情況，最后選定流量參數(shù)。海水冷卻泵排量計(jì)算公式為[1]

式中：Q為海水冷卻泵流量，m3/h；H為冷卻水熱交換量，kW；C 為比熱容，J/(kg?℃)；t1為海水進(jìn)口溫度，℃；t2為海水出口溫度，℃，為了防止海水鹽稀，海水出口溫度t2一般設(shè)定在45 ℃～48 ℃之間。目標(biāo)設(shè)定溫度越高對(duì)應(yīng)的冷卻器或海水冷卻泵的設(shè)備選型就越經(jīng)濟(jì)。

揚(yáng)程是海水冷卻泵的另一個(gè)重要參數(shù)。海水冷卻泵通常布置在船舶機(jī)艙的底層，本例中蘇伊士型穿梭油輪排舷外出口和系統(tǒng)管路的最高點(diǎn)均在水線以下（輕載工況下），所以海水冷卻泵的揚(yáng)程計(jì)算中不需要考慮排出靜壓差問題，只需要考慮海水管路沿程損失和冷卻器的壓力降。

3.2 冷卻器選擇

在船舶設(shè)計(jì)中，換熱量較大的換熱器一般選擇板冷形式。對(duì)于海水冷卻的板冷在材質(zhì)上需要選擇耐腐蝕材質(zhì)的鈦合金。除了根據(jù)淡水冷卻系統(tǒng)計(jì)算得到的最大熱交換量外，板冷還需要考慮設(shè)備壓力降的選擇。板冷壓力降一般選擇0.07 MPa～0.10 MPa，同時(shí)它的選擇與3.1中提到的海水冷卻泵的揚(yáng)程選擇相互關(guān)聯(lián)。從設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)角度，可適當(dāng)提高壓力降，增加高效板片的使用比例，這對(duì)于設(shè)備采購(gòu)成本有益。

3.3 海水冷卻泵切換控制

海水冷卻泵選擇為離心泵，一般設(shè)計(jì)為一備一用，以實(shí)現(xiàn)海水冷卻泵故障時(shí)能自動(dòng)切換。通常在泵出口設(shè)置壓力傳感器來監(jiān)測(cè)泵的出口壓力是否正常。由于不同的吃水狀態(tài)將影響泵出口的壓力值，這導(dǎo)致壓力設(shè)定值需要通過中央控制系統(tǒng)參照吃水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，進(jìn)而增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本型穿梭油輪根據(jù)3.1節(jié)描述的特殊性（系統(tǒng)管路高點(diǎn)在輕載吃水線以下），在設(shè)計(jì)中使用海水冷卻泵進(jìn)出口設(shè)置壓差傳感器的方式，以消除吃水和波浪變化對(duì)自動(dòng)切換控制參數(shù)設(shè)定的影響。所以，海水冷卻泵自動(dòng)切換可以直接根據(jù)泵的特性曲線中可適用的最小頻率下的壓力值進(jìn)行設(shè)定。本系統(tǒng)管路在設(shè)計(jì)工況下背壓較小，需要在選擇壓差傳感器時(shí)考慮足夠的精度和靈敏度。

3.4 變頻控制

如圖1所示，在冷卻器出口處設(shè)置1只PT100溫度傳感器，連續(xù)監(jiān)測(cè)海水排舷外溫度，信號(hào)反饋給變頻控制系統(tǒng)。海水冷卻泵的特性決定了泵的功率與轉(zhuǎn)速之間為3次方關(guān)系，設(shè)定海水出口溫度目標(biāo)值為45 ℃，自動(dòng)調(diào)頻系統(tǒng)將溫度傳感器反饋的實(shí)時(shí)海水溫度與設(shè)定值做對(duì)比，并進(jìn)行頻率的調(diào)整。隨著頻率的變化，海水冷卻泵的轉(zhuǎn)速也隨之相應(yīng)變化，進(jìn)而調(diào)整海水的排量以達(dá)到需要的冷卻效果，最終達(dá)到降低能耗的目的。

根據(jù)變頻器效率、海水冷卻泵電機(jī)效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，當(dāng)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速比小于0.3時(shí)，變頻器的效率會(huì)急劇下降，低于0.5時(shí)電機(jī)的效率下降幅度也明顯增強(qiáng)[2]。所以，海水冷卻泵的變頻控制范圍廠家一般推薦在0.5～1.0。在實(shí)際使用中，海水冷卻系統(tǒng)中的閥件處于全開狀態(tài)，不會(huì)調(diào)整閥門的開度，所以系統(tǒng)管路特征是不變的[3]。

結(jié)合海水冷卻泵的特性曲線和管路特征曲線（見圖3），A點(diǎn)為設(shè)計(jì)最大工況下的運(yùn)行點(diǎn)，B點(diǎn)為設(shè)計(jì)最小工況且保證泵運(yùn)行效率情況下的運(yùn)行點(diǎn)。將B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的凈壓頭作為3.3中描述的海水冷卻泵故障自動(dòng)切換點(diǎn)的設(shè)計(jì)參照。

圖3 海水冷卻泵性能曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)中設(shè)備的選型必須根據(jù)最大工況來進(jìn)行，而實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中達(dá)到最大工況的時(shí)間占比卻很少。海水冷卻系統(tǒng)采用變頻設(shè)計(jì)后，有效地節(jié)省了能源消耗，但同時(shí)也在設(shè)備成本投入上有所增加。穿梭油輪需配備多套獨(dú)立海水冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力定位過程中熱負(fù)荷變化大的特點(diǎn)決定了其使用變頻控制的可行性和必要性。